王建強+封蕾

摘 要： 為研究紅棗的熱風干燥特性，分別考查了50 ℃， 60 ℃和70 ℃干燥溫度及0.5 m/s，1.0 m/s和2.0 m/s條件下整果紅棗的熱風干燥曲線和干燥速率曲線的相關規(guī)律，并對實驗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析，建立了紅棗熱風干燥數(shù)學模型。在此基礎上，設計實現(xiàn)了基于ARM的紅棗干燥自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以滿足紅棗烘烤過程的溫濕度自動控制要求，提高紅棗干制品的質(zhì)量。

關鍵詞： ARM； 熱風干燥； 數(shù)學模型； 自動控制

中圖分類號： TN911?34； TP312 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0056?03

Design of jujube drying automatic control system based on ARM

WANG Jianqiang， FENG Lei

（College of Information Engineering， Yulin University ，Yulin 719000， China）

Abstract： In order to research the hot?air drying characteristics of red jujube， the correlative law of hot?air drying curves and drying velocity curves of red jujube are investigated at different temperature （50℃， 60℃ and 70℃） and air velocity （0.5 m/s，1.0 m/s and 2.0 m/s）. The experimental data is analyzed. The mathematical model of red jujube hot?air drying was established. The ARM?based automatic control system for red jujube drying were designed and implemented. The testing results of the system show that the system can meet the requirements of the temperature?humidity automatic control for red jujube drying， and improve the drying quality of red jujube.

Keywords： ARM； hot?air drying； mathematical model； automatic control

紅棗作為一種主產(chǎn)于中國的水果，在中國的種植面積已經(jīng)超過了1 500 000 公頃。除了一小部分鮮果直接食用外，大部分的被制成了干果，遠銷國內(nèi)外[1]。收獲后的鮮棗，由于含水量較高，往往會造成25%～30%的減產(chǎn)。干燥是一種被廣泛的用于農(nóng)產(chǎn)品采收后的保鮮方法，它可以降低鮮果中的水分和微生物活性，增加產(chǎn)品耐儲存性[2?3]。目前，常見的紅棗干燥方法主要有2種：自然干燥法和人工干燥法。自然干燥法又分為曬干法和晾干法；人工干燥法主要有干燥機干制、太陽能干制、真空冷凍干制、微波與紅外輻射干制、熱風干燥技術、烘房干 制 技術等。我國目前采用得最多的紅棗干制技術為以煤為燃料烘房干制法，與自然干制技術相比，該技術可以提高烘干速度快，降低爛果酶果率并且提高紅棗干品的品質(zhì)，并且可以降低勞動強度；與其他人工干制法相比，其具有成本低，單次烘干數(shù)量大等不可替代的優(yōu)點。然而，該技術主要依靠烘房輻射和自然對流來進行干燥，烤房內(nèi)各處溫濕度很難做到均勻，且難以控制，烘烤過程中，主要依靠操作人員的經(jīng)驗進行溫濕度的控制，烘干質(zhì)量不穩(wěn)定且能耗大。為了解決這些問題，本文考查了紅棗烘烤過程中的干燥特性，建立了紅棗熱風干燥數(shù)學模型，在此基礎上，研究設計了基于ARM的紅棗烘烤溫濕度自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以對紅棗烘烤過程中的溫濕度實時精確測控，并里用數(shù)學模型進行紅棗干品含水量的控制，從而可以提高紅棗烘干質(zhì)量，并降低能耗。

1 紅棗熱風干燥數(shù)學模型的建立

1.1 材料與設備

陜北紅棗是一個非常有名的紅棗品種，主要產(chǎn)自陜西省榆林市。本實驗采用的實驗材料為2013年9月底，采摘自陜西省榆林市吳堡縣康家塔村的鮮棗，成熟度在9成左右，采摘大小均勻的樣品放置于保溫箱中，帶回實驗室后，在4 ℃條件下冷藏備用（濕基含水率70.2%）。實驗條件為室溫，實驗前用酒精擦拭干凈。實驗裝置為熱風干燥機，由陜西省吳堡光大棗業(yè)有限公司提供。熱風干燥機主要包括風機、電加熱器、干燥室、溫度控制單元等。風機風速可調(diào)，風速測量板可以實時測量通過它的風速。天平采用數(shù)字電子天平用來測量樣品的重量。

1.2 試驗方法與結(jié)果

1.2.1 測定指標與方法

試樣干基含水量Mt為：

[Mt=mt-mgmt×100] （1）

式中：Mt為試樣干燥至t時刻的干基含水量；mt為試樣干燥至t時刻的質(zhì)量（單位：g）；mg為試樣絕對干質(zhì)量（單位：g）。

試樣是水分比MR為[4?5]：

[MR=Mt-MeM0-Me] （2）

式中：[MR]為試樣水分比；[Me]為物料的平衡干基含水量；[M0]為物料的初始干基含水量。

由于[Me]相對于其他兩者來說較小，可以忽略，因此式（2）可以簡化為：

[MR=MtM0] （3）

1.2.2 熱風溫度對紅棗干燥速率的影響試驗endprint

紅棗從冰箱取出后，自然升至室溫，在熱風溫度分別為50 ℃，60 ℃，70 ℃下對1 000 g樣品進行干燥實驗，風速為1.0 m/s。干燥過程中，每隔1 h測定1次含水率，直至達到安全含水量為止。

圖1 不同溫度條件下的干燥曲線

由圖1可以看出，在熱風速度為1 m/s的條件下，隨著時間的延長，物料殘余的水分逐漸減少，干燥溫度對紅棗干燥速率影響很大，溫度越高達到安全含水量所需的時間越短。紅棗熱風干燥10 h時，其MR值在干燥溫度50 ℃，60 ℃，70 ℃下分別為0.80，0.62和0.44；而若使MR達到0.15，干燥溫度為50 ℃，60 ℃，70 ℃時則分別需要44 h，27 h，18 h。干燥溫度為70 ℃時，達到預期水分比MR=0.15所需要的時間與50時相比縮短26 h，與60 ℃條件下相比則縮短了17 h。

1.2.3 風速對紅棗干燥速率的影響試驗

紅棗從冰箱取出后，自然升至室溫，在風速分別為0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s下對1 000 g樣品進行干燥實驗，熱風溫度為60 ℃。干燥過程中，每隔1 h測定一次含水率，直至達到安全含水量為止。由圖2可以看出，隨著時間的延長，物料殘的[MR]值逐漸減小，不同的風速對紅棗達到安全含水量的時間有一定的影響。隨著風速的增加，紅棗的干燥速率加快，在干燥溫度為60 ℃的條件下，紅棗熱風干燥20 h時，其MR在風速0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s時分別為0.31，0.24，0.21，而若使MR達到安全含水量0.15，風速為0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s時時則分別需要24 h，27 h，30 h。風速為2.0 m/s時，達到預期水分比所需要的時間與0.5 m/s時相比減少了近6 h，故風速對紅棗熱風干燥過程的影響較小。

圖2 不同風速條件下的干燥曲線

1.3 紅棗熱風干燥數(shù)學模型的建立

物料干燥過程比較復雜，往往與物料的物理特性密切相關。眾多學者總結(jié)了好多個理論、半理論和經(jīng)驗模型，用于描述干燥過程中物料水分比隨時間的變化規(guī)律。本實驗選擇了6個常用的薄層干燥數(shù)學模型進行紅棗的熱風干燥動力學研究，如表1所示[8?13]。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學模型

為了建立紅棗的熱風干燥模型，分別對上述試驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，估出ln （MR）-t及-ln（-ln MR）-t曲線，如圖3、圖4所示。由曲線圖可以看出，紅棗熱風干燥過程中，在不同溫度和風速下，試驗數(shù)據(jù)在，說明紅棗熱風干燥過程可以使用Page模型進行描述。

根據(jù)在各種干燥條件下所得到的水分比[MR]與時間t的試驗數(shù)據(jù)，可以看出，干燥常數(shù)K和n均為干燥條件（干燥溫度T、熱風速度v）的函數(shù)，利用最小二乘法（用 SAS 軟件的非線性回歸分析方法）進行擬合確定該薄層干燥數(shù)學模型的參數(shù)值，可以得出K與t和v以及n與t和v的關系式。從而可以得到陜北紅棗熱風干燥的數(shù)學模型為：

[MR=exp（-ktn）] （4）

[n=0.857 9-0.020 1T+0.013 2v- 0.002 5Tv+0.000 19v2] （5）

[K=exp（-6.147 4-0.146T-0.001 8T2+ 0.006 2Tv-0.085 5v）] （6）

式中：T為干燥溫度，單位為℃；v為風速，單位為m/s。

圖3 不同干燥溫度下的擬合曲線

圖4 不同風速下的擬合曲線

2 紅棗烘烤自動控制系統(tǒng)設計

整個控制系統(tǒng)由中心控制單元、溫度采集單元、濕度采集單元、溫度控制調(diào)節(jié)單元及濕度控制調(diào)節(jié)單元組成。其中控制中心通過溫度采集單元及濕度采集單元獲取實時數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件判斷后進行處理，若溫濕度在允許范圍內(nèi)，則干燥過程繼續(xù)進行，否則，通過溫度控制調(diào)節(jié)單元及濕度控制調(diào)節(jié)單元進行相應的調(diào)節(jié)，發(fā)送相應的指令給風機或者排濕風扇，進行溫濕度的調(diào)節(jié)。其中中心控制模塊由三星公司的S3C2440微控制器擔任，該控制器基于ARM平臺。

3 系統(tǒng)測試

為了對系統(tǒng)進行實際生產(chǎn)中的驗證，在陜西榆林光大棗業(yè)有限公司進行了現(xiàn)場實驗，根據(jù)上述實驗得出的結(jié)果，設定的實驗條件為：在熱風速度為1.0 m/s的條件下，分別采用干燥溫度為50 ℃，60 ℃，70 ℃，在紅棗烘干機中分批次（一次1 000 kg），進行干燥實驗，每組實驗進行3次，每次實驗加熱至預測時間時停止，同時測定紅棗的MR三次平行實驗的平均值，與使用模型得到的預期值做比較，試驗方案如表2所示。

表2 現(xiàn)場試驗安排表

試驗結(jié)果如表3所示所示。

表3 紅棗干燥現(xiàn)場試驗結(jié)果

通過實際實驗值與模型的預測值（MR）的比較發(fā)現(xiàn)，將該模型應用到實際生產(chǎn)環(huán)境條件下，完全可以滿足產(chǎn)品最終含水量控制的需要，驗證了該模型的可用性。

4 結(jié) 論

陜北紅棗熱風干燥模型可以用Page方程來描述，方程中的K和n受干燥溫度、風速的共同影響。經(jīng)工廠加工現(xiàn)場驗證，該控制系統(tǒng)可以用于實際的生產(chǎn)過程，進行紅棗干燥最終產(chǎn)品的含水量控制，從而提高干燥產(chǎn)品的品質(zhì)，并優(yōu)化干燥生產(chǎn)工藝。

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