倪乘陽，徐歐官，李臻鋒

(1.浙江工業(yè)大學 之江學院，浙江 紹興 312030；2.江南大學 機械工程學院 江蘇省食品先進制造裝備重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

0 引言

干燥等加工方式不但延長農(nóng)產(chǎn)品的貨架期，而且還大大縮小了它的重量和體積，使其包裝和運輸成本降低，增加它的附加值。微波干燥是一種全新的干燥方法[1]，它利用微波產(chǎn)生交變電磁場，在交變電磁場的作用下，固體介質(zhì)中的水分子被激化，迅速旋轉(zhuǎn)，相互摩擦，產(chǎn)生熱量，從而使固體物料實現(xiàn)干燥[2]。微波干燥具有能耗低、效率高、時間短、質(zhì)量好等優(yōu)點，在食品、農(nóng)產(chǎn)品的干燥加工中應(yīng)用廣泛[3-7]。

本文擬設(shè)計一種微波干燥反饋控制系統(tǒng)，主要用于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的恒溫干燥。文中首先探討了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)原理；然后研究了硬件的設(shè)計過程，著重介紹微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機控制單元等各個功能模塊的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法；接著分析了控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計及實現(xiàn)；最后開展實驗，應(yīng)用純凈水加熱實驗校正改造后的微波爐的輸出功率，建立微波功率與控制電壓間的數(shù)學模型；以生姜為樣本開展恒溫干燥實驗來驗證所設(shè)計的微波干燥控制系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

微波干燥控制系統(tǒng)由微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機控制單元構(gòu)成，系統(tǒng)實現(xiàn)原理如圖1所示。微波干燥單元含改裝后的家用微波爐、220 V交流(AC)功率控制電路和用于裝載樣品的聚四氟乙烯容器，是控制系統(tǒng)的主體；溫度檢測與控制單元包括測量溫度的光纖測溫儀和調(diào)節(jié)電壓的功率控制器，光纖測溫儀在線檢測被干燥物料的溫度，功率控制器根據(jù)檢測的溫度實時調(diào)節(jié)微波爐的輸入電壓，進而改變微波爐的輸出功率，實現(xiàn)微波爐溫度的調(diào)節(jié)和控制；重量檢測單元主要包含電子天平，用于在線檢測被干燥物料的重量，通過在線檢測的物料重量來計算物料的含水率，以此判別干燥過程的啟停；上位機控制單元主要包括裝載LabVIEW應(yīng)用軟件的電腦、數(shù)據(jù)采集卡和調(diào)試好的控制程序，數(shù)據(jù)采集卡在線采集實驗過程中的溫度信號，整個系統(tǒng)均由上位機控制，微波干燥過程完全自動控制。

圖1 微波干燥控制系統(tǒng)

2 硬件設(shè)計

2.1 微波干燥單元

微波干燥單元是微波干燥控制系統(tǒng)的核心，微波干燥單元的設(shè)計包括微波爐的電路改造和功率控制電路的設(shè)計。

2.1.1 微波爐的改造

微波干燥單元的微波爐是由家用微波爐改造而成的。家用微波爐的功率和干燥時間由外部旋鈕手動控制。功率控制器僅有低火、中火、高火三種干燥檔位可選，分別對應(yīng)微波爐17%、55%、100%的輸出功率，有限的輸出功率選擇無法實現(xiàn)功率的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)，極易導致較差干燥品質(zhì)。時間控制器的存在無法使微波爐開展連續(xù)的長時間的實驗。因此需要對家用微波爐的線路進行改造，拆除功率控制器和時間控制器，設(shè)計一種功率控制器，使微波爐的功率實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。該功率控制器主要功能是對微波爐的輸入電壓實現(xiàn)調(diào)控，而且是無級調(diào)控，以較弱的直流電(0～5 V)控制較強的交流電(0～220 V)，使得微波爐由改造前的低火、中火、高火三種檔位變成微波功率130～540 W連續(xù)、無級可調(diào)。

2.1.2 功率控制電路的設(shè)計

微波爐的核心是磁控管，微波是由磁控管產(chǎn)生的。微波爐輸出功率的大小是通過調(diào)節(jié)磁控管的電壓實現(xiàn)的。采用占空比相位調(diào)節(jié)電路來控制微波爐的輸出功率[8]。功率控制電路主要包括光電隔離電路的設(shè)計、過零點電路的設(shè)計、可控硅的設(shè)計和占空比調(diào)節(jié)電路的設(shè)計等，功率控制電路原理圖見圖2。光電隔離設(shè)計由H11L1實現(xiàn)，可控硅電路包括BTA41-600B和MOC3023，占空比調(diào)節(jié)電路由LM555實現(xiàn)。

圖2 功率控制電路原理圖

2.2 溫度檢測控制單元

溫度檢測控制單元主要由溫度傳感器和功率控制器等硬件構(gòu)成。而溫度、功率的控制需要數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW程序配合實現(xiàn)。

2.2.1 溫度傳感器選擇

為保證微波干燥系統(tǒng)溫度恒定，要求系統(tǒng)的溫度能實時、準確地被測量，ThermAgile-RD熒光光纖測溫儀被選為測溫儀器，該測溫儀是西安和其光電科技有限公司生產(chǎn)的，其測量精度為0.1 ℃。這種型號測溫儀的熒光探頭是由稀土材料制成的，這種材料具有化學惰性的特點，由此材料制成的探頭具有不受外界微波、電、射頻、磁等干擾的特點，而且還具有測溫精度高、響應(yīng)時間快、尺寸小等特性，適合應(yīng)用于微波干燥系統(tǒng)。

2.2.2 溫度的測量與控制

在測溫的過程中，光纖測溫儀的探頭置于被測物料的中心，彼此充分接觸。探頭獲取的溫度信號被轉(zhuǎn)為標準的電壓信號(0～5 V)，數(shù)據(jù)采集卡實時采集該信號，輸入LabVIEW程序中，通過電壓-溫度轉(zhuǎn)換公式計算被測物料的實時溫度。光纖傳感器的電壓-溫度對應(yīng)關(guān)系需要標定，標定后的關(guān)系式為：

T=44.246*U-21.873

被測物料的溫度的調(diào)節(jié)與控制主要是通過改變微波爐的輸出功率實現(xiàn)的，圖3為溫度反饋控制系統(tǒng)框圖。當測溫儀檢測到的物料溫度小于設(shè)定溫度時，經(jīng)LabVIEW控制程序中的PID調(diào)壓模塊處理，提高功率控制器的輸入電壓，使微波爐的輸出功率增加，物料溫度隨之上升；當測溫儀檢測到的溫度大于設(shè)定溫度時，經(jīng)PID調(diào)壓模塊處理，降低功率控制器輸入電壓，減少微波爐的輸出功率，使物料溫度下降，從而達到維持物料溫度恒定的目的。

圖3 溫度控制系統(tǒng)框圖

2.3 重量檢測單元

重量檢測單元的主要設(shè)備為電子天平。它的作用是通過物料重量檢測來計算物料的含水率，含水率(濕基)計算式如下：

其中:Wt為干燥樣品在t時刻的濕基含水率(g/g)；Mt為t時刻物料的總重量(g)；M為物料的絕干重量(g)。

若采用離線的方式測量物料重量，不但破壞了干燥過程的連續(xù)性，而且影響實驗結(jié)果的準確性。選取LBA5200電子天平在線檢測物料重量，它通過RS232串口與電腦通信。該電子天平可在線測量并記錄重量信號，且精度為0.01 g，滿足要求。

2.4 上位機控制單元

上位機控制單元主要包括數(shù)據(jù)采集卡和安裝LabVIEW應(yīng)用軟件的電腦。

本系統(tǒng)的輸入信號為溫度信號(0～5 V)和重量信號，輸出信號為功率控制器的控制電壓(0～5 V)。由于LBA5200電子天平采集的重量信號通過串口(RS232)與電腦直接通信，重量信號不必通過數(shù)據(jù)采集卡采集。所以在選擇采集卡時，只需考慮模擬輸入和模擬輸出各一路，而且輸入和輸出信號均為0～5 V的標準電壓。數(shù)據(jù)輸入輸出如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)輸入輸出圖

據(jù)上分析，本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡的型號為NIUSB-6008，該采集卡有模擬輸入通道8路，模擬輸出通道4路，數(shù)字輸入通道和輸出通道各12路，和帶USB接口的32位計數(shù)器1個。NIUSB-6008數(shù)據(jù)采集卡可以通過下載的LabVIEW DAQ助手與LabVIEW應(yīng)用軟件配套使用。

3 軟件設(shè)計——LabVIEW控制程序

LabVIEW是由美國國家儀器公司(NI)研發(fā)的一種圖形化的編程語言，是一款標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制應(yīng)用軟件，它簡單易學、功能強大。虛擬儀器(VI, Virtual Instrument)是一種計算機儀器系統(tǒng)，顯示功能在以計算機為核心所構(gòu)成的硬件平臺上實現(xiàn)，代替儀器的控制面板，測試分析功能由軟件實現(xiàn)。VI由兩個界面組成，其一為前面板(Front Panel)，用于人機交互，包括指示器(Indicators)和控件(Controls)等用來模擬儀器的輸出裝置和輸入裝置；其二為編程區(qū)，即為程序圖(Diagram)。由程序圖發(fā)出指令到前面板。LabVIEW被認為是VI技術(shù)最具有發(fā)展前景和影響力的軟件平臺。

本系統(tǒng)采用LabVIEW實時記錄干燥過程中物料的重量和溫度，由溫度反饋控制微波爐的輸出功率。為了實現(xiàn)物料干燥的自動化控制，通過程序在線測量并實時記錄溫度、重量等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)實現(xiàn)干燥過程的反饋控制。果蔬等農(nóng)產(chǎn)品的微波恒溫干燥控制系統(tǒng)主要包括重量控制程序和溫度控制程序，其流程見圖5。重量控制程序控制干燥過程的啟動或停止，當物料的含水率達到設(shè)定值時，微波爐停止工作。溫度控制程序包含了溫度檢測，通過溫度反饋控制微波爐的輸出功率，使溫度調(diào)節(jié)過程快速、準確、穩(wěn)定。

圖5 微波干燥控制程序流程圖

微波恒溫干燥控制程序見圖6。while循環(huán)使微波干燥控制程序中前面板與程序圖這兩個界面每1 s運行一次。前面板含有濕基含水率設(shè)定值和溫度設(shè)定值輸入框，還包含重量、溫度和濕基含水率等指標的顯示圖表。程序會自動記錄重量、溫度等數(shù)據(jù)，且根據(jù)重量數(shù)據(jù)會自動計算濕基含水率，干燥的過程中只需要監(jiān)測前面板。在干燥的過程中，除了物料的放置和移出微波爐這兩個環(huán)節(jié)需要人工參與外，其它環(huán)節(jié)均不需要人工操作，全部由程序自動控制。微波干燥過程完全實現(xiàn)自動化，控制效果得到極大的提升，不僅減少了實驗過程中人力的使用，而且提高了實驗的準確性。

圖6 恒溫干燥控制程序圖

4 實驗結(jié)果及分析

4.1 微波爐輸出功率的標定

為實現(xiàn)微波爐輸出功率連續(xù)并無級可調(diào)，設(shè)計了功率控制電路替換家用微波爐的控制器。采用純凈水加熱實驗功率控制電路的控制電壓與微波爐的輸出功率間的對應(yīng)進行標定。

實驗過程：用燒杯盛一定量的純凈水，將他們放置于微波爐中；將光纖探頭置于純凈水中，實時檢測水的溫度；啟動微波爐，記錄微波爐的加熱時間和溫度，當水溫達到100℃時停止加熱。實驗過程中有3個假定：1)忽略燒杯吸收的熱量；2)忽略水蒸氣的蒸發(fā)量；3)大氣壓力始終維持在一個標準大氣壓。

實驗步驟：1)倒500 mL純凈水于燒杯中，將盛有純凈水的燒杯放置于微波爐，并將光纖探頭插入到水中(探頭不接觸杯壁或杯底)；2)設(shè)定控制電壓等參數(shù)后，啟動微波爐開始純凈水加熱實驗，記錄電壓、溫度等實驗數(shù)據(jù)；3)分析數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)處理。

通過下式計算微波爐的功率：

P=Q/(Δt)

Q=c×m×(T1-T0)=c×v×ρ×(T1-T0)

式中，P是微波爐功率(W)；Q是水吸收的熱量(J)；Δt是時間間隔(s)；c是純凈水的比熱容，取值4.2×103J/(kg·℃)；ρ是純凈水的密度，取值1×103kg/m3；v是燒杯中的純凈水的體積(m3)；T1和T0分別表示兩個時刻的水的溫度(T1>T0)(℃)。為方便計算，將40℃作為初始水溫T0，100℃作為終止溫度T1。

實驗結(jié)果：功率控制電路的電壓以0.2 V的間隔從0 V增加到5 V，在給定的控制電壓下進行功率標定實驗。為確?？刂齐妷簲?shù)值準確，使用萬用表對與數(shù)據(jù)采集卡連接的調(diào)壓模塊的端電壓進行測量并記錄。每組實驗重復三次，實驗結(jié)果取平均值，標定結(jié)果見表1。

表1 微波爐輸出功率標定實驗

由表1可知，當功率控制電路電壓小于2.0 V時，微波爐的輸出功率為0 W。主要原因有兩點：1)功率控制器的電壓在0～0.9 V之間時，控制器處于全閉狀態(tài)，控制電路的輸出電壓為0；2)功率控制器電壓在0.9～2.0 V之間時，功率控制器的輸出電壓低于磁控管的觸發(fā)電壓，磁控管無法啟動，不能產(chǎn)生微波。功率控制器的輸出電壓大于2.0 V時，磁控管已正常工作，能產(chǎn)生微波，而且微波功率隨著輸出電壓的增加而增大。當功率控制器的輸出電壓在4.2～5.0 V之間時，微波爐的輸出功率存在一定的波動，功率值隨著控制電壓的增加先增大而后減小。究其原因：當控制電壓大于4.2 V時，功率控制器已處于全開狀態(tài)，微波爐的輸入電壓已是全電壓。因此，探討并分析電壓值在2.2～4.2 V區(qū)間內(nèi)的微波爐輸出功率與功率控制器控制電壓之間的變化規(guī)律是合適的。利用最小二乘法對標定實驗的散點圖進行多項式擬合，得到的方程為：

P=119.6u3-1301u2+4766u-5342

經(jīng)分析該方程的確定系數(shù)R2為0.998，說明方程擬合度較好。

4.2 蘋果的恒溫干燥實驗

為驗證控制系統(tǒng)的控制效果，選取生姜為樣本進行恒溫干燥實驗。記錄生姜在干燥過程中的溫度、干燥時間等數(shù)據(jù)。生姜采購自當?shù)厥袌觯环指畛少|(zhì)量約為20±1 g的立方體樣品(10 mm×10 mm×10 mm)；為防止氧化，將樣品置于80℃的水浴中浸泡1 min。樣品分別在50℃、60℃、70℃和80℃下恒溫干燥。將光纖插入生姜樣本中心檢測物料溫度，將檢測的溫度信號與設(shè)定溫度信號比較，經(jīng)控制程序中的PID調(diào)壓模塊處理后，由采集卡輸送至功率控制器，功率控制器的輸出信號調(diào)節(jié)微波爐的輸出功率，最終實現(xiàn)物料溫度的調(diào)節(jié)和控制，達到恒溫干燥的目的。

干燥時，先將生姜預(yù)處理，然后放置于干燥的容器內(nèi)，將光纖測溫儀的探頭插入生姜內(nèi)部。在確認數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)可以正常采集和輸后，在控制面板上輸入濕基含水率(生姜干燥終點對應(yīng)的含水率)和干燥溫度，啟動微波爐開始干燥。在干燥的初始階段，設(shè)定溫度大于測溫儀所測到的物料溫度，溫度偏差輸送給控制程序的PID調(diào)壓模塊，經(jīng)處理后輸出高電壓給功率控制器，微波爐提高輸出功率對物料加熱；待溫度達到設(shè)定溫度后，經(jīng)控制程序的PID調(diào)壓模塊運算處理，輸出低電壓給功率控制器，使微波爐以較低的功率持續(xù)工作，保持物料溫度不變。在干燥的過程中，生姜的重量、溫度等數(shù)據(jù)一直由上位機記錄，直至到物料的含水率達到設(shè)定值，干燥結(jié)束，停止微波爐。

不同設(shè)定溫度下的生姜恒溫干燥曲線如圖7所示。在干燥的初始階段，物料的溫度快速上升，可以在短期內(nèi)達到設(shè)定溫度，然后以恒定的溫度干燥至物料的含水率達到要求為止。在干燥的過程中，物料的溫度在設(shè)定值附近上下波動。由圖7可知，功率反饋控制調(diào)整時間不超過1秒，溫度偏差不超過2℃，說明微波干燥過程的溫度調(diào)節(jié)快速、有效。

圖7 恒溫干燥曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種適用于果蔬等農(nóng)產(chǎn)品恒溫干燥的微波干燥控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含微波干燥單元、溫度檢測與控制單元、重量檢測單元和上位機控制單元等四部分。完成了微波爐的改造，對微波爐的輸出功率進行標定，建立了微波爐輸出功率與控制電壓之間的數(shù)學關(guān)系式。生姜的恒溫干燥實驗表明本系統(tǒng)可在線采集溫度、重量等數(shù)據(jù)，能實現(xiàn)基于溫度反饋的微波爐輸出功率的連續(xù)、無級調(diào)節(jié)，干燥過程的溫度控制快速、有效。