張學(xué)斌， 黃 燦， 黃利軍， 錢瑩晶

（1.懷化學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院；2.懷化學(xué)院武陵山片區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)智能控制技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.懷化市鐵路第一小學(xué)，湖南懷化 418008）

金銀花具有清熱解毒的功效，常用于治療各種熱性病，其藥用價(jià)值極高[1，2].為探討金銀花烘干溫度對金銀花干燥特性及產(chǎn)品色澤的影響，需要挑選金銀花樣品進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn).傳統(tǒng)的干燥實(shí)驗(yàn)在每次干燥前，按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定不同的干燥溫度，待設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，將經(jīng)過殺青處理的金銀花均勻平鋪到網(wǎng)狀物料盤上進(jìn)行干燥.干燥時(shí)，每隔20—30分鐘左右就需將金銀花從物料盤上迅速取出稱其重量，然后迅速放回物料盤繼續(xù)干燥，稱重操作及重新放置所需時(shí)間約為25秒，直至連續(xù)兩次稱重?cái)?shù)值基本不變時(shí)，說明干燥結(jié)束.每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次[3].該方法需要反復(fù)多次取出稱金銀花的重量，步驟繁瑣、費(fèi)力、效率低，而且每次開關(guān)柜門會影響柜內(nèi)的溫度，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

針對現(xiàn)有金銀花干燥實(shí)驗(yàn)方法的不足，擬設(shè)計(jì)一種能自動、高效采集金銀花烘干的重量、溫度、濕度和時(shí)間數(shù)據(jù)，并能通過按鍵選擇顯示金銀花干基含水率、干燥速率和水分比的金銀花干燥特性測試儀.

1 干燥測試原理

干燥是向濕物料提供熱能除去固體物料所含的水分，是一個(gè)傳熱和傳質(zhì)的過程.一方面，熱能傳遞到物料表面，再傳遞到物料內(nèi)部；另一方面，水分從物料內(nèi)部傳遞到物料表面，再從物料表面氣化[4].在干燥測試實(shí)驗(yàn)中，濕物料通常被均勻放置在干燥箱的物料盤上，用熱輻射傳熱使物料水分氣化.

研究干燥機(jī)理，首先是研究物料的干燥特性.干燥特性一般包括干基含水率、干燥速率和水分比等參數(shù)[5].

其中，干基含水率的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：Gt為t時(shí)刻物料的干基含水率，mt為t時(shí)刻物料的重量，md為物料的干基重量.

干燥速率的計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：VΔt為干燥速率，Gt1為 t1時(shí)刻的干基含水率；Gt2為t2時(shí)刻的干基含水率.

水分比的計(jì)算公式如式（3）所示：

式中：WR為水分比，mt為t時(shí)刻物料的重量，md為物料的干基重量，m0為物料的初始重量.

由式（1）—（3）可得，干燥特性測試的精度取決于干燥過程中每一對應(yīng)時(shí)刻物料重量數(shù)據(jù)的精確采集，也就是說，稱重傳感器的精度決定了干燥特性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精度.此干燥特性測試的目的是通過在不同干燥溫度下的測試數(shù)據(jù)得到干燥曲線和干燥速度曲線，測定不同干燥溫度下金銀花的品質(zhì)，從而找到最佳的干燥溫度.

2 系統(tǒng)框圖及工作原理

系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由微型控制單元、稱重傳感器、濕度傳感器、熱電偶、鍵盤、液晶顯示屏、電源模塊、風(fēng)機(jī)控制模塊和加熱控制模塊9個(gè)部分組成.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

微型控制單元采用以低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心的單片機(jī)模塊；濕度傳感器采用AM2315型濕度傳感器探頭；稱重傳感器采用高精度的電磁力式稱重傳感器；液晶顯示屏采用12864LCD液晶顯示屏；加熱控制模塊和風(fēng)機(jī)控制模塊均包含雙向可控硅和光電耦合器，雙向可控硅與光電耦合器相連，光電耦合器與微型控制單元的I/O口相連，I/O口輸出不同脈寬的PWM信號控制雙向可控硅的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)對加熱功率和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；鍵盤模塊采用4X4矩陣鍵盤，用于設(shè)定烘干溫度、烘干風(fēng)速、啟動、緊急暫停；電源模塊包括+3.3 V、+5 V雙直流穩(wěn)壓電源和220 V市電，微型控制單元采用+3.3 V供電，電加熱器和風(fēng)機(jī)采用220 V市電供電，其余模塊采用+5 V供電[6].

所述結(jié)構(gòu)框圖的9個(gè)部分嵌入帶支架的箱體內(nèi).箱體為上開孔的長方體殼體，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.箱體為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，兩層中間為隔熱層.箱體表面有電源總開關(guān)、電源指示燈、風(fēng)機(jī)開關(guān)、加熱器開關(guān)和蜂鳴器.蜂鳴器用于聲音提示和報(bào)警.箱體底部有風(fēng)機(jī)和電加熱器，箱體的中部設(shè)有帶網(wǎng)孔的層板，層板上有稱重傳感器和物料盤，物料盤周圍有濕度傳感器和熱電偶，液晶顯示器和鍵盤固定在箱體的外表面.本干燥特性測試儀能自動測量金銀花的干基含水率、干燥速率和水分比，解決現(xiàn)有金銀花干燥特性測試時(shí)需要反復(fù)從烘干機(jī)取出稱重再烘干的操作不便問題.

圖2 干燥特性測試儀箱體示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本干燥特性測試儀的主程序是完成在設(shè)定烘干溫度下的自動烘干以及重量的采集與存儲.系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示.在實(shí)際應(yīng)用中，先將金銀花放入干燥特性測試儀物料盤上，然后閉合電源開關(guān)，通過鍵盤模塊設(shè)定烘干溫度和烘干風(fēng)速，打開排氣孔，閉合加熱器開關(guān)和風(fēng)機(jī)開關(guān)，再按啟動鍵開始烘干.

圖3 系統(tǒng)主程序流程圖

烘干開始時(shí)，微型控制單元先采集物料的重量并存儲下來，采集實(shí)時(shí)溫度、濕度值并啟動烘干計(jì)時(shí)，此時(shí)液晶顯示屏將顯示預(yù)設(shè)烘干溫度、烘干耗時(shí)以及實(shí)時(shí)溫度值和實(shí)時(shí)濕度值.當(dāng)由熱電偶采集到的實(shí)時(shí)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)設(shè)烘干溫度時(shí)，微型控制單元控制加熱控制模塊全功率加熱，加熱30秒后再次采集實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)溫度比較，判斷是否接近預(yù)設(shè)溫度，若遠(yuǎn)低于，則繼續(xù)全功率加熱，若接近預(yù)設(shè)烘干溫度（2攝氏度以內(nèi)），微型控制單元通過減小PWM信號脈沖寬度使電加熱器輸出加熱功率減小，加熱20秒后采集實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)溫度比較，判斷是否等于預(yù)設(shè)溫度，若不等于，則繼續(xù)減小加熱功率，直到實(shí)時(shí)溫度等于預(yù)設(shè)烘干溫度時(shí)，微型控制單元保持此時(shí)加熱功率進(jìn)行加熱，保持實(shí)時(shí)溫度與預(yù)設(shè)烘干溫度一致，并持續(xù)對物料盤內(nèi)的金銀花進(jìn)行烘干[7].

在烘干過程中，微型控制單元每分鐘采集一次稱重傳感器和濕度傳感器輸入的數(shù)據(jù)并保存在數(shù)據(jù)存取器中，當(dāng)稱重傳感器和濕度傳感器連續(xù)兩次輸入的數(shù)據(jù)相等時(shí)，干燥完成.此時(shí)，稱重傳感器采集的數(shù)據(jù)為物料金銀花的干基重量，蜂鳴器鳴叫三聲，微型控制單元分別通過加熱控制單元和風(fēng)機(jī)控制單元控制電加熱器和風(fēng)機(jī)停止工作.

干燥完成后，可以通過鍵盤選擇在液晶顯示屏顯示金銀花的干基含水率、干燥速率和水分比.按照所述烘干方法，可以設(shè)定不同溫度和不同風(fēng)速對金銀花進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn).通過對不同干燥溫度和不同干燥風(fēng)速下金銀花成色的觀察可以找到最佳的干燥溫度和干燥風(fēng)速.

在烘干的全過程中，若實(shí)時(shí)采集的溫度超過150℃時(shí)，微型控制單元通過加熱控制單元控制電加熱器停止工作，蜂鳴器持續(xù)鳴叫報(bào)警.

4 系統(tǒng)測試

4.1 溫度測試

圖4 溫度測試結(jié)果折線圖

烘干溫度的高低直接影響金銀花的干燥速度，溫度的精確性直接影響干燥速率的精確性，因此，有必要對系統(tǒng)溫度的精確性進(jìn)行測試.該干燥特性測試儀采用熱電偶采集實(shí)時(shí)烘干溫度，并在液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示采集到的溫度值.測試儀器選用FLUKE福祿克F59型紅外測溫儀，該測溫儀測溫范圍為-18℃—275℃，讀取精度±2%，響應(yīng)時(shí)間小于500 ms.測試方法是在進(jìn)行干燥時(shí)，打開柜門，用紅外測溫儀測試物料的溫度，將系統(tǒng)顯示的溫度與紅外測溫儀測得的溫度進(jìn)行比較，即將系統(tǒng)顯示的溫度與紅外測溫儀檢測到的溫度進(jìn)行比較，得出誤差值.經(jīng)過測試，得到如圖4所示的折線圖.

從圖4折線圖可以得到紅外測溫儀所測得的數(shù)據(jù)略高于系統(tǒng)顯示的溫度，兩者的差值在1℃以內(nèi)，兩條折線基本重合.總體來說，系統(tǒng)顯示的溫度與紅外測溫儀測出的溫度偏差不大，不會影響到金銀花干燥速率的準(zhǔn)確性.

4.2 干燥實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)，每次都挑選100 g的新鮮金銀花作為實(shí)驗(yàn)樣品，為防止金銀花在干燥過程中發(fā)生酶促褐變，干燥實(shí)驗(yàn)前先將金銀花樣品在蒸汽中蒸60 s左右進(jìn)行殺青處理.為了研究溫度對干燥速率的影響，干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)固定風(fēng)機(jī)的風(fēng)速為2 m/s，分別設(shè)定干燥溫度為50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)[8].待風(fēng)速和干燥溫度設(shè)好后，將100 g經(jīng)過殺青處理的金銀花實(shí)驗(yàn)樣品均勻平鋪到物料盤上，裝好后，關(guān)閉柜門，按啟動鍵進(jìn)行自動干燥.稱重傳感器、熱電偶和濕度傳感器等傳感器自動實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲、處理，直至干燥完成.按照同樣的方法，設(shè)定不同的溫度將同樣重量的實(shí)驗(yàn)樣品在同樣風(fēng)機(jī)風(fēng)速下再進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn).每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次.待所有溫度都測試之后，通過按鍵調(diào)取干燥數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5.

由圖5可以得出：在相同的風(fēng)機(jī)風(fēng)速下，烘干溫度越高，完成干燥時(shí)間就越短，金銀花的干燥速度就越快.樣品在120℃時(shí)，干燥時(shí)間最短，為100 min，干基重量25克，根據(jù)式（1）可得在初始狀態(tài)（0時(shí)刻）的干基含水率Gt為300%，根據(jù)式（2）可得在0—100 min時(shí)間段內(nèi)，干燥速率VΔt為3%/min，根據(jù)式（3）可得初始狀態(tài)的水分比WR為75%.同理，可以得知在其他烘干溫度下的干燥特性相關(guān)數(shù)據(jù).

圖5 不同溫度下干燥速率折線圖

對烘干溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃條件下干燥樣品成色進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在100℃和120℃烘干溫度下，雖然干燥速度快，但通過肉眼觀察到成色不理想，通過嗅覺嗅到香味較淡；在50℃、60℃和70℃烘干溫度下，雖然成色較好，香味濃，但干燥速度慢；綜合考慮干燥速度和成色兩方面的因素，發(fā)現(xiàn)80℃為最佳烘干溫度.不同烘干溫度下金銀花樣品成色與氣味對比見表1.

表1 不同烘干溫度下金銀花成色對比表

本文設(shè)計(jì)的金銀花干燥特性測試儀能夠自由設(shè)置不同風(fēng)速、不同烘干溫度并自動完成金銀花干燥特性的測試，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)干燥測試儀在干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)需要反復(fù)多次取出金銀花稱重導(dǎo)致的操作不便問題.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該干燥特性測試儀溫度測試精度較高，誤差控制在1℃以內(nèi)，在干燥實(shí)驗(yàn)時(shí)能在不同烘干溫度下準(zhǔn)確稱重，完成相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，并顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，干燥完成自動停機(jī).綜合考慮金銀花干燥速率和成色兩方面的因素，發(fā)現(xiàn)80℃為最佳烘干溫度.該干燥特性測試儀有望適用于其他中藥材的干燥特性的測試，具有較廣的應(yīng)用價(jià)值.