楊 鵬 謝子明 楊劍雄 李星恕，2

YANG Peng 1 XIE Zi－ming 1 ANG Jian－xiong 1 LI Xing－shu 1，2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100）

（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Northwest A＆F University，Yangling，Shaanxi 712100，China；2.Shaanxi Engineering Research Center for Agricultural Equipment，Yangling，Shaanxi 712100，China）

豆腐是中國的傳統(tǒng)食品之一，營養(yǎng)豐富，越來越受到世界各國人民的青睞。豆腐生產(chǎn)中最重要的兩道工序分別是煮漿和凝固，直接影響豆腐的品質(zhì)［1］。傳統(tǒng)水蒸氣注入法和直接加熱的方法存在加熱不均勻等缺陷，而通電加熱因其具有加熱均勻迅速，能精確控制加熱溫度等優(yōu)點在豆腐加工領(lǐng)域應(yīng)用越來越多。通電加熱是把物料作為電路中的導(dǎo)體，利用其自身導(dǎo)電時所產(chǎn)生的焦耳熱達(dá)到加熱的目的［2］。近年來，各國學(xué)者對 食品物料的 電特性［3－6］、電 極板污染［7，8］、影響加熱速率的因素［8］、加熱均勻性等［9，10］方面進(jìn)行了廣泛深入的研究，使得通電加熱技術(shù)在食品加工方面得到越來越廣泛的應(yīng)用［11］。

目前工業(yè)化生產(chǎn)中，主要是依靠操作者的經(jīng)驗來判斷豆腐的凝固終點，這樣易于造成不同操作者或不同批次生產(chǎn)的豆腐品質(zhì)不均，造成不必要的能源浪費。為解決這一問題，李星恕等［12］設(shè)計了能同時進(jìn)行通電加熱和阻抗測量的豆腐加工系統(tǒng)，提出了通過實時檢測凝固過程中豆?jié){的阻抗變化信息來判斷豆腐的凝固終點的方法。但是該系統(tǒng)由儀器搭建，體積大、集成度低，阻礙了在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用。

為了給豆腐凝固過程的終點提供一種快速、準(zhǔn)確的在線檢測方法，提高豆腐工業(yè)的自動化水平，設(shè)計了一種基于電阻抗測量的通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)，實時檢測豆?jié){凝固過程中其溫度和電阻抗的變化，在線判斷豆腐的凝固終點；并對系統(tǒng)的可靠性以及溫度、電阻抗的檢測精度進(jìn)行檢驗。

1 理論依據(jù)

豆?jié){是含有蛋白質(zhì)顆粒、油脂球、可溶性蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等的水溶膠［13－15］。豆?jié){中加入凝固劑后，H＋增多，蛋白質(zhì)顆粒對H＋離子更敏感，H＋優(yōu)先中和蛋白質(zhì)顆粒表面的負(fù)電荷，這樣蛋白質(zhì)顆粒間的靜電斥力減弱，疏水性相互作用增強，促進(jìn)了蛋白顆粒間的凝結(jié)［14－16］。油脂球表面存在油脂蛋白并且分散在溶液中，所以蛋白質(zhì)顆粒包圍著油脂球而凝結(jié)［15，17］。隨著溫度的增加，離子更加活躍，中和反應(yīng)更快，分子間靜電斥力減弱更快，更有利于蛋白顆粒間的凝結(jié)。隨著凝固時間的增加，可溶性蛋白質(zhì)相互結(jié)合形成新的蛋白顆粒，進(jìn)而與凝結(jié)的蛋白顆粒結(jié)合，最終形成具有強保水性的三維的蛋白質(zhì)分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［1，12］。在豆腐凝固過程中，豆?jié){中蛋白質(zhì)顆粒與離子的化學(xué)反應(yīng)和凝結(jié)表現(xiàn)為豆腐阻抗的變化。凝固過程中豆?jié){的阻抗的變化規(guī)律是：開始阻抗快速增加，然后緩慢增加直至趨于定值，表示豆?jié){凝固結(jié)束。因此，在豆?jié){的凝固過程中實時檢測豆?jié){的電阻抗就可以確定豆?jié){的凝固終點［12］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)主要由單片機、帶有電極板的加熱槽、熱電偶溫度測量模塊、開關(guān)模塊、阻抗測量模塊、液晶顯示模塊、按鍵輸入模塊和串口通信模塊等部分組成。其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 System schematic diagram

控制系統(tǒng)工作時，將豆?jié){注入加熱槽內(nèi)，通過按鍵輸入模塊設(shè)定加熱溫度，計算機控制打開開關(guān)模塊加熱槽接通220 V交流電源開始通電加熱。加熱過程中啟動溫度測量模塊實時測量豆?jié){溫度并通過液晶顯示模塊顯示，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定溫度時，控制開關(guān)模塊斷開通電加熱。這時加入凝固劑使豆?jié){凝固。系統(tǒng)控制開關(guān)模塊接通阻抗測量模塊和加熱槽電極，啟動阻抗測量模塊連續(xù)檢測加熱槽內(nèi)豆?jié){的阻抗，通過液晶顯示模塊顯示并通過串口通信模塊傳至PC存儲。凝固過程中，實時測量豆?jié){的溫度變化，由于散熱等原因若豆?jié){溫度低于設(shè)定溫度時，則在阻抗測量的間隔時間內(nèi)控制開關(guān)模塊接通通電加熱，保證豆?jié){凝固過程中溫度保持恒定。

2.2 溫度測量模塊

溫度測量模塊由K型熱電偶和專用串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX6675組成。圖2為溫度測量模塊電路圖。MAX6675的SO、CS、SCK引腳分別與單片機P10、P11、P12引腳相連，T＋、T－分別與K型熱電偶相應(yīng)極連接，且T－和GND腳接地，VCC腳接＋5 V電源。

2.3 阻抗測量模塊

AD5933是一款高精度網(wǎng)絡(luò)分析儀芯片，內(nèi)部集成了帶有12位、采樣率高達(dá)1 MSPS的AD轉(zhuǎn)換器的頻率發(fā)生器。頻率發(fā)生器可以產(chǎn)生特定的頻率來激勵外部阻抗，阻抗上得到的響應(yīng)信號被ADC采樣，并通過片上的DSP進(jìn)行離散的傅立葉變換。傅立葉變換后返回在這個輸出頻率下得到的阻抗的實部和虛部，可以計算出在每個掃描頻率下的傅立葉變換的模和電阻的相位角。

圖2 熱電偶測溫電路Figure 2 Circuit of temperature measurement by thermocouple

圖3為阻抗測量模塊電路圖。AD5933的4腳RFB和5腳VIN間接反饋電阻RFB，反饋電阻的大小根據(jù)被測阻抗大小進(jìn)行選擇，反饋電阻一般選擇與被測阻抗大小在同一數(shù)量級，且大小適中。5腳VIN和6腳VOUT間接被測阻抗，在此系統(tǒng)中為豆?jié){的阻抗，因此5腳VIN和6腳VOUT分別經(jīng)開關(guān)模塊連接在加熱槽的兩個電極板上。使用外部晶振時，需要將8引腳MCLK接在外部晶振上，本系統(tǒng)將8引腳MCLK接在單片機晶振引腳上，和單片機使用同一個晶振。單片機和AD5933通過I2C總線實現(xiàn)通訊，用單片機的兩個I／O口來模擬實現(xiàn)I2C總線接口，其中P14模擬SDA數(shù)據(jù)線的時序，P13模擬SCL信號線的時序，分別與15腳SDA和16腳SCL連接。

當(dāng)被測阻抗較小時（小于500Ω），需要外部放大器電路，目的是在測量小阻抗時將AD5933系統(tǒng)增益置于其線性范圍之內(nèi)，以適應(yīng)芯片工作要求。外部放大器電路圖見圖4。外部放大器通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮瑁≧1和R2）衰減VOUT的激勵電壓，從而降低流過阻抗的信號電流，并使輸出串聯(lián)電阻對阻抗測量的影響最小。

2.4 開關(guān)模塊

阻抗測量是在凝固過程中進(jìn)行的，通電加熱時不需要阻抗測量。為實現(xiàn)對通電加熱和阻抗測量功能的切換并實現(xiàn)模塊間的電氣隔離，設(shè)計了一個由單片機控制的開關(guān)電路，實現(xiàn)通電加熱的通斷。為滿足通電加熱功率的要求，系統(tǒng)選用功率較大的繼電器作為電子開關(guān)。為避免通電加熱電路對單片機的干擾，加光電耦合器實現(xiàn)電氣隔離。

圖5為開關(guān)模塊電路圖。當(dāng)單片機P37輸出高電平時，三極管Q1、Q2和光電耦合器均截止，繼電器閉合常開觸點，使外部交流電源接通加熱槽電極板并斷開阻抗測量，進(jìn)行通電加熱；當(dāng)單片機向P37輸出低電平時，三極管Q1、Q2和光電耦合器均導(dǎo)通，繼電器斷開220 V交流電，停止通電加熱，同時繼電器使加熱槽連接到阻抗測量電路開始阻抗測量，同時點亮發(fā)光二極管。圖5中VIN和VOUT端分別與阻抗測量模塊VIN和VOUT對應(yīng)。

2.5 其他模塊

圖3 阻抗測量電路Figure 3 Circuit of impedance measurement

圖4 外部放大器電路Figure 4 Circuit of external amplifier

電源模塊為單片機、MAX6675、AD5933提供5 V直流電。市電220 V交流通過變壓器降壓后得到的9 V交流輸入到整流橋進(jìn)行整流，并利用極性電容進(jìn)行濾波，得到帶有波紋的＋9 V電壓，然后通過穩(wěn)壓芯片7805得到＋5 V電源，加電容濾波，輸出穩(wěn)定的5 V直流電壓。液晶顯示模塊系統(tǒng)采用LED1602作為顯示器，實時顯示溫度、時間等信息。按鍵輸入模塊設(shè)置了4個按鍵，分別作為功能選擇、溫度增加、溫度減小、確認(rèn)功能。為方便記錄豆?jié){的溫度和阻抗值，串口通信模塊選用USB轉(zhuǎn)串口電路與上位PC機通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序設(shè)計、溫度測量程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計、按鍵輸入程序設(shè)計、串口通訊程序設(shè)計和阻抗測量模塊程序設(shè)計等。

溫度測量采用定時器中斷的方式，間隔一定時間MAX6675配合熱電偶測量一次溫度，并顯示到LCD1602上。串口通信模塊實現(xiàn)與上位機通訊，主要是將阻抗測量模塊和溫度測量模塊測得數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機以便處理。

圖5 高速開關(guān)電路Figure 5 Circuit of speedy switch

3.1 主程序

圖6為主程序流程圖。系統(tǒng)工作時首先進(jìn)行單片機、LCD1602和AD5933等的初始化及設(shè)定加熱溫度上、下限，然后啟動通電加熱，對加熱槽內(nèi)的豆?jié){加熱，同時實時檢測加熱槽內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度值達(dá)到設(shè)定上限值時，停止通電加熱并開始阻抗測量，阻抗測量的過程中實時監(jiān)測溫度變化。由于豆?jié){溫度高會對外散熱，當(dāng)凝固過程中豆?jié){溫度低于設(shè)定的凝固溫度時，控制系統(tǒng)會接通開關(guān)模塊進(jìn)行通電加熱；當(dāng)豆?jié){內(nèi)部溫度高于設(shè)定凝固溫度時，就關(guān)閉繼電器停止通電加熱。

圖6 主程序流程圖Figure 6 Flow diagram of the main program

3.2 阻抗測量程序

圖7阻抗測量程序流程圖。當(dāng)豆?jié){內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度時，開始測量阻抗。首先將掃描參數(shù)寫入相應(yīng)寄存器，然后啟動頻率掃描，經(jīng)充足的建立時間后，查詢狀態(tài)寄存器，若掃描完成則讀取阻抗信息，然后繼續(xù)下一個頻率點的掃描，重復(fù)此過程直至豆腐凝固結(jié)束。讀取阻抗的實部和虛部信息，結(jié)果以十六進(jìn)制表示。通過串口通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C后進(jìn)行后續(xù)的處理。

圖7 阻抗測量流程圖Figure 7 Flow diagram of impedance measurement

本系統(tǒng)測量豆?jié){的阻抗之前，首先要用已知阻抗值的精密電阻進(jìn)行標(biāo)定。測量得到其模值信息，然后根據(jù)式（1）計算出增益系數(shù)，再根據(jù)式（2）計算出被測阻抗。式（1）中的校準(zhǔn)阻抗為精密阻抗值，幅值為系統(tǒng)測量精密阻抗得到的幅值。式（2）中的幅值為被測未知阻抗幅值，即豆?jié){的阻抗幅值。在測量過程中可以通過估算豆?jié){阻抗的范圍來優(yōu)化測量性能。

4 豆腐加工系統(tǒng)實驗驗證

4.1 試驗材料與儀器

以豆?jié){為試驗對象，豆?jié){的制備方法參考文獻(xiàn)［1］和［18］。為了檢驗系統(tǒng)測試溫度和阻抗的檢測性能，采用數(shù)字溫度計和LCR精密電橋與系統(tǒng)檢測結(jié)果進(jìn)行比較，確定其檢測精度；

葡萄糖酸內(nèi)酯（GDL）：99%，上海紫一試劑廠；

數(shù)字溫度計：testo950型，德圖儀器國際貿(mào)易（上海）有限公司；

LCR精密電橋：YD2816A型，常州市揚子電子有限公司。

4.2 試驗方法

根據(jù)文獻(xiàn)［1］和［18］，GDL凝固劑加入豆?jié){的時間設(shè)為凝固起始時間。在凝固過程中，控制阻抗測量模塊每20 s檢測豆?jié){的阻抗和相位角。

為了檢驗設(shè)計電路測量溫度和阻抗的精度，分別采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字溫度計和精密電橋重復(fù)試驗，測試豆?jié){溶液的溫度、阻抗和相位角。

5 結(jié)果與分析

5.1 測溫模塊的檢驗

圖8為豆?jié){加熱過程中，溫度測量模塊與數(shù)字溫度計測量結(jié)果。由圖8可知，35～85℃的15個檢測點下溫度的絕對誤差在±1℃以內(nèi)。

圖8 豆?jié){加熱過程中的溫度變化圖Figure 8 Diagram of temperature of soymilk in the process of heating

5.2 阻抗測量模塊的檢驗

5.2.1 開始凝固時豆?jié){的阻抗特性 圖9為80℃時凝固起始時刻的豆?jié){的電阻抗隨頻率的變化通過阻抗測量模塊和精密電橋測得結(jié)果。由圖9可知，豆?jié){的阻抗隨頻率的增加先急劇減小然后趨于穩(wěn)定；在低頻時，阻抗測量模塊和精密電橋所測阻抗的差別很大，最大誤差在低頻時約為1Ω；高頻時，阻抗誤差幾乎為零。

圖9 80℃時豆?jié){的電阻抗幅值隨頻率變化圖Figure 9 Impedance of soymilk with frequency at 80 ℃

圖10為80℃時凝固起始時刻豆?jié){的相位角隨頻率的變化。由圖10可知，豆?jié){的相位角絕對值隨頻率的增加先急劇減小然后趨于穩(wěn)定；阻抗測量模塊和LCR精密電橋測量的結(jié)果基本吻合。最大誤差出現(xiàn)在低頻時約為3°，當(dāng)頻率大于10 k Hz時兩者完全吻合。

圖10 80℃時豆?jié){的相位角隨頻率變化圖Figure 10 Phase angle of soymilk with frequency at 80 ℃

通電加熱制造豆腐時，電極接觸豆?jié){溶液后，在電極表面就會形成電氣二重層。電氣二重層會引起電極極化，并表現(xiàn)出電容的特性［19］。因此，低頻時豆?jié){的電阻抗主要表現(xiàn)為電極極化引起的容抗，這可能是低頻是測量誤差較大的原因，而高頻時由于消除了容抗的影響，主要表現(xiàn)為電阻，兩者測量結(jié)果完全一致。低頻時電極極化作用的減小和高頻時電阻的增加引起了豆?jié){凝固過程中阻抗特性的變化［1］。豆?jié){的高頻電阻抗即為豆?jié){的電阻，所以10 k Hz下的電阻抗可以用來分析豆?jié){的凝固過程。

5.2.2 豆?jié){凝固過程中的阻抗特性測量的檢驗 由圖11可知，豆?jié){的阻抗先是隨著時間的增加快速增加，凝固30 min后逐漸趨于穩(wěn)定；阻抗測量模塊和LCR精密電橋測量的結(jié)果基本吻合，最大誤差約為0.1Ω。

由圖12可知，豆?jié){的相位角先是隨著時間增加快速小幅增加，凝固30 min后逐漸趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖11可以認(rèn)為此時為豆?jié){凝固終點；阻抗測量模塊和LCR精密電橋測量的結(jié)果基本吻合，最大誤差約為0.01°。

阻抗測量驗證結(jié)果表明阻抗測量模塊與精密電橋測量阻抗結(jié)果幾乎一致，在低頻時存在細(xì)小的誤差，高頻時誤差幾乎為零。當(dāng)電阻基本不變時，豆?jié){的凝固過程結(jié)束。

圖11 80℃時豆?jié){的阻抗隨時間變化圖Figure 11 Diagram of impedance with process of soymilk coagulation at 80 ℃

圖12 80℃時豆?jié){的相位角隨時間變化圖Figure 12 Diagram of phase angle with process of soymilk coagulation at 80 ℃

6 結(jié)論

（1）本研究設(shè)計了基于電阻抗測量的通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)，利用一對電極分別進(jìn)行通電加熱和阻抗測量。能精確地測量溫度并能通過檢測阻抗的實時變化監(jiān)測豆腐的凝固終點。

（2）利用MAX6675配合K型熱電偶實現(xiàn)溫度測量，電路簡單，精度高，測量誤差小于±1℃，滿足豆腐加工系統(tǒng)溫度測量精度要求。利用AD5933實現(xiàn)阻抗測量，簡化了測量電路，且阻抗測量精度高，最大誤差在低頻時約為1Ω。為通電加熱豆腐加工機械的開發(fā)提供了參考。

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