王建強(qiáng)+封蕾

摘 要： 為研究紅棗的熱風(fēng)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(fēng)干燥曲線和干燥速率曲線的相關(guān)規(guī)律，并對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，建立了紅棗熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)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(guān)鍵詞： ARM； 熱風(fēng)干燥； 數(shù)學(xué)模型； 自動控制

中圖分類號： TN911?34； TP312 文獻(xiàn)標(biāo)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(yuǎn)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(jī)干制、太陽能干制、真空冷凍干制、微波與紅外輻射干制、熱風(fēng)干燥技術(shù)、烘房干 制 技術(shù)等。我國目前采用得最多的紅棗干制技術(shù)為以煤為燃料烘房干制法，與自然干制技術(shù)相比，該技術(shù)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(qiáng)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(diǎn)。然而，該技術(shù)主要依靠烘房輻射和自然對流來進(jìn)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(yàn)進(jìn)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(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)精確測控，并里用數(shù)學(xué)模型進(jìn)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(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的建立

1.1 材料與設(shè)備

陜北紅棗是一個(gè)非常有名的紅棗品種，主要產(chǎn)自陜西省榆林市。本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室后，在4 ℃條件下冷藏備用（濕基含水率70.2%）。實(shí)驗(yàn)條件為室溫，實(shí)驗(yàn)前用酒精擦拭干凈。實(shí)驗(yàn)裝置為熱風(fēng)干燥機(jī)，由陜西省吳堡光大棗業(yè)有限公司提供。熱風(fēng)干燥機(jī)主要包括風(fēng)機(jī)、電加熱器、干燥室、溫度控制單元等。風(fēng)機(jī)風(fēng)速可調(diào)，風(fēng)速測量板可以實(shí)時(shí)測量通過它的風(fēng)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(yàn)方法與結(jié)果

1.2.1 測定指標(biāo)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(shí)刻的干基含水量；mt為試樣干燥至t時(shí)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(fēng)溫度對紅棗干燥速率的影響試驗(yàn)endprint

紅棗從冰箱取出后，自然升至室溫，在熱風(fēng)溫度分別為50 ℃，60 ℃，70 ℃下對1 000 g樣品進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，風(fēng)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(dá)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(fēng)速度為1 m/s的條件下，隨著時(shí)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(dá)到安全含水量所需的時(shí)間越短。紅棗熱風(fēng)干燥10 h時(shí)，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(dá)到0.15，干燥溫度為50 ℃，60 ℃，70 ℃時(shí)則分別需要44 h，27 h，18 h。干燥溫度為70 ℃時(shí)，達(dá)到預(yù)期水分比MR=0.15所需要的時(shí)間與50時(shí)相比縮短26 h，與60 ℃條件下相比則縮短了17 h。

1.2.3 風(fēng)速對紅棗干燥速率的影響試驗(yàn)

紅棗從冰箱取出后，自然升至室溫，在風(fēng)速分別為0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s下對1 000 g樣品進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，熱風(fēng)溫度為60 ℃。干燥過程中，每隔1 h測定一次含水率，直至達(dá)到安全含水量為止。由圖2可以看出，隨著時(shí)間的延長，物料殘的[MR]值逐漸減小，不同的風(fēng)速對紅棗達(dá)到安全含水量的時(shí)間有一定的影響。隨著風(fēng)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(fēng)干燥20 h時(shí)，其MR在風(fēng)速0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s時(shí)分別為0.31，0.24，0.21，而若使MR達(dá)到安全含水量0.15，風(fēng)速為0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s時(shí)時(shí)則分別需要24 h，27 h，30 h。風(fēng)速為2.0 m/s時(shí)，達(dá)到預(yù)期水分比所需要的時(shí)間與0.5 m/s時(shí)相比減少了近6 h，故風(fēng)速對紅棗熱風(fēng)干燥過程的影響較小。

圖2 不同風(fēng)速條件下的干燥曲線

1.3 紅棗熱風(fēng)干燥數(shù)學(xué)模型的建立

物料干燥過程比較復(fù)雜，往往與物料的物理特性密切相關(guān)。眾多學(xué)者總結(jié)了好多個(gè)理論、半理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用于描述干燥過程中物料水分比隨時(shí)間的變化規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)選擇了6個(gè)常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型進(jìn)行紅棗的熱風(fēng)干燥動力學(xué)研究，如表1所示[8?13]。

表1 常用的薄層干燥數(shù)學(xué)模型

為了建立紅棗的熱風(fēng)干燥模型，分別對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(fēng)干燥過程中，在不同溫度和風(fēng)速下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在，說明紅棗熱風(fēng)干燥過程可以使用Page模型進(jìn)行描述。

根據(jù)在各種干燥條件下所得到的水分比[MR]與時(shí)間t的試驗(yàn)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(fēng)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(jìn)行擬合確定該薄層干燥數(shù)學(xué)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(guān)系式。從而可以得到陜北紅棗熱風(fēng)干燥的數(shù)學(xué)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(fēng)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(fēng)速下的擬合曲線

2 紅棗烘烤自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件判斷后進(jìn)行處理，若溫濕度在允許范圍內(nèi)，則干燥過程繼續(xù)進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，發(fā)送相應(yīng)的指令給風(fēng)機(jī)或者排濕風(fēng)扇，進(jìn)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(dān)任，該控制器基于ARM平臺。

3 系統(tǒng)測試

為了對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)中的驗(yàn)證，在陜西榆林光大棗業(yè)有限公司進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件為：在熱風(fēng)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(jī)中分批次（一次1 000 kg），進(jìn)行干燥實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3次，每次實(shí)驗(yàn)加熱至預(yù)測時(shí)間時(shí)停止，同時(shí)測定紅棗的MR三次平行實(shí)驗(yàn)的平均值，與使用模型得到的預(yù)期值做比較，試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)安排表

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示所示。

表3 紅棗干燥現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)值與模型的預(yù)測值（MR）的比較發(fā)現(xiàn)，將該模型應(yīng)用到實(shí)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(yàn)證了該模型的可用性。

4 結(jié) 論

陜北紅棗熱風(fēng)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(fēng)速的共同影響。經(jīng)工廠加工現(xiàn)場驗(yàn)證，該控制系統(tǒng)可以用于實(shí)際的生產(chǎn)過程，進(jìn)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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