微波干燥恒溫控制系統的設計

莫 愁 陳 霖 陳 懿 陳歡歡

MO Chou CHEN lin CHEN yi CHEN huan－huan

（四川農業大學信息與工程技術學院，四川 雅安 625014）

（Sichuan Agricultural University，College of Information and Engineering Technology，Ya‘an，Sichuan 625014，China）

微波一般是頻率為300 MHz～300 GHz的具有穿透特性的電磁波。微波加熱利用的是介質損耗原理。物料中的水分子是極性分子，在微波作用下，其極性取向隨著外電磁場的變化而變化［1－3］。工業發達國家微波干燥技術已在輕工業、食品工業、化學工業、農業和農產品加工等領域得到應用；中國微波干燥技術開始于20世紀70年代，目前很多農產品都成功應用了微波干燥［4］。但是微波干燥時溫度的測量及控制仍然不夠成熟［5］。普通微波干燥設備不能使作物的干燥溫度穩定在一定的區間內，作物溫度上升快，干燥后作物的品質也有比較大的波動，甚至有時作物會產生內部焦糊的現象，因此不能大范圍推廣使用［6］。為了達到自動控制干燥室溫度，提高干燥速率和干燥品質，設計一種能夠在微波干燥過程中自動控制干燥室內部溫度，使作物干燥時的溫度穩定在預設區間內，從而保證作物干燥的品質。

1 微波恒溫控制系統的工作原理

為了使作物在微波爐中進行恒溫干燥，對微波的工作狀態進行控制，即通過微波爐的間斷工作來實現恒溫過程。根據作物特性，在單片機中的程序里設置相應的溫度區間。通過溫度傳感器測量干燥過程中的實時溫度，當達到溫度上限時自動切斷微波爐工作電源，使作物溫度降低，直至溫度下限時自動閉合微波爐工作電源，繼續加熱。通過微波爐的間斷工作，進而實現恒溫干燥，保護作物干燥品質。

恒溫控制系統中的測溫電路是最重要的一部分，其電路圖見圖1。

2 微波恒溫控制系統的結構組成

微波恒溫控制系統由溫度測量系統和質量測量系統兩個部分組成，設備簡圖見圖2。微波恒溫控制系統實時檢測微波爐干燥室內作物的溫度和質量的變化，并由寫入單片機的程序自動控制微波爐工作電源的開閉，使作物在一個固定的溫度區間內干燥，從而實現恒溫干燥。

3 微波恒溫控制系統的硬件設計

恒溫控制系統的硬件由AT89S52單片機、AD590溫度傳感器、ADC0804 A／D轉換芯片、74HC573N鎖存器、繼電器和數碼顯示塊等組成（見圖3）。根據試驗要求設計成溫度測量及控制系統，其中溫度測量系統是最重要的部分。

目前的溫度傳感器有熱電偶溫度傳感器、紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器等，但是都存在各種問題，如熱電偶傳感器在微波環境下受微波的影響很大，測溫不準確；紅外傳感器測的只是樣品的表面溫度，不能測得樣品的內部溫度；光纖溫度傳感器造價太貴［7－9］。因此本系統選擇半導體材料的AD590溫度傳感器。但是由于在微波場中的測溫環境非常惡劣，將AD590二次封裝入一端開口的薄壁金屬管內，以避免微波對傳感器造成損壞。

圖1 系統測溫電路圖Figure 1 Temperature measurement circuit

圖2 微波干燥恒溫控制系統設備簡圖Figure 2 Schematic diagram of microwave drying temperature control system

圖3 恒溫控制系統硬件結構圖Figure 3 Hardware structure temperature control system

4 微波恒溫控制系統的程序設計

為了實現恒溫控制的過程，系統的軟件需要滿足預定的工作流程，即讀取溫度。若低于下限，閉合微波爐工作電源；若高于上限，切斷微波爐工作電源。通過對微波發生器的工作情況控制干燥室的溫度，使其在許可區間內，進而達到恒溫干燥的目的。程序設計流程見圖4。

5 試驗效果

將新鮮未脫殼花生以100 g為計量單位隨機分成若干份，在不同條件下進行干燥試驗。干燥功率分6個檔位：1.20，2.36，3.52，4.68，5.84，7.00 W／g。試驗選用1.20，2.36，3.52 W／g 3個功率進行驗證實驗。

5.1 無恒溫控制系統試驗結果

3 種不同功率連續干燥的試驗結果見圖5。由圖5可以發現，功率越高花生失水速率越快，最高達3.2 g／min，最高溫度可達100℃以上。在1.20 W／g的功率因素下，干燥1 h后失水31.4 g，部分花生焦糊，溢出少量花生油，干燥品質差；在3.52 W／g的功率因素下，僅僅干燥了20 min，花生便產生了焦糊現象，溢出大量花生油，干燥品質極差。

圖5 花生的失水速率曲線圖（無恒溫控制）Figure 5 Water loss rate curve of peanut（Out of the system）

5.2 有恒溫控制系統試驗結果

使用相同批次花生作為試驗材料，將溫度區間設置為35～40℃。

在3種相同的功率因素條件下進行恒溫試驗，試驗結果見圖6。由圖6可以發現，在3.52 W／g的功率下，干燥到第5分時數據顯示其失水速率最大，達到了1.0 g／min，其他兩種功率的最大失水速率均在0.8 g／min以下；當進入恒速干燥時（干燥15 min以后）花生的失水速率均在0.5 g／min以下；在3.52 W／g的功率下失水質量最大，達到了23.2 g。干燥完成后花生子葉外觀正常，無花生油溢出，同自然條件干燥的花生基本無區別，干燥品質較好。

圖6 花生的失水速率曲線圖（恒溫控制）Figure 6 Water loss rate curve of peanut（Under the system）

通過分析兩種干燥環境下花生干燥后的數據及品質，可知該微波干燥恒溫控制系統能夠對被干燥作物的溫度進行有效的控制，實現恒溫干燥。

6 結束語

該微波恒溫控制系統能夠實時監測微波干燥室內部被干燥作物的溫度以及質量，并通過控制微波爐工作電源的開閉實現間斷性微波干燥，使被干燥作物的溫度穩定在設定的區間內，保證了被干燥作物的干燥品質。經試驗證明該系統能夠較好的達到預定效果，實現微波干燥的恒溫控制。

本試驗系統以格蘭仕WBBH0809型微波爐為平臺，并添加自己設計制作的恒溫控制系統、質量檢測系統、制作成試驗用的微波恒溫控制系統試驗設備。該系統以較小質量的作物樣品作為試驗對象取得了一定成績，待到技術完善后，可以發展為流水線工作式的大型化的微波恒溫干燥設備。

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