基于電阻抗測(cè)量的豆腐通電加熱加工控制系統(tǒng)

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(jī)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(guó)的傳統(tǒng)食品之一，營(yíng)養(yǎng)豐富，越來(lái)越受到世界各國(guó)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(diǎn)在豆腐加工領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)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(shí)所產(chǎn)生的焦耳熱達(dá)到加熱的目的［2］。近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì) 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(lái)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(yàn)來(lái)判斷豆腐的凝固終點(diǎn)，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(fèi)。為解決這一問(wèn)題，李星恕等［12］設(shè)計(jì)了能同時(shí)進(jìn)行通電加熱和阻抗測(cè)量的豆腐加工系統(tǒng)，提出了通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)凝固過(guò)程中豆?jié){的阻抗變化信息來(lái)判斷豆腐的凝固終點(diǎn)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(shí)際中的應(yīng)用。

為了給豆腐凝固過(guò)程的終點(diǎn)提供一種快速、準(zhǔn)確的在線檢測(cè)方法，提高豆腐工業(yè)的自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)了一種基于電阻抗測(cè)量的通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)檢測(cè)豆?jié){凝固過(guò)程中其溫度和電阻抗的變化，在線判斷豆腐的凝固終點(diǎn)；并對(duì)系統(tǒng)的可靠性以及溫度、電阻抗的檢測(cè)精度進(jìn)行檢驗(yàn)。

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(duì)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(qiáng)，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(shí)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(qiáng)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(guò)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(guò)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(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)豆?jié){的電阻抗就可以確定豆?jié){的凝固終點(diǎn)［12］。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、帶有電極板的加熱槽、熱電偶溫度測(cè)量模塊、開關(guān)模塊、阻抗測(cè)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(jiǎn)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(shí)，將豆?jié){注入加熱槽內(nèi)，通過(guò)按鍵輸入模塊設(shè)定加熱溫度，計(jì)算機(jī)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(guò)程中啟動(dòng)溫度測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量豆?jié){溫度并通過(guò)液晶顯示模塊顯示，當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)先設(shè)定溫度時(shí)，控制開關(guān)模塊斷開通電加熱。這時(shí)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(cè)量模塊和加熱槽電極，啟動(dòng)阻抗測(cè)量模塊連續(xù)檢測(cè)加熱槽內(nèi)豆?jié){的阻抗，通過(guò)液晶顯示模塊顯示并通過(guò)串口通信模塊傳至PC存儲(chǔ)。凝固過(guò)程中，實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)，則在阻抗測(cè)量的間隔時(shí)間內(nèi)控制開關(guān)模塊接通通電加熱，保證豆?jié){凝固過(guò)程中溫度保持恒定。

2.2 溫度測(cè)量模塊

溫度測(cè)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(cè)量模塊電路圖。MAX6675的SO、CS、SCK引腳分別與單片機(jī)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(cè)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(lái)激勵(lì)外部阻抗，阻抗上得到的響應(yīng)信號(hào)被ADC采樣，并通過(guò)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(gè)輸出頻率下得到的阻抗的實(shí)部和虛部，可以計(jì)算出在每個(gè)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(cè)溫電路Figure 2 Circuit of temperature measurement by thermocouple

圖3為阻抗測(cè)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(cè)阻抗大小進(jìn)行選擇，反饋電阻一般選擇與被測(cè)阻抗大小在同一數(shù)量級(jí)，且大小適中。5腳VIN和6腳VOUT間接被測(cè)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(gè)電極板上。使用外部晶振時(shí)，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(jī)晶振引腳上，和單片機(jī)使用同一個(gè)晶振。單片機(jī)和AD5933通過(guò)I2C總線實(shí)現(xiàn)通訊，用單片機(jī)的兩個(gè)I／O口來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)I2C總線接口，其中P14模擬SDA數(shù)據(jù)線的時(shí)序，P13模擬SCL信號(hào)線的時(shí)序，分別與15腳SDA和16腳SCL連接。

當(dāng)被測(cè)阻抗較小時(shí)（小于500Ω），需要外部放大器電路，目的是在測(cè)量小阻抗時(shí)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(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾娮瑁≧1和R2）衰減VOUT的激勵(lì)電壓，從而降低流過(guò)阻抗的信號(hào)電流，并使輸出串聯(lián)電阻對(duì)阻抗測(cè)量的影響最小。

2.4 開關(guān)模塊

阻抗測(cè)量是在凝固過(guò)程中進(jìn)行的，通電加熱時(shí)不需要阻抗測(cè)量。為實(shí)現(xiàn)對(duì)通電加熱和阻抗測(cè)量功能的切換并實(shí)現(xiàn)模塊間的電氣隔離，設(shè)計(jì)了一個(gè)由單片機(jī)控制的開關(guān)電路，實(shí)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(duì)單片機(jī)的干擾，加光電耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。

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

2.5 其他模塊

圖3 阻抗測(cè)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(jī)、MAX6675、AD5933提供5 V直流電。市電220 V交流通過(guò)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(guò)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(shí)時(shí)顯示溫度、時(shí)間等信息。按鍵輸入模塊設(shè)置了4個(gè)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(jī)通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

溫度測(cè)量采用定時(shí)器中斷的方式，間隔一定時(shí)間MAX6675配合熱電偶測(cè)量一次溫度，并顯示到LCD1602上。串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊，主要是將阻抗測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)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(shí)首先進(jìn)行單片機(jī)、LCD1602和AD5933等的初始化及設(shè)定加熱溫度上、下限，然后啟動(dòng)通電加熱，對(duì)加熱槽內(nèi)的豆?jié){加熱，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)加熱槽內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度值達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，停止通電加熱并開始阻抗測(cè)量，阻抗測(cè)量的過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化。由于豆?jié){溫度高會(huì)對(duì)外散熱，當(dāng)凝固過(guò)程中豆?jié){溫度低于設(shè)定的凝固溫度時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)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(shí)，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(cè)量程序

圖7阻抗測(cè)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(shí)，開始測(cè)量阻抗。首先將掃描參數(shù)寫入相應(yīng)寄存器，然后啟動(dòng)頻率掃描，經(jīng)充足的建立時(shí)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(gè)頻率點(diǎn)的掃描，重復(fù)此過(guò)程直至豆腐凝固結(jié)束。讀取阻抗的實(shí)部和虛部信息，結(jié)果以十六進(jìn)制表示。通過(guò)串口通信模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后進(jìn)行后續(xù)的處理。

圖7 阻抗測(cè)量流程圖Figure 7 Flow diagram of impedance measurement

本系統(tǒng)測(cè)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(cè)量得到其模值信息，然后根據(jù)式（1）計(jì)算出增益系數(shù)，再根據(jù)式（2）計(jì)算出被測(cè)阻抗。式（1）中的校準(zhǔn)阻抗為精密阻抗值，幅值為系統(tǒng)測(cè)量精密阻抗得到的幅值。式（2）中的幅值為被測(cè)未知阻抗幅值，即豆?jié){的阻抗幅值。在測(cè)量過(guò)程中可以通過(guò)估算豆?jié){阻抗的范圍來(lái)優(yōu)化測(cè)量性能。

4 豆腐加工系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)材料與儀器

以豆?jié){為試驗(yàn)對(duì)象，豆?jié){的制備方法參考文獻(xiàn)［1］和［18］。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試溫度和阻抗的檢測(cè)性能，采用數(shù)字溫度計(jì)和LCR精密電橋與系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，確定其檢測(cè)精度；

葡萄糖酸內(nèi)酯（GDL）：99%，上海紫一試劑廠；

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

LCR精密電橋：YD2816A型，常州市揚(yáng)子電子有限公司。

4.2 試驗(yàn)方法

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

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

5 結(jié)果與分析

5.1 測(cè)溫模塊的檢驗(yàn)

圖8為豆?jié){加熱過(guò)程中，溫度測(cè)量模塊與數(shù)字溫度計(jì)測(cè)量結(jié)果。由圖8可知，35～85℃的15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)下溫度的絕對(duì)誤差在±1℃以內(nèi)。

圖8 豆?jié){加熱過(guò)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(cè)量模塊的檢驗(yàn)

5.2.1 開始凝固時(shí)豆?jié){的阻抗特性 圖9為80℃時(shí)凝固起始時(shí)刻的豆?jié){的電阻抗隨頻率的變化通過(guò)阻抗測(cè)量模塊和精密電橋測(cè)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(shí)，阻抗測(cè)量模塊和精密電橋所測(cè)阻抗的差別很大，最大誤差在低頻時(shí)約為1Ω；高頻時(shí)，阻抗誤差幾乎為零。

圖9 80℃時(shí)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(shí)凝固起始時(shí)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(duì)值隨頻率的增加先急劇減小然后趨于穩(wěn)定；阻抗測(cè)量模塊和LCR精密電橋測(cè)量的結(jié)果基本吻合。最大誤差出現(xiàn)在低頻時(shí)約為3°，當(dāng)頻率大于10 k Hz時(shí)兩者完全吻合。

圖10 80℃時(shí)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(shí)，電極接觸豆?jié){溶液后，在電極表面就會(huì)形成電氣二重層。電氣二重層會(huì)引起電極極化，并表現(xiàn)出電容的特性［19］。因此，低頻時(shí)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(cè)量誤差較大的原因，而高頻時(shí)由于消除了容抗的影響，主要表現(xiàn)為電阻，兩者測(cè)量結(jié)果完全一致。低頻時(shí)電極極化作用的減小和高頻時(shí)電阻的增加引起了豆?jié){凝固過(guò)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(lái)分析豆?jié){的凝固過(guò)程。

5.2.2 豆?jié){凝固過(guò)程中的阻抗特性測(cè)量的檢驗(yàn) 由圖11可知，豆?jié){的阻抗先是隨著時(shí)間的增加快速增加，凝固30 min后逐漸趨于穩(wěn)定；阻抗測(cè)量模塊和LCR精密電橋測(cè)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(shí)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(shí)為豆?jié){凝固終點(diǎn)；阻抗測(cè)量模塊和LCR精密電橋測(cè)量的結(jié)果基本吻合，最大誤差約為0.01°。

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

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

圖12 80℃時(shí)豆?jié){的相位角隨時(shí)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(jì)了基于電阻抗測(cè)量的通電加熱豆腐加工控制系統(tǒng)，利用一對(duì)電極分別進(jìn)行通電加熱和阻抗測(cè)量。能精確地測(cè)量溫度并能通過(guò)檢測(cè)阻抗的實(shí)時(shí)變化監(jiān)測(cè)豆腐的凝固終點(diǎn)。

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

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