金銀花烘干控制器的設計與研究

張學斌， 黃 燦， 丁湘陵， 夏春華，袁 煒， 姚 怡

0 引言

金銀花抗菌作用的有效成分為綠原酸和異綠原酸等，其含量的高低在很大程度上受加工方式優劣的影響[1，2].目前，常見的金銀花烘干加工法有兩種：低溫烘干法和機器殺青烘干法，低溫烘干法是將金銀花最高烘干溫度控制在60℃以內，需要18-24h才能完成干燥[3]，該法保持了金銀花的色澤和原有的香氣，不破壞原有的化學成分，但耗時太長，不能滿足大規模、大批量的烘干要求；機器殺青烘干法是在極短的時間內殺青滅活，用高溫幾分鐘時間就把金銀花干燥好[4]，該方法雖適合大規模生產要求，但瞬間的高溫會破壞金銀花中的有效藥性成分，會使金銀花的藥效大打折扣，因此，一種既能使金銀花藥效成分不被破壞，又能滿足大規模烘干要求的高效烘干方法必定會具有相當高的學術價值和應用前景.本設計根據現代金銀花烘干加工在效率和品質保持方面的要求，采用分段控時控溫的方法，提出了一種由單片機STC89C52程序控制，通過DS18B20溫度采集模塊實時采集加溫區的溫度，嚴格控制各個加熱階段的加熱溫度和持續時間，給出了烘干控制器的設計方案和測試結果.

1.1 金銀花品質保持烘干加工步驟

1 系統總體設計方案

為了保證金銀花在烘干加工過程中藥效品質得到保持，即保護其綠原酸和異綠原酸等藥效成分不被破壞，經大量的實驗研究表明，金銀花烘干的最佳分段控時控溫加工步驟為[5，6]：

①預熱.首先，打開進風口，關閉開窗，烘干爐加熱，當溫度上升到40℃時.打開天窗及排氣扇排出潮氣.時間一般為30 min，濕度較大時可適當延長排氣時間.

②除濕.預熱完成后將金銀花裝入烘干爐內，打開進風口，打開天窗及排氣扇，迅速加溫到70℃進行高溫除濕，讓濕氣盡快散發.若溫度達不到可調小進氣口和天窗開合度，溫度過高時加大進氣口和天窗的開合度.除濕時間視金銀花采摘時天氣而定，

晴天一般為60 min，下雨天一般為90 min.

③烘干.除濕完成后將溫度降到55℃，打開進氣口，打開排氣扇，打開天窗二分之一，烘干時間約為120 min.

④出花.逐漸將溫度降到30-35℃之間，打開進氣口，打開排氣扇，打開天窗三分之一，時間一般為30 min.出花后不能立即包裝儲藏，應在陰涼處攤放一段時間，待回軟后再進行包裝儲藏.

1.2 系統框圖及工作原理

系統框圖如圖1所示，主要由微處理器、鍵盤模塊、實時溫度采集模塊、電源模塊、存儲單元、報警電路、液晶顯示模塊和操作控制模塊等組成.

圖1 系統總體結構框圖

微處理器在金銀花在烘干加工過程中起到關鍵作用，通過程序控制金銀花加工的全過程.溫度采集模塊主要完成烘干爐內溫度的采集，并通過單總線接口送到微處理器中，在微處理器中經過處理后在液晶顯示模塊中顯示出來.電源模塊為微處理器及相關設備提供5 V直流穩壓電源.金銀花在加工的四個階段中，每個階段的適宜溫度值和持續時間可通過鍵盤模塊修改，修改后的溫度值和時間值保存在存儲單元中.當系統由于故障導致爐內溫度達80℃時，微處理器將會啟動報警電路進行蜂鳴報警，防止火災發生.操作控制模塊由微處理器的I/O口分別控制繼電器實現加熱、開進風口、開天窗及排風扇、關進風口、關天窗及排風扇和翻花等機械操作.

2 系統硬件設計

系統的硬件主要由微處理器、鍵盤模塊、實時溫度采集模塊、電源模塊、存儲單元、報警電路、液晶顯示模塊和操作控制模塊等組成.

微處理器采用STC公司推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗8位CMOS微控制器STC89C52RC.溫度采集模塊采用DALLAS公司生產的單總線器件DS18B20，測量溫度范圍為－55℃到＋125℃.電源模塊采用三端穩壓芯片7805穩壓得到+5 V直流穩壓電源.液晶顯示模塊采用帶簡體中文字庫點陣圖形的液晶顯示器12864，用于人機界面的顯示.

圖2 4×4鍵盤與單片機接口電路

鍵盤采用4×4的矩陣鍵盤，如圖2所示，行線接單片機的P1.0—P1.3口，列線接單片機的P1.4—P1.7口，當無按鍵閉合時，P1.0—P1.3與P1.4—P1.7之間開路.當有鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路.數字0—9為參數值輸入鍵，復用鍵B為退格刪除鍵，D為確認鍵，A為管理員模式選擇鍵，C為自動模式選擇鍵，*為手動模式選擇鍵等.

圖3 蜂鳴器報警電路

圖4 存儲電路圖

圖5 操作控制模塊的電路圖

報警電路采用蜂鳴器報警，電路如圖3，當系統由于故障導致爐內溫度達80℃時，微處理器置I/O口P3.7為低電平并持續30 S，在此期間PNP型三極管Q1導通，蜂鳴器發出報警聲，持續30 S后警報自動解除.

存儲芯片采用24C02，它是256×8 bit位的串行I2C總線EEPROM.圖4為存儲芯片與微處理器的接口電路圖，24C02的SCL和SDA分別與微處理器的P3.4和P3.5連接，SCL為串行同步數據傳輸的時鐘輸入，SDA用于傳輸串行地址和數據.本設計中，24C02用于存儲烘干加工各階段.

操作控制模塊主要包括加熱控制、開天窗、開進風口、關天窗、關進風口和翻花等操作的控制，每一個操作采用繼電器控制，繼電器的驅動通過微處理的I/O口控制高耐壓、大電流達林頓陣列ULN2003來實現[7]53-84.

3 系統軟件設計

該烘干加工控制器軟件系統主要完成自動模式、手動模式和管理員模式的程序控制.系統主程序流程圖如圖6所示.自動模式是指在烘干加工過程中，按照每階段設置的加熱溫度和持續時間自動完成烘干的全過程，比如某階段設定溫度Th、設定時間T、DS18B20采集實時溫度與Th比較，自動控制加熱使溫度穩定在設定值，開關天窗和進風口、翻花等操作也通過程序控制自動完成，每階段時間達到設定值T自動進入下一階段，直至金銀花完全烘干.手動模式是指根據個性化烘干需求，通過按鍵手動完成加熱、開關天窗和進風口、翻花等操作.管理員模式主要用于對自動模式下的各烘干階段的加熱的溫度和持續時間進行微調，具體的方法是開機進入管理員模式，按系統提示微調烘干的四個階段的溫度和加熱時間值，至于微調多少，靠的是待加工完后看烘干的效果再行微調，如此反復，滿足不同干濕程度和不同花種個性化加工需求.

除濕、烘干和出花階段設置了定時翻花的操作，目的是使加熱更加均勻.在烘干加工的全過程中，如果由于系統故障或短路等造成加溫爐內溫度達到80℃時，報警程序啟動蜂鳴器報警，同時強制停止加熱和烘干，直到故障排除才能繼續加熱烘干.

4 溫度測試與品質比較

4.1 溫度測試

該金銀花加工控制器采用分段控時控溫的方法，金銀花品質保持受溫度影響較大，因此，有必要對系統溫度的控制進行測試.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%，響應時間小于500 ms.測試方法是將系統顯示的溫度與紅外測溫儀的溫度進行比較，即將DS18B20溫度傳感器檢測的溫度與紅外測溫儀檢測的溫度進行比較，得出誤差值.經過測試，得到如表1所示的測試數據.

從表1中可以得到紅外測溫儀所測得的數據略高于系統顯示的溫度，原因是加熱爐的余熱所致，因為當溫度達到設定值時，加熱開關雖斷開，但加熱爐的預熱會使加熱區的溫度繼續上升.總體來說，所測得溫度與紅外測溫儀測出的溫度偏差不大，不會影響到金銀花的品質，烘干控制器能正常工作.

4.2 品質比較

圖6 系統主程序流程圖

表1 DS18B20傳感器與紅外測溫儀檢測的溫度比較情況 單位：℃

為了驗證分段控時控溫法加工方法的優越性，采用傳統加工方法與該方法對金銀花加工的品質進行對比.具體方法是將鮮花采回后，揀選同種品質、大小均勻的花蕾，分別采用低溫烘干法、機器殺青烘干法和分段控時控溫法進行烘干加工，直至全干，比較三種干燥方法下加熱時長、干花顏色、香味和綠原酸含量情況.綠原酸含量測定采用用高效液相法測定，具體做法是參照文獻[8]，利用50%甲醇將綠原酸對照品制成40μg/mL的對照品溶液，稱取各干燥樣品0.5 g，精密稱定，置具塞錐形瓶中，精密加50 mL 50%甲醇，稱定重量，超聲處理30 min，放冷，再稱定重量，用50%甲醇補足減少的重量，搖勻，濾過，精密量取濾液5 mL，置25 mL棕色量瓶中，加50%甲醇至滿刻度，搖勻，即得待測液.分別精密吸取對照品溶液與待測液各5～10μL，注入液相色譜儀觀察，實驗結果見表2.

表2 不同烘干加工方法下金銀花品質對比表

從表2中可以得出：分段控時控溫法雖然在加熱時間上比機器殺青烘干法高，但烘干得到的金銀花品質明顯優于機器殺青法；相比于低溫烘干法，分段控時控溫法更快，綠原酸含量更高，只不過顏色上略有差異.綜合以上因素可得，新的烘干控制方法克服了高溫烘干藥效成分得不到保持、低溫烘干耗時久的缺陷，具有實用價值和推廣價值.

5 結束語

本文介紹的金銀花加熱控制器，完成了金銀花在不同階段烘干溫度和時間的有效控制，最大限度的保持了金銀花的藥效成分不被破壞.由于在除濕階段的高溫、通風和不斷翻花，使金銀花水分快速散失，提高了金銀花加工的效率，既彌補了低溫烘干法加工效率低，耗時久的不足，又克服了高溫烘干法破壞藥效成分而使品質得不到保持的缺陷.實驗結果表明，本設計能滿足現階段金銀花烘干在加工效率和品質保持方面的應用需求，完成了設計任務要求，達到了預期的目的.

[1]趙金娟，路俊仙，王萌，等.不同加工方法對金銀花質量的影響[J].現代中藥研究與實踐，2013，27（5）：6-8.

[2]彭菊艷，龔月樺，王俊儒，等.不同干燥技術對金銀花藥用品質的影響[J].西北植物學報，2006，26（1）：2044-2050.

[3]汪冶，肖聰穎，鄭欽方，等.金銀花藥材加工方法與商品規格等級調查[J].中南藥學，2011，9（1）：75-77.

[4]宋健，張會敏，石俊英.金銀花最佳產地加工方法-殺青烘干干燥法[J].中藥材，2008，31（4）：489-491.

[5]彭菊艷，龔月樺，王俊儒，等.現代干燥技術對金銀花藥用品質的影響 [A].2006海峽兩岸暨CSNR全國第七屆天然藥物資源學術研討會論文集[C].2006：266-269.

[6]韓學儉.藥用金銀花加工技術[J].農村實用技術，2003（8）：53.

[7]余錫存，曹國華.單片機原理及接口技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[8]國家藥典委員會.中華人民共和國藥典[M].北京：化學工業出版社，2000.