食品快速解凍裝置溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?

王安敏 劉言昭

（青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對健康生活理念越來越重視。合理搭配飲食營養(yǎng)，做出色香味俱佳的精美食物，讓我們更健康，更有活力，這就對烹飪的用料提出了更加嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的解凍方式解凍時(shí)間慢，食品的品質(zhì)差。快速解凍裝置可以快速解凍，提高解凍后的食品質(zhì)量。快速解凍裝置以STM32f103為控制核心，STM32F系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品［1］。其內(nèi)核是Cortex-M3，該系列芯片按片內(nèi)Flash的大小可分為三大類:小容量（16K和 32K）、中容量（64K和 128K）、大容量（256K、384K 和 512K）、芯片集成定時(shí)器、CAN、ADC、SPI、I2C、USB、UART［2～6］。采用AM2302溫濕度傳感器測量解凍箱體內(nèi)空間溫濕度，AM2302數(shù)字溫濕度傳感器采用專業(yè)的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的恒久穩(wěn)定性［7］。

2 工作原理設(shè)計(jì)

該裝置由加濕器1、解凍架2、紅外冷凍肉4、負(fù)離子發(fā)生器5、溫度傳感器6、溫濕度傳感器7、出風(fēng)口8組成。將食品放置到解凍架后，由紅外管通電加熱，溫度傳感器DS18B20測量中心溫度，溫濕度傳感器AM2302測量箱體空間溫濕度，在解凍的過程中要時(shí)刻的檢測箱體空間溫濕度，與設(shè)定值對比，檢測定值作為增量式PID算法的輸入值，經(jīng)由增量式PID算法計(jì)算出每個(gè)周期內(nèi)所需紅外管所要加熱的值，通過差值算法確定加熱的總時(shí)間，裝置內(nèi)的濕度在加熱的過程中由超聲波霧化加濕裝置進(jìn)行加濕，在加濕的過程中由增量式PID算法計(jì)算出每個(gè)周期內(nèi)加濕裝置的工作時(shí)間，其中紅外管與超聲波霧化加濕裝置的通斷由繼電器控制，裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 快速解凍裝置結(jié)構(gòu)圖

3 溫濕度控制

3.1 溫濕度檢測電路

該裝置采用DS18b20測量表面溫度和中心溫度，控制電路如圖2，DS18b20測溫簡單，只需要一根線就可以完成測溫，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。本裝置使用了多個(gè)用于測量食品表面不同位置的溫度與中心溫度，有利于一個(gè)引腳測量多個(gè)點(diǎn)的溫度，該裝置采用AM2302進(jìn)行溫濕度的測量，控制電路如圖3所示，其同樣只需要一根線即可完成測溫濕度的測量。

圖2 DS18b20控制電路圖

圖3 AM 2302控制電路圖

3.2 數(shù)字PID溫、濕度控制

數(shù)字PID控制是控制系統(tǒng)中十分常用的控制方法，PID控制原理框圖如圖4。

圖4 PID控制原理框圖

PID控制器是線性控制器，偏差e（t）由設(shè)定值r（t）與實(shí)際值c（t）構(gòu)成。

將偏差的比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，控制量輸出為

由式（2）得PID控制規(guī)律傳遞函數(shù)為

（KP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間系數(shù)；TD為微分時(shí)間系數(shù)。）

將模擬PID控制算法式（3）離散化，可得:

由式（5）可知，當(dāng)微處理器使用恒定的采樣周期T時(shí)，只要使用前后5次測量值，就可求出控制增量。

3.3 溫濕度的測量

為了提高溫濕度的測量精度，采用多點(diǎn)測量，單點(diǎn)測量多次求均值的方法。采用多個(gè)DS18b20測量食品不同位置表面的溫度，對食品的中心溫度采用一點(diǎn)多次測量求均值公式為

3.4 溫度控制方法

溫度控制流程如圖5所示，快速解凍裝置控制紅外管的加熱時(shí)間是由增量式PID算法計(jì)算得出，在解凍之前，可以選擇快速解凍1或快速解凍2，在不同模式下，經(jīng)由增量式PID算法計(jì)算出持續(xù)加熱的時(shí)間是不同的，為了避免紅外管的頻繁啟停，我們采用固定周期加熱的方法，在食品放置到裝置之后，由溫度傳感器測量食品的表面與中心溫度，在加熱過程中由增量式PID算法計(jì)算出加熱時(shí)間，加熱時(shí)間大于5s時(shí)啟動(dòng)紅外管，否則不啟動(dòng)，每10s為一個(gè)控制周期，在加熱的過程中根據(jù)食品表面與中心的溫度由增量式PID算法實(shí)時(shí)計(jì)算出加熱的時(shí)間，以加快解凍速度。

圖5 溫度控制流程圖姜

3.5 濕度控制方法

控制過程與速解凍裝置在使用紅外管進(jìn)行加熱的過程中會(huì)蒸發(fā)掉食品中的水分，降低食品的口感，在裝置中保持恒定的濕度有利于保持食品的口感，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)解凍空間的濕度要保持在98%RH時(shí)有利于食品的口感，裝置通過控制超聲波霧化加濕裝置的加濕時(shí)間來提高濕度，在解凍的過程中由濕度傳感器測量濕度的值，經(jīng)由增量式PID算法計(jì)算出加濕裝置需要運(yùn)行的時(shí)間，當(dāng)時(shí)間小于10s時(shí)不工作，大于10s開始工作，20s為一個(gè)循環(huán)控制周期，由增量式PID算法實(shí)時(shí)計(jì)算出加熱的時(shí)間，以保持恒定的濕度達(dá)到98%RH。

4 稱重傳感器電路設(shè)計(jì)

稱重采用電阻電橋，解凍裝置在進(jìn)行解凍之前需要獲得食品的質(zhì)量以確定紅外管加熱的總時(shí)間。

圖6 稱重傳感器電路圖

通過獲得食品的質(zhì)量，以及大量試驗(yàn)獲得加熱時(shí)間與質(zhì)量有關(guān)的數(shù)據(jù)，以一次差值確定時(shí)間與重量的函數(shù)，其電路圖如圖6所示。

當(dāng)電橋的輸出端連接阻抗較大的運(yùn)放時(shí)，由于運(yùn)放的輸入阻抗非常高，因此可視為開路［9～12］。此時(shí)輸出電壓為

當(dāng)電橋平衡時(shí)，電橋輸出為零，此時(shí)應(yīng)該滿足假設(shè)各橋臂上的阻值都發(fā)生變化，設(shè)阻值增量分別為 ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋輸出為

當(dāng)四個(gè)橋臂是電阻應(yīng)變片時(shí)，將公式代入上式，得:

最后憑借彈性元件材料特性以及受力的情況，得到所測物體重力與應(yīng)變之間的表達(dá)式，代入式（10）可得到重力與橋臂輸出電壓的關(guān)系［13～16］。

5 數(shù)據(jù)比較分

在選用相同質(zhì)量的三塊豬肉，冰凍到相同溫度后，在三種不同的模式下進(jìn)行解凍，解凍的折現(xiàn)圖如圖7所示，在三種加熱模式下快速解凍要比常規(guī)解凍的速度快，說明了在采用增量式PID算法后，有效地縮短了食品的解時(shí)間，快速解凍1比快速解凍2要快，說明了通過增大比例因子可以進(jìn)一步縮短解凍時(shí)間，其折線圖如圖7所示。

圖7 三種模式解凍豬肉實(shí)驗(yàn)折線圖

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)過程通過STM32f103zet6為核心，其具有pwm、AD等外部設(shè)備簡化了電路，設(shè)計(jì)采用了增量式PID算法增加了控制精度，采用在加熱的同時(shí)控制裝置內(nèi)的濕度，有利于提高解凍后食品的口感，為以后解凍設(shè)備的研究打下了基礎(chǔ)。