金銀花干燥特性測試儀的設計與研制

張學斌， 黃 燦， 黃利軍， 錢瑩晶

（1.懷化學院電氣與信息工程學院；2.懷化學院武陵山片區生態農業智能控制技術湖南省重點實驗室；3.懷化市鐵路第一小學，湖南懷化 418008）

金銀花具有清熱解毒的功效，常用于治療各種熱性病，其藥用價值極高[1，2].為探討金銀花烘干溫度對金銀花干燥特性及產品色澤的影響，需要挑選金銀花樣品進行干燥實驗.傳統的干燥實驗在每次干燥前，按實驗要求設定不同的干燥溫度，待設備運行穩定后，將經過殺青處理的金銀花均勻平鋪到網狀物料盤上進行干燥.干燥時，每隔20—30分鐘左右就需將金銀花從物料盤上迅速取出稱其重量，然后迅速放回物料盤繼續干燥，稱重操作及重新放置所需時間約為25秒，直至連續兩次稱重數值基本不變時，說明干燥結束.每組實驗均重復3次[3].該方法需要反復多次取出稱金銀花的重量，步驟繁瑣、費力、效率低，而且每次開關柜門會影響柜內的溫度，進而影響實驗數據的準確性.

針對現有金銀花干燥實驗方法的不足，擬設計一種能自動、高效采集金銀花烘干的重量、溫度、濕度和時間數據，并能通過按鍵選擇顯示金銀花干基含水率、干燥速率和水分比的金銀花干燥特性測試儀.

1 干燥測試原理

干燥是向濕物料提供熱能除去固體物料所含的水分，是一個傳熱和傳質的過程.一方面，熱能傳遞到物料表面，再傳遞到物料內部；另一方面，水分從物料內部傳遞到物料表面，再從物料表面氣化[4].在干燥測試實驗中，濕物料通常被均勻放置在干燥箱的物料盤上，用熱輻射傳熱使物料水分氣化.

研究干燥機理，首先是研究物料的干燥特性.干燥特性一般包括干基含水率、干燥速率和水分比等參數[5].

其中，干基含水率的計算公式如式（1）所示：

式中：Gt為t時刻物料的干基含水率，mt為t時刻物料的重量，md為物料的干基重量.

干燥速率的計算公式如式（2）所示：

式中：VΔt為干燥速率，Gt1為 t1時刻的干基含水率；Gt2為t2時刻的干基含水率.

水分比的計算公式如式（3）所示：

式中：WR為水分比，mt為t時刻物料的重量，md為物料的干基重量，m0為物料的初始重量.

由式（1）—（3）可得，干燥特性測試的精度取決于干燥過程中每一對應時刻物料重量數據的精確采集，也就是說，稱重傳感器的精度決定了干燥特性實驗數據的精度.此干燥特性測試的目的是通過在不同干燥溫度下的測試數據得到干燥曲線和干燥速度曲線，測定不同干燥溫度下金銀花的品質，從而找到最佳的干燥溫度.

2 系統框圖及工作原理

系統框圖如圖1所示，主要由微型控制單元、稱重傳感器、濕度傳感器、熱電偶、鍵盤、液晶顯示屏、電源模塊、風機控制模塊和加熱控制模塊9個部分組成.

圖1 系統總體結構框圖

微型控制單元采用以低功耗單片機MSP430F149為核心的單片機模塊；濕度傳感器采用AM2315型濕度傳感器探頭；稱重傳感器采用高精度的電磁力式稱重傳感器；液晶顯示屏采用12864LCD液晶顯示屏；加熱控制模塊和風機控制模塊均包含雙向可控硅和光電耦合器，雙向可控硅與光電耦合器相連，光電耦合器與微型控制單元的I/O口相連，I/O口輸出不同脈寬的PWM信號控制雙向可控硅的導通角，實現對加熱功率和風機轉速的調節；鍵盤模塊采用4X4矩陣鍵盤，用于設定烘干溫度、烘干風速、啟動、緊急暫停；電源模塊包括+3.3 V、+5 V雙直流穩壓電源和220 V市電，微型控制單元采用+3.3 V供電，電加熱器和風機采用220 V市電供電，其余模塊采用+5 V供電[6].

所述結構框圖的9個部分嵌入帶支架的箱體內.箱體為上開孔的長方體殼體，其結構示意圖如圖2所示.箱體為內外雙層結構，兩層中間為隔熱層.箱體表面有電源總開關、電源指示燈、風機開關、加熱器開關和蜂鳴器.蜂鳴器用于聲音提示和報警.箱體底部有風機和電加熱器，箱體的中部設有帶網孔的層板，層板上有稱重傳感器和物料盤，物料盤周圍有濕度傳感器和熱電偶，液晶顯示器和鍵盤固定在箱體的外表面.本干燥特性測試儀能自動測量金銀花的干基含水率、干燥速率和水分比，解決現有金銀花干燥特性測試時需要反復從烘干機取出稱重再烘干的操作不便問題.

圖2 干燥特性測試儀箱體示意圖

3 系統軟件設計

本干燥特性測試儀的主程序是完成在設定烘干溫度下的自動烘干以及重量的采集與存儲.系統主程序流程圖如圖3所示.在實際應用中，先將金銀花放入干燥特性測試儀物料盤上，然后閉合電源開關，通過鍵盤模塊設定烘干溫度和烘干風速，打開排氣孔，閉合加熱器開關和風機開關，再按啟動鍵開始烘干.

圖3 系統主程序流程圖

烘干開始時，微型控制單元先采集物料的重量并存儲下來，采集實時溫度、濕度值并啟動烘干計時，此時液晶顯示屏將顯示預設烘干溫度、烘干耗時以及實時溫度值和實時濕度值.當由熱電偶采集到的實時溫度遠遠低于預設烘干溫度時，微型控制單元控制加熱控制模塊全功率加熱，加熱30秒后再次采集實時溫度與預設溫度比較，判斷是否接近預設溫度，若遠低于，則繼續全功率加熱，若接近預設烘干溫度（2攝氏度以內），微型控制單元通過減小PWM信號脈沖寬度使電加熱器輸出加熱功率減小，加熱20秒后采集實時溫度與預設溫度比較，判斷是否等于預設溫度，若不等于，則繼續減小加熱功率，直到實時溫度等于預設烘干溫度時，微型控制單元保持此時加熱功率進行加熱，保持實時溫度與預設烘干溫度一致，并持續對物料盤內的金銀花進行烘干[7].

在烘干過程中，微型控制單元每分鐘采集一次稱重傳感器和濕度傳感器輸入的數據并保存在數據存取器中，當稱重傳感器和濕度傳感器連續兩次輸入的數據相等時，干燥完成.此時，稱重傳感器采集的數據為物料金銀花的干基重量，蜂鳴器鳴叫三聲，微型控制單元分別通過加熱控制單元和風機控制單元控制電加熱器和風機停止工作.

干燥完成后，可以通過鍵盤選擇在液晶顯示屏顯示金銀花的干基含水率、干燥速率和水分比.按照所述烘干方法，可以設定不同溫度和不同風速對金銀花進行干燥實驗.通過對不同干燥溫度和不同干燥風速下金銀花成色的觀察可以找到最佳的干燥溫度和干燥風速.

在烘干的全過程中，若實時采集的溫度超過150℃時，微型控制單元通過加熱控制單元控制電加熱器停止工作，蜂鳴器持續鳴叫報警.

4 系統測試

4.1 溫度測試

圖4 溫度測試結果折線圖

烘干溫度的高低直接影響金銀花的干燥速度，溫度的精確性直接影響干燥速率的精確性，因此，有必要對系統溫度的精確性進行測試.該干燥特性測試儀采用熱電偶采集實時烘干溫度，并在液晶顯示屏上實時顯示采集到的溫度值.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.測試方法是在進行干燥時，打開柜門，用紅外測溫儀測試物料的溫度，將系統顯示的溫度與紅外測溫儀測得的溫度進行比較，即將系統顯示的溫度與紅外測溫儀檢測到的溫度進行比較，得出誤差值.經過測試，得到如圖4所示的折線圖.

從圖4折線圖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，兩者的差值在1℃以內，兩條折線基本重合.總體來說，系統顯示的溫度與紅外測溫儀測出的溫度偏差不大，不會影響到金銀花干燥速率的準確性.

4.2 干燥實驗

在進行干燥實驗時，每次都挑選100 g的新鮮金銀花作為實驗樣品，為防止金銀花在干燥過程中發生酶促褐變，干燥實驗前先將金銀花樣品在蒸汽中蒸60 s左右進行殺青處理.為了研究溫度對干燥速率的影響，干燥實驗時固定風機的風速為2 m/s，分別設定干燥溫度為50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃進行干燥實驗[8].待風速和干燥溫度設好后，將100 g經過殺青處理的金銀花實驗樣品均勻平鋪到物料盤上，裝好后，關閉柜門，按啟動鍵進行自動干燥.稱重傳感器、熱電偶和濕度傳感器等傳感器自動實時采集數據并進行存儲、處理，直至干燥完成.按照同樣的方法，設定不同的溫度將同樣重量的實驗樣品在同樣風機風速下再進行干燥實驗.每組實驗均重復3次.待所有溫度都測試之后，通過按鍵調取干燥數據，實驗結果見圖5.

由圖5可以得出：在相同的風機風速下，烘干溫度越高，完成干燥時間就越短，金銀花的干燥速度就越快.樣品在120℃時，干燥時間最短，為100 min，干基重量25克，根據式（1）可得在初始狀態（0時刻）的干基含水率Gt為300%，根據式（2）可得在0—100 min時間段內，干燥速率VΔt為3%/min，根據式（3）可得初始狀態的水分比WR為75%.同理，可以得知在其他烘干溫度下的干燥特性相關數據.

圖5 不同溫度下干燥速率折線圖

對烘干溫度分別為50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃條件下干燥樣品成色進行比較，發現在100℃和120℃烘干溫度下，雖然干燥速度快，但通過肉眼觀察到成色不理想，通過嗅覺嗅到香味較淡；在50℃、60℃和70℃烘干溫度下，雖然成色較好，香味濃，但干燥速度慢；綜合考慮干燥速度和成色兩方面的因素，發現80℃為最佳烘干溫度.不同烘干溫度下金銀花樣品成色與氣味對比見表1.

表1 不同烘干溫度下金銀花成色對比表

本文設計的金銀花干燥特性測試儀能夠自由設置不同風速、不同烘干溫度并自動完成金銀花干燥特性的測試，彌補了傳統干燥測試儀在干燥實驗時需要反復多次取出金銀花稱重導致的操作不便問題.實驗結果表明：該干燥特性測試儀溫度測試精度較高，誤差控制在1℃以內，在干燥實驗時能在不同烘干溫度下準確稱重，完成相關的數據處理，并顯示相關數據，干燥完成自動停機.綜合考慮金銀花干燥速率和成色兩方面的因素，發現80℃為最佳烘干溫度.該干燥特性測試儀有望適用于其他中藥材的干燥特性的測試，具有較廣的應用價值.