智能调味紫菜干湿温度控制装置

1 引言
    紫菜又称海苔，是味道鲜美营养丰富的食用海藻，一种天然的绿色保健食品。紫菜产品的生产过程主要包括3个阶段：原藻生产、一次加工和二次加工(即调味紫菜加工)。调味紫菜加工的核心是将经一次加工的干紫菜制成可直接食用的紫菜食品。因此，烤箱的干湿温度控制是关键。烤箱分前烤和后烤两部分，前烤主要是将一次加工的干紫菜烤熟，后烤的目的是去除加味后紫菜表面的水分，使紫菜耐贮存。后烤的工艺要求是根据紫菜的品种确定并控制升温段、保温段的干湿温度(干温是指烤箱中的空气温度；湿温是指烤箱内的紫菜加调味后的水分温度)。烤箱中，笔者采用石英电加热管，在每根电加热管上加装了不锈钢反射罩，以保证烤箱内温度场的均匀一致，避免使紫菜未烤或烤焦。为了达到去湿的目的，在每节烤箱上设计了排湿烟囱，通过风门调节排湿量大小，启闭回风门(用于排湿，控制湿温)、进风门(控制干温)。由于紫菜在烘烤中影响烤箱内干湿温度的因素较多，并且随机变化，无法建立数学模型，使常规的人工控制方法难以达到预期的控制目标，为此开发了调味紫菜智能干湿温度控制装置。基本实现了调味紫菜烘烤过程中干湿温度的自动控制，烘烤工艺可随机改变，有良好的推广价值。

2 设计方案
    实际表明，在紫菜烘烤过程中，不论什么品种的紫菜，其温升段的升温速率以l℃/30 min为最佳，而保温的温度及时间要根据紫菜的具体情况来定。若能控制烤箱内的干、湿温度在其烘烤理想温度的±l℃以内，烘烤质量就有可靠保证。根据使用要求，紫菜烘烤升温段设置其升温速率为l℃/30 min，为了适应不同紫菜的烘烤，设置干温的理想曲线如图1所示，由人工按键将温度设定在37℃～70℃范围内控温档位设置为6档，当初始设为①档时，则从起烤温度到37℃的升温速率为1℃/30 min，且在任意时刻的理想温度就确定了，温度升至37℃时，自动进入保温控制状态，保温时间到下次档位设定；若第二次设定为④档时，则从37℃~48℃以1℃/30min升温，升到48℃时又自动进入保温状态，其他档位依次类推。当使用时停电后再次来电时，由当前烤箱中的实际温度到设定档位温度按上述规律继续工作。 

    控制湿温是保证烘烤质量的重要环节，为了适应不同品种的紫菜，在37℃~42℃温度范围内控温档位设为6档，湿温控制区曲线如图2所示。档位设定和控制规律与干湿类似。

3 系统总体结构
    控制系统的硬件部分由主机、传感器和执行部件组成。硬件结构如图3所示。控制装置精度要求为0.5级，根据控制功能需要，本系统选用AT89C52作为CPU。AT89C52是一款低功耗、高性能片内8 KB快速可编程/擦除只读存储器的8位CMOS微控制器，与80C51的指令系统及引脚兼容，使用高密度、非易失存储技术制造，存储器可循环写入/擦除1000次。A/D转换器选用美国TI公司的TLC1549 CMOS 10位A/D转换器，该器件分辨率为8位，总的非调整误差为±l LSB，输出电平与TTL兼容，单电源+5 V供电，模拟量输入范围为O V～5 V。

    本系统具有3个输出通道，1个报警电路，利用蜂鸣器报警；2个驱动电路分别控制电动执行器的正、反转。为了提高系统的抗干扰能力，驱动电路采用交流固态继电器。温度档位设定采用BCD码拨盘，利用P1.O～P1.3作为数值输入，操作方便。温度显示采用LCD显示。为了不再扩展并行接口，利用串行口的移位寄存器功能，扩展三位静态显示LCD接口电路。P1.7作为输出控制，当P1.7=1时允许串行口输出数据给移位寄存器，否则，显示内容不变。
    根据测量和控制精度要求，本系统选择了PtlO热电阻作为温度传感器。Ptl0测温范围O℃～100℃，具有精度高、线性度好、灵敏度高等特性，且价格适中，能满足系统的技术要求。
    为了提高温度测量精度，在设计硬件时，采取3方面的措施：
    (1)测量中传感器的连接采用新的三线制方法，补偿由导线引起的误差；
    (2)选用0P07作为运算放大电路；
    (3)测量电路采用恒流源供电。执行部件由电动执行器、进风门和回风门组成。两个电动执行器分别驱动进风门、回风门，实现烤箱内干、湿温度的调节。电动执行器的转速很低(90°/90 s)，能正反转并能在任意角度停止，最大转角为90°，其输出可与风门的转轴直接相连，安装使用方便。

4 系统软件设计
    系统软件主要由温度检测模块、温度显示模块、温度设定模块和温度控制模块组成。系统主程序和主控程序如图4和图5所示。

    温度检测程序的功能是连续7次A/D转换，把转换结果保存在3BH开始的单元中，然后进行数字滤波，得到的终值存于33H单元。A/D转换采用查询方式。温度设定程序实现保温温度的设定和任意时刻理想温度的计算。例如设设定温度为To，任意时刻理想温度为T01。对于干温，若第一次设定为①档，若第二次设定为②档，设定②档时到当前的时间是t，则To=40℃，当前的理想温度T0l=37℃+t/l800℃。保温控制程序流程如图6所示。

    温度控制模块实现对烘烤过程中干、湿温度的控制及超限报警。温度的高低受进风门(干温)、回风门(湿温)打开的角度控制，由于影响烤箱内温度变化因素的复杂性以及温度反应的滞后，系统采用了智能程序设计，由计算机自动记录滞后时间△t，使由升温段进入保温段之前执行器提前△t时间开始动作，保证了温度过冲不超过To±0.5℃，从而保证了±1℃的控制精度。升温控制程序流程如图7所示，电动执行器每次动作时间为5 s，风门每次开或关5°并自动停在理想位置，最大限度地减小了烤箱内的温度波动。当自动控制失效时，系统报警。

5 结束语
    根据上述设计方案，笔者已经研制出调味紫菜干湿温度控制装置，并在江苏省连云港恒福食品有限公司进行调味紫菜加工运行试验，运行情况良好。同时，在硬件上增加了手动/自动转换功能，软件上增添了抗干扰措施，使装置工作更可靠、稳定。具有较好的推广应用价值。