王建强+封蕾

摘 要： 为研究红枣的热风干燥特性，分别考查了50 ℃， 60 ℃和70 ℃干燥温度及0.5 m/s，1.0 m/s和2.0 m/s条件下整果红枣的热风干燥曲线和干燥速率曲线的相关规律，并对实验数据进行了统计和分析，建立了红枣热风干燥数学模型。在此基础上，设计实现了基于ARM的红枣干燥自动控制系统，系统测试结果表明：该系统可以满足红枣烘烤过程的温湿度自动控制要求，提高红枣干制品的质量。

关键词： ARM； 热风干燥； 数学模型； 自动控制

中图分类号： TN911?34； TP312 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）16?0056?03

Design of jujube drying automatic control system based on ARM

WANG Jianqiang， FENG Lei

（College of Information Engineering， Yulin University ，Yulin 719000， China）

Abstract： In order to research the hot?air drying characteristics of red jujube， the correlative law of hot?air drying curves and drying velocity curves of red jujube are investigated at different temperature （50℃， 60℃ and 70℃） and air velocity （0.5 m/s，1.0 m/s and 2.0 m/s）. The experimental data is analyzed. The mathematical model of red jujube hot?air drying was established. The ARM?based automatic control system for red jujube drying were designed and implemented. The testing results of the system show that the system can meet the requirements of the temperature?humidity automatic control for red jujube drying， and improve the drying quality of red jujube.

Keywords： ARM； hot?air drying； mathematical model； automatic control

红枣作为一种主产于中国的水果，在中国的种植面积已经超过了1 500 000 公顷。除了一小部分鲜果直接食用外，大部分的被制成了干果，远销国内外[1]。收获后的鲜枣，由于含水量较高，往往会造成25%～30%的减产。干燥是一种被广泛的用于农产品采收后的保鲜方法，它可以降低鲜果中的水分和微生物活性，增加产品耐储存性[2?3]。目前，常见的红枣干燥方法主要有2种：自然干燥法和人工干燥法。自然干燥法又分为晒干法和晾干法；人工干燥法主要有干燥机干制、太阳能干制、真空冷冻干制、微波与红外辐射干制、热风干燥技术、烘房干 制 技术等。我国目前采用得最多的红枣干制技术为以煤为燃料烘房干制法，与自然干制技术相比，该技术可以提高烘干速度快，降低烂果酶果率并且提高红枣干品的品质，并且可以降低劳动强度；与其他人工干制法相比，其具有成本低，单次烘干数量大等不可替代的优点。然而，该技术主要依靠烘房辐射和自然对流来进行干燥，烤房内各处温湿度很难做到均匀，且难以控制，烘烤过程中，主要依靠操作人员的经验进行温湿度的控制，烘干质量不稳定且能耗大。为了解决这些问题，本文考查了红枣烘烤过程中的干燥特性，建立了红枣热风干燥数学模型，在此基础上，研究设计了基于ARM的红枣烘烤温湿度自动控制系统，该系统可以对红枣烘烤过程中的温湿度实时精确测控，并里用数学模型进行红枣干品含水量的控制，从而可以提高红枣烘干质量，并降低能耗。

1 红枣热风干燥数学模型的建立

1.1 材料与设备

陕北红枣是一个非常有名的红枣品种，主要产自陕西省榆林市。本实验采用的实验材料为2013年9月底，采摘自陕西省榆林市吴堡县康家塔村的鲜枣，成熟度在9成左右，采摘大小均匀的样品放置于保温箱中，带回实验室后，在4 ℃条件下冷藏备用（湿基含水率70.2%）。实验条件为室温，实验前用酒精擦拭干净。实验装置为热风干燥机，由陕西省吴堡光大枣业有限公司提供。热风干燥机主要包括风机、电加热器、干燥室、温度控制单元等。风机风速可调，风速测量板可以实时测量通过它的风速。天平采用数字电子天平用来测量样品的重量。

1.2 试验方法与结果

1.2.1 测定指标与方法

试样干基含水量Mt为：

[Mt=mt-mgmt×100] （1）

式中：Mt为试样干燥至t时刻的干基含水量；mt为试样干燥至t时刻的质量（单位：g）；mg为试样绝对干质量（单位：g）。

试样是水分比MR为[4?5]：

[MR=Mt-MeM0-Me] （2）

式中：[MR]为试样水分比；[Me]为物料的平衡干基含水量；[M0]为物料的初始干基含水量。

由于[Me]相对于其他两者来说较小，可以忽略，因此式（2）可以简化为：

[MR=MtM0] （3）

1.2.2 热风温度对红枣干燥速率的影响试验endprint

红枣从冰箱取出后，自然升至室温，在热风温度分别为50 ℃，60 ℃，70 ℃下对1 000 g样品进行干燥实验，风速为1.0 m/s。干燥过程中，每隔1 h测定1次含水率，直至达到安全含水量为止。

图1 不同温度条件下的干燥曲线

由图1可以看出，在热风速度为1 m/s的条件下，随着时间的延长，物料残余的水分逐渐减少，干燥温度对红枣干燥速率影响很大，温度越高达到安全含水量所需的时间越短。红枣热风干燥10 h时，其MR值在干燥温度50 ℃，60 ℃，70 ℃下分别为0.80，0.62和0.44；而若使MR达到0.15，干燥温度为50 ℃，60 ℃，70 ℃时则分别需要44 h，27 h，18 h。干燥温度为70 ℃时，达到预期水分比MR=0.15所需要的时间与50时相比缩短26 h，与60 ℃条件下相比则缩短了17 h。

1.2.3 风速对红枣干燥速率的影响试验

红枣从冰箱取出后，自然升至室温，在风速分别为0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s下对1 000 g样品进行干燥实验，热风温度为60 ℃。干燥过程中，每隔1 h测定一次含水率，直至达到安全含水量为止。由图2可以看出，随着时间的延长，物料残的[MR]值逐渐减小，不同的风速对红枣达到安全含水量的时间有一定的影响。随着风速的增加，红枣的干燥速率加快，在干燥温度为60 ℃的条件下，红枣热风干燥20 h时，其MR在风速0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s时分别为0.31，0.24，0.21，而若使MR达到安全含水量0.15，风速为0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s时时则分别需要24 h，27 h，30 h。风速为2.0 m/s时，达到预期水分比所需要的时间与0.5 m/s时相比减少了近6 h，故风速对红枣热风干燥过程的影响较小。

图2 不同风速条件下的干燥曲线

1.3 红枣热风干燥数学模型的建立

物料干燥过程比较复杂，往往与物料的物理特性密切相关。众多学者总结了好多个理论、半理论和经验模型，用于描述干燥过程中物料水分比随时间的变化规律。本实验选择了6个常用的薄层干燥数学模型进行红枣的热风干燥动力学研究，如表1所示[8?13]。

表1 常用的薄层干燥数学模型

为了建立红枣的热风干燥模型，分别对上述试验数据进行分析和处理，估出ln （MR）-t及-ln（-ln MR）-t曲线，如图3、图4所示。由曲线图可以看出，红枣热风干燥过程中，在不同温度和风速下，试验数据在，说明红枣热风干燥过程可以使用Page模型进行描述。

根据在各种干燥条件下所得到的水分比[MR]与时间t的试验数据，可以看出，干燥常数K和n均为干燥条件（干燥温度T、热风速度v）的函数，利用最小二乘法（用 SAS 软件的非线性回归分析方法）进行拟合确定该薄层干燥数学模型的参数值，可以得出K与t和v以及n与t和v的关系式。从而可以得到陕北红枣热风干燥的数学模型为：

[MR=exp（-ktn）] （4）

[n=0.857 9-0.020 1T+0.013 2v- 0.002 5Tv+0.000 19v2] （5）

[K=exp（-6.147 4-0.146T-0.001 8T2+ 0.006 2Tv-0.085 5v）] （6）

式中：T为干燥温度，单位为℃；v为风速，单位为m/s。

图3 不同干燥温度下的拟合曲线

图4 不同风速下的拟合曲线

2 红枣烘烤自动控制系统设计

整个控制系统由中心控制单元、温度采集单元、湿度采集单元、温度控制调节单元及湿度控制调节单元组成。其中控制中心通过温度采集单元及湿度采集单元获取实时数据，经过软件判断后进行处理，若温湿度在允许范围内，则干燥过程继续进行，否则，通过温度控制调节单元及湿度控制调节单元进行相应的调节，发送相应的指令给风机或者排湿风扇，进行温湿度的调节。其中中心控制模块由三星公司的S3C2440微控制器担任，该控制器基于ARM平台。

3 系统测试

为了对系统进行实际生产中的验证，在陕西榆林光大枣业有限公司进行了现场实验，根据上述实验得出的结果，设定的实验条件为：在热风速度为1.0 m/s的条件下，分别采用干燥温度为50 ℃，60 ℃，70 ℃，在红枣烘干机中分批次（一次1 000 kg），进行干燥实验，每组实验进行3次，每次实验加热至预测时间时停止，同时测定红枣的MR三次平行实验的平均值，与使用模型得到的预期值做比较，试验方案如表2所示。

表2 现场试验安排表

试验结果如表3所示所示。

表3 红枣干燥现场试验结果

通过实际实验值与模型的预测值（MR）的比较发现，将该模型应用到实际生产环境条件下，完全可以满足产品最终含水量控制的需要，验证了该模型的可用性。

4 结 论

陕北红枣热风干燥模型可以用Page方程来描述，方程中的K和n受干燥温度、风速的共同影响。经工厂加工现场验证，该控制系统可以用于实际的生产过程，进行红枣干燥最终产品的含水量控制，从而提高干燥产品的品质，并优化干燥生产工艺。

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