王江华，刘志刚,2

(1.南昌大学，南昌　330031；2.南昌工学院，南昌　330108)



基于MSP430控制的红枣光波烘干机设计

王江华1，刘志刚1,2

(1.南昌大学，南昌330031；2.南昌工学院，南昌330108)

摘要：优良的烘干技术可以保证红枣质量，提升红枣口感。传统晾干技术中红枣浆烂率较高，浪费较大，满足不了农户对红枣干燥的要求。光波设备在食品烘干领域的应用已十分广泛，其以环保、节能、高效和杀菌等显著优势实现了食品烘干的新型工业化生产，将其应用于红枣烘干已成为一大趋势。为此，基于MSP430控制设计了红枣光波烘干机，运用模糊PID自动控制算法，准确控制红枣表皮烘干温度，将红枣有效烘干，并使红枣含水率控制在口感最佳的21%～23%，方便商户更好地储存。光波烘干技术可以明显提高红枣口感与质量，且具有时间短、速度快、能耗低的优点。

关键词：红枣；烘干；微波；MSP430

0引言

我国是产枣大国，红枣种植产业发展较快，年产量不断增加。但是，红枣一般在寒冷的冬天进行采摘加工，此时环境温度在0～12℃左右，在新疆等地甚至会低至0℃以下，此时红枣若不及时烘干，会导致大量的冻坏、腐烂、降质，使农户遭受一定的经济损失。红枣果肉含有大量糖分，大部分的多糖没有甜味，需要酶催化成单糖才会变甜。在一定温度范围内升高温度可以提高酶的活性，使红枣的口感更佳，因此红枣的烘干过程显得尤为重要。烘干是为了脱去红枣果肉内多余水分，避免红枣在运输过程中腐烂变质，延长其保质期，当前我国红枣主要采用晾干、晒干和烘烤等方法。本文设计了一套基于MSP430的红枣光波烘干机，采用光波加热法，通过MCU智能控制红枣烘干过程中的温湿度及烘干箱的循环速度，快速地将红枣含水率控制在最佳值，让红枣内部水分往外缓慢渗透、蒸发，使其色泽鲜红、味道甘美清香。以MSP430F

G439单片机为控制核心的红枣光波烘干机如图1所示。

1结构及烘干工艺流程

光波烘干机利用光波管将电能转化为热能，通过空气辐射给红枣加热烘干。文中设计的MSP430的红枣光波烘干机采用光波加热的方式烘干红枣，红枣表皮和内部果肉快速升温，使其所含水分迅速蒸发，达到烘干红枣的效果。光波烘干机包括烘干仓、产品层、光波管、光波反射板、循环管、排湿扇和提升机等部分，如图2所示。

图1　红枣光波烘干机

1.烘干仓　2.产品层　3.光波管

MSP430的红枣光波烘干机的工作原理：在烘干过程中，红枣通过传输带送进烘干仓顶部，位于烘干仓中心处的光波管和光波反射板双重高效加热，向烘干仓内辐射热量，大量热量集中在烘干仓，使鲜枣迅速脱水；红枣在烘干仓内做自由落体运动，加热一段时间后落入循环管，进入提升梯后随即再次进入烘干仓；如此反复循环，直到红枣含水率达到所需标准，此过程实现了热量的重复利用，达到了节能的效果。为使光波管热量辐射均衡及热量传播更均匀，在此机器中配备了鼓吹机与烘干仓相连，在仓内产生一定的气流，使用热量更容易辐射到仓壁边的红枣，做到烘干仓内无死角。在整个烘干过程中，排湿风扇一直工作，快速有效地排出仓内水蒸汽，降低环境湿度，检测结果更加精确。烘干机完全由电能提供能源，比传统的加热方式更加节能、环保、安全、可靠。

MSP430红枣光波烘干机工艺流程如图3所示。

图3　红枣光波烘干机的工艺流程图

工艺流程：含水率高的鲜枣在进料斗预热，然后进入烘干仓进行加热，红枣通过循环管并进行含水率检测。如果含水率检测没有达到所需值，则通过提升机再次进入烘干仓开始烘干流程；若红枣含水率达到要求，则通过出口管排出，结束当前批次的烘干流程，进行打包入库，开始下一轮的烘干工作。

2智控系统硬件设计

2.1　智控系统整体方案

基于功耗、处理能力、功能实现及经济情况的考虑，控制系统选用16位的MSP430FG439单片机为控制核心，主要包括温度传感器、湿度传感器、按键、LCD显示、步进电机和光波管功率等部分。整体方案框图如图4所示。

图4中，系统通过数据采集模块，完成对温度、湿度数据实时跟踪采集，数据实时显示在终端的LCD上，系统可以自动监测烘干仓内的温度去控制光波管功率，并通过按键面板调整仓内温度的范围值。若单片机采集到的温度值不在设置范围内，MCU会通过控制光波管的发热功率，调整烘干仓内的温度。MCU还可以通过控制提升机的步进电机转速，调整高水分红枣在烘干仓内停留的时间。

图4　系统整体方案框图

2.2　智控系统硬件部分的设计

系统控制核心器件MSP430FG439根据检测到的温度和湿度值控制烘干仓温度和加热流程。智控系统的硬件电路主要由光波管加热、温度检测及湿度检测等构成,如图5所示。

图5　光波管加热电路图

光波管加热实际上是采用卤素灯发热，再利用光波反射板集中热量，就像凸透镜一样将热能集中在烘干仓内；然后，烘干仓内的高温就可以加热高水分的红枣，使其果肉内水分快速蒸发，实现鲜枣的烘干。这种加热的热效率高达90%～95%，节约能源；光波管发热不涉及到电磁场，不会带来电磁辐射，整个加热过程比较安全又环保。系统采用两根2kW的卤素灯管对烘干仓加热，如图5所示。MSP430的I/O口连接HEAT，通过I/O口输出控制信号，控制双向可控硅BAT16的导通相位角，从而实现对光波管加热功率的控制。

湿度传感器通过器件内物质从空气中吸收水分后引起的一系列性质变化，测量周围环境湿度。HS1101是电容器件，其电容值随着所测空气湿度的增加而增大，通过电容的变化值可测量空气湿度，进而确定红枣在加热蒸发出来的水分浓度，检测烘干仓内的环境湿度，以便确定红枣的含水率。湿度检测电路原理如图6 所示。

图6　湿度检测电路原理图

将湿度传感器与振荡电路结合起来,湿度传感器的电容值转化为反比的电压频率信号,被MCU的A/D口采集，处理后得到烘干仓湿度值。NE555接HS1101和R5，R8电阻形成一个充电回路，电路不断自激往复振荡形成所需的电压方波信号Fout。

温度传感器DS1820是数字传感器，接口电路简单，可以直接指示所测物体的温度。数据采集经由单线接口从其送出，因此MSP430到温度传感器DS1820只需要一个A/D口，节省MSP430接口，不需要外部元器件，干扰因素较小。温度检测电路如图7所示。

图7　温度检测电路原理图

图7中：1脚GND接地，2脚DO接MSP430接口，3脚VCC接5V。DS1820采用单线协议，只需要1根线与MSP430进行信息传输，系统中MSP430的数据接口RT与DS1820芯片实现数据传输。

3智控系统软件设计

软件设计是整个系统正常运行的核心，数据采集是整个智能控制系统的前提。红枣光波烘干机智控系统软件流程如图8所示。

图8　红枣光波烘干机智控系统软件流程

系统上电，主程序开始初始化，并设置一系列参数；然后，主程序开始进行循环检测，根据流程调用各个子程序。系统主程序会分别调用温度值采集、湿度值采集、PID计算和 LCD显示来完成各个阶段所需要完成的功能。

4PID控制应用

红枣光波烘干机的烘干过程是一个比较复杂的物理变化过程,温度是烘干过程中的重要参数之一，且温度检测具有延时和非线性等特点。本设计采用模糊PID控制算法，运用模糊理论进行一系列列的比例(P)、积分(I)、微分(D)控制算法，并采用MSP430处理器完成计算控制。模糊PID控制的公式为

(1)

其中，△P为PID算法结果的输出值；KP为比例系数；e为偏差；Ti为积分常数；Td为微分常数。

对于式(1)中闭环的模糊PID控制，MSP430采用的是离散计算方法。T、Ti、Td、K及每个时刻的偏差值e确定后，可以求出每个时间段n的运算值，处理器计算得出运算值，以实现模糊PID控制。智能控制过程结构图如图9所示。

MSP430处理器处理时采用的是离散式的处理方法，采样周期采用的是偏差方式，则

(2)

其中，e*(t)为信号采样器的输入信号，当t=0时，采样器闭合τ秒，e*(t)为e(t)。由于e(t)的数值只有在瞬间时才有意义，那么采样周期T选得越小，即采样角频率ωs选得越高，采样周期越短，得到的数据越多，控制效果也会越好。

图9　模糊PID智能控制过程典型结构图

在计算过程中,通过智控系统不断地检测环境的变量值,即时获取偏差变化率,然后模糊化准确地控制烘干仓温度, 实现对控制器参数值的控制，从而将红枣有效烘干。

5测试结果与分析

本设计为测试红枣光波烘干机的实际烘干效果，用1 000kg含水率在50%～60%的鲜枣进行烘干实验。红枣初始温度在15℃上下，为保障红枣品质，烘干仓环境温度设定在50～65℃之间。打开烘干机电源，投入鲜枣，在烘干机预热后系统逐步走向稳定，LCD显示屏上显示烘干仓内温度和湿度变化值。当环境湿度高于设定值时，光波管发热功率变大，环境温度升高；当环境湿度低于设定值时，光波管发热功率变小，环境温度降低。本实验分10组进行，红枣烘干后，分别测量每一批次的含水率。10组数据如表1所示。

表1　烘干后的干枣含水率

由表1可知：烘干实验很成功，各批次鲜枣脱水后，含水率都达到了标准。烘干后的红枣含水率如图10所示。

由图10可以看出：10个批次的干枣含水率在20%～23%之间；干枣的含水率波动性较小，干枣果皮色泽鲜艳，果肉为黄白色，色香味俱全，极品率达到79%，符合所需的优质干枣标准。

图10　干枣含水率曲线

6结论

基于MSP430红枣光波烘干机，以MSP430 FG439为智能控制核心，利用模糊PID自动控制算法，精确、高效地采集烘干仓环境温度和湿度；运用光波加热技术，实现烘干过程中温度的自动控制，满足实际要求。与传统的烘干设备比较，其具有稳定、准确、节能、效率高、污染小及品质优等优越性，应用前景广阔，经过改造可以适用于各种作物烘干，具有研究推广价值。

参考文献：

[1]胡斌. 带式连续烘干机的设计和研究[D].合肥：安徽农业大学,2013.

[2]刘曙光,孙兴丽,张青.基于HS1101的湿度传感器及其变送器的设计[C]//2009中国仪器仪表与测控技术大会论文集.哈尔滨：中国仪器仪表学会,2009.

[3]刘争林.基于μC/OS-Ⅲ的材料特性测试炉温控系统[D].长沙:中南大学,2012.

[4]李小武.地源热泵中央空调温度控制系统设计[D].长沙：湖南大学,2011.

[5]陈良生,洪志良,闵昊,等.CMOS工艺下的温度检测电路的设计[J].固体电子学研究与进展,2005(2):231-234.

[6]程乐,张洪斌. 粮食烘干机远程控制系统的研究[J]. 科技创新导报,2012(9):77.

[7]卫洁琼. 自动配料控制系统及其算法研究[D].太原：太原理工大学,2010.

[8]黄霞.基于FPGA的智能温度控制系统的设计[D].武汉：武汉理工大学,2012.

[9]易峰,张又丹,郭海平,等.一种使用双极工艺的温度检测电路[J].电子与封装,2011(4):35-38.

[10]陈茜,许雯旸,刘杰,等.自适应温度调节器的研发与设计[J].科技创新导报,2011(30):2.

[11]施华奇,董玉德,臧俊,等.PLC技术在稻谷烘干机控制系统中的应用[J].机械工程师,2011(12):64-66.

[12]徐明.基于DSP的柴油发电机组的控制器设计[D].南昌：南昌大学,2005.

[13]王继焕. 提高塔式稻谷烘干机热效率方法的研究[J]. 粮食与饲料工业,2003(9):16-18.

[14]任忠民,孟现柱.热泵式节能烘干机的设计[J]. 农机化研究,2007(1):139-140.

[15]邵思飞,周美丽,何二朝. 一种湿度测量电路的设计[J]. 现代电子技术,2008(20):4-6.

[16]张西忠,刘继修. 基于PLC控制的小麦烘干机[J]. 机电工程技术,2010(3):27-28，117.

[17]田鹏.黄土烘干机工艺系统的改进[J]. 山东建材,2006(1):29-30.

[18]鞠昌斌.CAN总线汽车车身控制模块的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.

[19]李巍.矩阵连接法在辨识与PID参数设计中的应用[D].北京:北京化工大学,2007.

[20]马洪江. 混联式太阳能多功能果蔬烘干机的研制[D].保定:河北农业大学,2009.

[21]刘洪波. 牧草烘干机控制系统模糊神经网络控制器的仿真研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2013.

Design of Light-wave Drying Machine for Red Jujube Based on MSP430 Control

Wang Jianghua1, Liu Zhigang1,2

(1.Nanchang University,Nanchang 330031, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108, China)

Abstract：The fine drying technology can ensure the quality of jujube, improve the taste of jujube. The jujube pulp rotten rate is high by the traditional dry technology, which can not meet the requirements of the farmers on jujube drying in the waste . Light-wave devices has been widely used in the field of food drying.And its application in baking dates has become a major trend ,such as the significant advantages of environmental protection, energy saving, high efficiency and sterilization realized food drying of the new-type industrialized production.It proposed a set jujube wave drying machine design and in process contro based on MSP430.By using fuzzy PID control algorithm, it took full control of jujube skin drying temperature, jujube dries, and dates so that moisture control in taste the best 21%-23%, convenient storage operators better. The light wave drying technology, which can improve the taste and quality of jujube, and has the advantages of short time, fast speed and low energy consumption.

Key words：jujube; drying; microwave; MSP430

中图分类号：S226.6

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0218-04

作者简介：王江华(1990-)，男，湖北天门人，硕士研究生。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(Email)fiberhome@126.com。

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2014CFC1079)；江西省科技计划项目(20123BBG70217)

收稿日期：2015-07-21