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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于單片機(jī)的微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 在現(xiàn)代微波干燥技術(shù)中，由于微波場(chǎng)中溫度難以控制，不能保證干燥品質(zhì)，現(xiàn)通過單片機(jī)等相關(guān)電路控制，實(shí)現(xiàn)恒溫干燥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)干燥物干燥品質(zhì)的有效提升。 整個(gè)系統(tǒng)由磁控微波加熱系統(tǒng)、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、數(shù)字顯示系統(tǒng)、電路控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)和實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)測(cè)定干燥物溫、濕度，并根據(jù)要求控制干燥物溫度，達(dá)到提升干燥品質(zhì)和提高干燥速率的目的。
- 詳細(xì)介紹：
- 1、創(chuàng)作目的： 隨著工農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域特別是食品加工干燥對(duì)相應(yīng)干燥技術(shù)和設(shè)備提出了越來越嚴(yán)格的要求，由此像紅外線干燥等干燥技術(shù)、干燥設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，但是其中仍不免存在相當(dāng)一部分難以避免的缺陷和不盡人意之處。如熱風(fēng)干燥等傳統(tǒng)干燥手段單位能耗高，效率低下，且加熱不均勻；紅外線干燥等新興方式應(yīng)用范圍有限，造價(jià)高昂，難以得到廣泛推廣。而微波加熱干燥具有速度快、加熱均勻、產(chǎn)品質(zhì)量好、控制靈敏、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。 但普通微波干燥設(shè)備不能使作物的干燥溫度穩(wěn)定，作物溫度上升快，干燥后作物的品質(zhì)也有比較大的波動(dòng)，甚至有時(shí)作物會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部焦糊的現(xiàn)象，因此不能大范圍的推廣使用。為了達(dá)到自動(dòng)控制干燥室溫度，提高干燥速率，提高干燥品質(zhì)，我們以微波爐磁控管作為微波發(fā)生器，采用微波爐腔體模擬一定規(guī)模的微波環(huán)境，設(shè)計(jì)出了應(yīng)用于此環(huán)境中的微波干燥恒溫控制系統(tǒng)。 2、系統(tǒng)工作原理： 整個(gè)微波干燥恒溫控制系統(tǒng)由微波加熱系統(tǒng)、實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫度設(shè)定系統(tǒng)、溫度顯示報(bào)警系統(tǒng)、電路繼電控制系統(tǒng)和實(shí)時(shí)質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)等部分組成 為了實(shí)現(xiàn)恒溫控制的過程，系統(tǒng)的軟件需要滿足預(yù)定的工作流程。系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DS18B20數(shù)字溫度傳感器）對(duì)微波加熱室內(nèi)干燥物進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，同時(shí)，基于AT89S52單片機(jī)的恒溫控制系統(tǒng)，通過斷開、閉合微波爐的工作電源，使其始終保持在預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微波干燥恒溫控制，保證干燥物的干燥品質(zhì)。 3、作品特色： （1）對(duì)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行特殊封裝處理，實(shí)現(xiàn)了微波場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)用。一般情況下，金屬元器件在微波場(chǎng)環(huán)境下因渦流效應(yīng)和集膚效應(yīng)不能正常工作[2-3]。我們利用導(dǎo)熱性能優(yōu)秀的銅皮對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，屏蔽了微波的影響，保證了傳感器在微波場(chǎng)環(huán)境下的正常工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微波加熱室內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)。 （2）設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)為核心的恒溫干燥系統(tǒng)。通過溫度監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)和數(shù)字顯示系統(tǒng)，讀取實(shí)時(shí)溫度和質(zhì)量，比較溫度區(qū)間，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)斷開、閉合微波爐的工作電源，使干燥室內(nèi)的溫度始終保持在預(yù)設(shè)溫度區(qū)間內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)恒溫干燥。 4、產(chǎn)品技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)： （1）高干燥品質(zhì)，高干燥效率 微波干燥，干燥均勻。同時(shí)，本系統(tǒng)通過對(duì)干燥物溫度和質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)，能同時(shí)滿足恒溫控制和濕度控制，這樣既保全了干燥物色、香、味及組織結(jié)構(gòu)，有效成分也不易被分解、破壞。 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，控制簡(jiǎn)單 本恒溫控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在微波場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用，是對(duì)微波場(chǎng)環(huán)境探測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要補(bǔ)充和完善。它實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的模塊化，并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互系統(tǒng)，充分考慮了工農(nóng)業(yè)和食品加工干燥中的實(shí)際操作運(yùn)用，因此通過人機(jī)交互系統(tǒng)和繼電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)控制和弱電對(duì)強(qiáng)電的有效控制，突出了系統(tǒng)的安全易操作性。 （3）系統(tǒng)可擴(kuò)展，性價(jià)比較高 本系統(tǒng)在軟硬件設(shè)計(jì)上融入了冗余概念。針對(duì)不同領(lǐng)域的要求預(yù)留了相應(yīng)的擴(kuò)展接口，除了能滿足農(nóng)產(chǎn)品加工貯存、食品加工領(lǐng)域外，還能滿足工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的干燥要求，因此其運(yùn)用范圍廣泛，對(duì)于提升食品加工品質(zhì)、農(nóng)產(chǎn)品加工貯存和工業(yè)干燥具有重大意義。并且系統(tǒng)所采用元器件在日常生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，造價(jià)低廉，能有效降低生產(chǎn)成本，易于實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 發(fā)明目的和基本思路：現(xiàn)在相關(guān)領(lǐng)域特別是食品加工干燥對(duì)干燥設(shè)備提出了更嚴(yán)格的要求，但如熱風(fēng)干燥等傳統(tǒng)干燥手段效率低下，加熱不均勻；紅外干燥等新興方式應(yīng)用范圍有限，造價(jià)高昂。普通微波干燥設(shè)備不能保證干燥品質(zhì)，導(dǎo)致難以推廣。系統(tǒng)以微波爐提供微波干燥環(huán)境，設(shè)計(jì)了由溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、質(zhì)量測(cè)量系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)等部分組成的恒溫控制系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn)：1、對(duì)DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行特殊封裝處理。利用導(dǎo)熱性能優(yōu)秀的銅皮對(duì)傳感器進(jìn)行封裝，克服了金屬元器件在微波場(chǎng)中因渦流效應(yīng)和集膚效應(yīng)不能正常工作的缺點(diǎn)。 2、微波干燥恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過溫度監(jiān)測(cè)、質(zhì)量檢測(cè)和數(shù)字顯示系統(tǒng)，讀取實(shí)時(shí)溫度和質(zhì)量，比較溫度區(qū)間，控制微波爐工作，實(shí)現(xiàn)了微波干燥恒溫控制。 技術(shù)關(guān)鍵： 1、傳感器封裝：根據(jù)金屬反射微波特性和銅材的優(yōu)秀導(dǎo)熱性，采用厚度為0.5mm的柱狀銅片對(duì)數(shù)字傳感器進(jìn)行封裝，同時(shí)屏蔽了微波對(duì)傳感器影響和保證了測(cè)溫靈敏度。 2、恒溫控制程序設(shè)計(jì)：系統(tǒng)將采集到的溫度信號(hào)進(jìn)行處理并顯示溫度，比較溫度值與設(shè)定值，當(dāng)高于上限值，報(bào)警燈亮，微波爐停止工作。當(dāng)?shù)陀谙孪拗?，微波爐工作。 3、系統(tǒng)安全保證：系統(tǒng)通過對(duì)外殼孔隙進(jìn)行遮蓋，實(shí)現(xiàn)微波不外泄。同時(shí)，系統(tǒng)采用繼電控制，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)強(qiáng)電的控制。 4、質(zhì)量監(jiān)測(cè)：電子秤顯示干燥物質(zhì)量，并計(jì)算得出當(dāng)前干燥物干燥程度，如果達(dá)到干燥要求就直接終止干燥。 技術(shù)指標(biāo)：溫度檢測(cè)0.1℃；溫度設(shè)置1℃；質(zhì)量檢測(cè)0.1g；電壓1v；電流1mA；反應(yīng)時(shí)間1ms
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性、先進(jìn)性： 1、DS18B20數(shù)字溫度傳感器的創(chuàng)新封裝 目前的溫度傳感器存在以下問題：如熱電偶傳感器靈敏度比較低，在微波場(chǎng)中受到前置放大器溫漂的影響，測(cè)溫不準(zhǔn)確；紅外傳感器被動(dòng)紅外穿透力差，測(cè)溫不準(zhǔn)確；光纖溫度傳感器對(duì)配套元件要求極高，而傳統(tǒng)光譜分析分辨率普遍較低，無法滿足實(shí)際要求，同時(shí)其造價(jià)高昂，難以推廣。 在微波場(chǎng)環(huán)境下，金屬將產(chǎn)生渦流效應(yīng)和集膚效應(yīng)，導(dǎo)致金屬元器件無法正常工作甚至毀壞。由于金屬對(duì)微波的反射效應(yīng)，同時(shí)銅在現(xiàn)階段可選擇的金屬材質(zhì)中導(dǎo)熱性優(yōu)秀，因此選擇銅片作為傳感器的封裝材料。在厚度選擇上，通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，0.5mm為較優(yōu)選擇。若銅片過厚，會(huì)影響銅片的導(dǎo)熱性能，直接影響傳感器的靈敏度；若銅片過薄，則易變形損壞，導(dǎo)致封裝不嚴(yán)。 2、濕度控制的實(shí)現(xiàn) 在微波場(chǎng)環(huán)境中，濕度傳感器無法正常工作；濕度傳感器測(cè)量的只能測(cè)量環(huán)境濕度，不能測(cè)量干燥物濕度。因此系統(tǒng)通過對(duì)干燥物質(zhì)量的實(shí)時(shí)測(cè)量，并根據(jù)函數(shù)運(yùn)算得出干燥物干燥度，控制干燥物濕度。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獎(jiǎng)項(xiàng)：2011年在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中榮獲三等獎(jiǎng) 鑒定結(jié)果：系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，具有一定創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值，具有較好市場(chǎng)前景，建議申請(qǐng)專利。 論文發(fā)表：以我組成員莫愁和王治平為第一作者基于本系統(tǒng)的相關(guān)論文已被中國核心期刊《食品與機(jī)械》和《農(nóng)機(jī)化研究》錄用。
作品所處階段
- 作品所處階段：中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式：無償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 作品可展示的形式：事物、產(chǎn)品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作品特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1、高干燥品質(zhì)，高干燥效率 本系統(tǒng)通過對(duì)干燥物溫度和質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能同時(shí)滿足恒溫控制和濕度控制，保證了干燥物干燥品質(zhì)。 2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，控制簡(jiǎn)單 本恒溫控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在微波場(chǎng)環(huán)境中的應(yīng)用。它充分考慮了工農(nóng)業(yè)和食品加工干燥中的實(shí)際運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的模塊化，并通過繼電控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的有效控制。 3、系統(tǒng)可擴(kuò)展，性價(jià)比較高 系統(tǒng)針對(duì)不同領(lǐng)域的要求預(yù)留了相應(yīng)的擴(kuò)展接口，除了能滿足農(nóng)產(chǎn)品加工、食品加工領(lǐng)域外，還能滿足工業(yè)相關(guān)產(chǎn)品的干燥要求。并且系統(tǒng)所采用元器件在日常生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，造價(jià)低廉，易于實(shí)現(xiàn)技術(shù)推廣。 市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)與經(jīng)濟(jì)效益分析： 傳統(tǒng)干燥日趨不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，但采用高端設(shè)備所產(chǎn)生的代價(jià)也是一些企業(yè)所不能承受的。同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)將逐步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品、工藝、技術(shù)和價(jià)格等方面的復(fù)合競(jìng)爭(zhēng)；由于對(duì)中小企業(yè)二三級(jí)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)加劇，這樣將會(huì)促使它們選擇物優(yōu)價(jià)廉的產(chǎn)品。 從總體上說，本產(chǎn)品市場(chǎng)潛力巨大，發(fā)展前景廣闊，蘊(yùn)藏商機(jī)無限。
同類課題研究水平概述
- 國外研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 德國的 J．Suhm 對(duì)微波干燥陶瓷等材料進(jìn)行了研究。他認(rèn)為由于被干燥物料能量吸入各不相同，干燥過程各異。 物料濕度大于 15％時(shí)則沒有實(shí)質(zhì)性的不同，水分決定著干燥過程。濕度在 5%～15%之間時(shí)，被干燥物質(zhì)起著重要的作用。如果物料本身能夠吸收微波能， 則其溫度可以升高。 法國的 Ledion 對(duì)微波加熱大量水溶液時(shí)表現(xiàn)出的系列性能進(jìn)行了研究，指出微波加熱可在瞬時(shí)改變碳酸鈣的平衡，并研究了控溫和進(jìn)行選擇性加熱的方法。 英國的 Mcloughlin 研究了微波干燥藥物粉的情況，認(rèn)為盡管微波干燥技術(shù)在多種工業(yè)應(yīng)用中都證明是成功的，但藥物對(duì)微波的吸收率仍然很低。 國內(nèi)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀 我國微波干燥技術(shù)的應(yīng)用始于 20 世紀(jì) 70 年代初期。肖宏儒等人重點(diǎn)對(duì)金銀花的干燥方式、方法、效果以及干燥功率、效率等進(jìn)行了探索性研究，在金銀花得到干燥的同時(shí)，保持色、香、形基本不變，提高了金銀花的規(guī)格等級(jí)和加工效率。 清華大學(xué)同方研究中心的馬國遠(yuǎn)和西安交通大學(xué)的郁永章共同研究了熱泵微波聯(lián)合干燥系統(tǒng)。他們先建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型得出各干燥參數(shù)的預(yù)測(cè)值，再利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)泡沫橡膠進(jìn)行干燥試驗(yàn)。通過試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，從而得出結(jié)論：與熱泵干燥相比，熱泵微波聯(lián)合干燥可以提高產(chǎn)量，但單位能耗除濕量降低；通過精心設(shè)計(jì)，熱泵微波聯(lián)合干燥在能量消耗方面做到與傳統(tǒng)對(duì)流干燥相當(dāng)。 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)朱德泉、王繼先、朱德文等研究了小麥微波干燥特性及其對(duì)干后品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，小麥微波干燥全過程包括恒速和降速兩個(gè)干燥過程，小麥?zhǔn)^程絕大部分處于恒速階段，并且微波干燥對(duì)小麥的品質(zhì)影響方面，表現(xiàn)在小麥的發(fā)芽率對(duì)干燥溫度比較敏感，這就說明對(duì)溫度的控制至關(guān)重要。 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)張黎驊、鄭嚴(yán)研究了花椒的真空微波干燥工藝參數(shù)優(yōu)化，整個(gè)干燥過程也分為加速、恒速和降速三個(gè)階段。實(shí)驗(yàn)表明，功率和干燥溫度的增加，干燥效率明顯提高，但干燥品質(zhì)有所下降，特別是在功率大于等于1.2kW，溫度大于等于70℃時(shí)，花椒品質(zhì)急劇下降。因?yàn)槲⒉üβ试酱?，在干燥過程中就會(huì)出現(xiàn)局部過熱，內(nèi)部出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象。 陳燕、陳羽白等進(jìn)行了不同加熱、間歇時(shí)間組合條件下的龍眼微波干燥試驗(yàn)。結(jié)果表明，微波加熱時(shí)間對(duì)干燥速度影響最大，間歇時(shí)間的影響受制于加熱時(shí)間，提出在干燥后期應(yīng)縮短加熱時(shí)間以控制物料的溫升，避免干燥過度。
