基本信息
- 项目名称：
- 基于单片机的微波干燥恒温控制系统的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 在现代微波干燥技术中，由于微波场中温度难以控制，不能保证干燥品质，现通过单片机等相关电路控制，实现恒温干燥，进而实现了对干燥物干燥品质的有效提升。 整个系统由磁控微波加热系统、实时温度监测系统、数字显示系统、电路控制系统、实时质量测量系统和实时报警系统等部分组成。系统能够实时测定干燥物温、湿度，并根据要求控制干燥物温度，达到提升干燥品质和提高干燥速率的目的。
- 详细介绍：
- 1、创作目的： 随着工农业的现代化发展，相关领域特别是食品加工干燥对相应干燥技术和设备提出了越来越严格的要求，由此像红外线干燥等干燥技术、干燥设备应运而生，但是其中仍不免存在相当一部分难以避免的缺陷和不尽人意之处。如热风干燥等传统干燥手段单位能耗高，效率低下，且加热不均匀；红外线干燥等新兴方式应用范围有限，造价高昂，难以得到广泛推广。而微波加热干燥具有速度快、加热均匀、产品质量好、控制灵敏、操作方便等优点。 但普通微波干燥设备不能使作物的干燥温度稳定，作物温度上升快，干燥后作物的品质也有比较大的波动，甚至有时作物会产生内部焦糊的现象，因此不能大范围的推广使用。为了达到自动控制干燥室温度，提高干燥速率，提高干燥品质，我们以微波炉磁控管作为微波发生器，采用微波炉腔体模拟一定规模的微波环境，设计出了应用于此环境中的微波干燥恒温控制系统。 2、系统工作原理： 整个微波干燥恒温控制系统由微波加热系统、实时温度监测系统、温度设定系统、温度显示报警系统、电路继电控制系统和实时质量测量系统等部分组成 为了实现恒温控制的过程，系统的软件需要满足预定的工作流程。系统利用实时温度监测系统（DS18B20数字温度传感器）对微波加热室内干燥物进行实时温度监测，同时，基于AT89S52单片机的恒温控制系统，通过断开、闭合微波炉的工作电源，使其始终保持在预设温度区间内，进而实现微波干燥恒温控制，保证干燥物的干燥品质。 3、作品特色： （1）对DS18B20数字温度传感器进行特殊封装处理，实现了微波场环境下的应用。一般情况下，金属元器件在微波场环境下因涡流效应和集肤效应不能正常工作[2-3]。我们利用导热性能优秀的铜皮对传感器进行封装，屏蔽了微波的影响，保证了传感器在微波场环境下的正常工作，实现了对微波加热室内的实时温度监测。 （2）设计了基于AT89S52单片机为核心的恒温干燥系统。通过温度监测、质量检测和数字显示系统，读取实时温度和质量，比较温度区间，实现自动断开、闭合微波炉的工作电源，使干燥室内的温度始终保持在预设温度区间内，进而实现恒温干燥。 4、产品技术特点及优势： （1）高干燥品质，高干燥效率 微波干燥，干燥均匀。同时，本系统通过对干燥物温度和质量进行实时采集、监测，能同时满足恒温控制和湿度控制，这样既保全了干燥物色、香、味及组织结构，有效成分也不易被分解、破坏。 （2）系统结构模块化，控制简单 本恒温控制系统实现了在微波场环境中的应用，是对微波场环境探测技术的一个重要补充和完善。它实现了整个系统的模块化，并设计了人机交互系统，充分考虑了工农业和食品加工干燥中的实际操作运用，因此通过人机交互系统和继电控制系统，实现了对系统的在线监测控制和弱电对强电的有效控制，突出了系统的安全易操作性。 （3）系统可扩展，性价比较高 本系统在软硬件设计上融入了冗余概念。针对不同领域的要求预留了相应的扩展接口，除了能满足农产品加工贮存、食品加工领域外，还能满足工业相关产品的干燥要求，因此其运用范围广泛，对于提升食品加工品质、农产品加工贮存和工业干燥具有重大意义。并且系统所采用元器件在日常生产中应用广泛，造价低廉，能有效降低生产成本，易于实现技术推广。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的和基本思路：现在相关领域特别是食品加工干燥对干燥设备提出了更严格的要求，但如热风干燥等传统干燥手段效率低下，加热不均匀；红外干燥等新兴方式应用范围有限，造价高昂。普通微波干燥设备不能保证干燥品质，导致难以推广。系统以微波炉提供微波干燥环境，设计了由温度监测系统、显示系统、控制系统、质量测量系统和报警系统等部分组成的恒温控制系统。 创新点：1、对DS18B20数字温度传感器进行特殊封装处理。利用导热性能优秀的铜皮对传感器进行封装，克服了金属元器件在微波场中因涡流效应和集肤效应不能正常工作的缺点。 2、微波干燥恒温控制系统的设计。通过温度监测、质量检测和数字显示系统，读取实时温度和质量，比较温度区间，控制微波炉工作，实现了微波干燥恒温控制。 技术关键： 1、传感器封装：根据金属反射微波特性和铜材的优秀导热性，采用厚度为0.5mm的柱状铜片对数字传感器进行封装，同时屏蔽了微波对传感器影响和保证了测温灵敏度。 2、恒温控制程序设计：系统将采集到的温度信号进行处理并显示温度，比较温度值与设定值，当高于上限值，报警灯亮，微波炉停止工作。当低于下限值，微波炉工作。 3、系统安全保证：系统通过对外壳孔隙进行遮盖，实现微波不外泄。同时，系统采用继电控制，实现弱电对强电的控制。 4、质量监测：电子秤显示干燥物质量，并计算得出当前干燥物干燥程度，如果达到干燥要求就直接终止干燥。 技术指标：温度检测0.1℃；温度设置1℃；质量检测0.1g；电压1v；电流1mA；反应时间1ms
科学性、先进性
- 科学性、先进性： 1、DS18B20数字温度传感器的创新封装 目前的温度传感器存在以下问题：如热电偶传感器灵敏度比较低，在微波场中受到前置放大器温漂的影响，测温不准确；红外传感器被动红外穿透力差，测温不准确；光纤温度传感器对配套元件要求极高，而传统光谱分析分辨率普遍较低，无法满足实际要求，同时其造价高昂，难以推广。 在微波场环境下，金属将产生涡流效应和集肤效应，导致金属元器件无法正常工作甚至毁坏。由于金属对微波的反射效应，同时铜在现阶段可选择的金属材质中导热性优秀，因此选择铜片作为传感器的封装材料。在厚度选择上，通过多组实验数据分析得知，0.5mm为较优选择。若铜片过厚，会影响铜片的导热性能，直接影响传感器的灵敏度；若铜片过薄，则易变形损坏，导致封装不严。 2、湿度控制的实现 在微波场环境中，湿度传感器无法正常工作；湿度传感器测量的只能测量环境湿度，不能测量干燥物湿度。因此系统通过对干燥物质量的实时测量，并根据函数运算得出干燥物干燥度，控制干燥物湿度。
获奖情况及鉴定结果
- 奖项：2011年在四川农业大学第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获三等奖 鉴定结果：系统实用性强，设计简单易实现，具有一定创新性和实用价值，具有较好市场前景，建议申请专利。 论文发表：以我组成员莫愁和王治平为第一作者基于本系统的相关论文已被中国核心期刊《食品与机械》和《农机化研究》录用。
作品所处阶段
- 作品所处阶段：中试阶段
技术转让方式
- 技术转让方式：无偿转让
作品可展示的形式
- 作品可展示的形式：事物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品特点和优势： 1、高干燥品质，高干燥效率 本系统通过对干燥物温度和质量进行实时监测，能同时满足恒温控制和湿度控制，保证了干燥物干燥品质。 2、系统结构模块化，控制简单 本恒温控制系统实现了在微波场环境中的应用。它充分考虑了工农业和食品加工干燥中的实际运用，实现了系统的模块化，并通过继电控制系统，实现了弱电对强电的有效控制。 3、系统可扩展，性价比较高 系统针对不同领域的要求预留了相应的扩展接口，除了能满足农产品加工、食品加工领域外，还能满足工业相关产品的干燥要求。并且系统所采用元器件在日常生产中应用广泛，造价低廉，易于实现技术推广。 市场前景预测与经济效益分析： 传统干燥日趋不能满足生产发展的需求，但采用高端设备所产生的代价也是一些企业所不能承受的。同时竞争将逐步转化为产品、工艺、技术和价格等方面的复合竞争；由于对中小企业二三级市场的竞争将会加剧，这样将会促使它们选择物优价廉的产品。 从总体上说，本产品市场潜力巨大，发展前景广阔，蕴藏商机无限。
同类课题研究水平概述
- 国外研究和应用现状 德国的 J．Suhm 对微波干燥陶瓷等材料进行了研究。他认为由于被干燥物料能量吸入各不相同，干燥过程各异。 物料湿度大于 15％时则没有实质性的不同，水分决定着干燥过程。湿度在 5%～15%之间时，被干燥物质起着重要的作用。如果物料本身能够吸收微波能， 则其温度可以升高。 法国的 Ledion 对微波加热大量水溶液时表现出的系列性能进行了研究，指出微波加热可在瞬时改变碳酸钙的平衡，并研究了控温和进行选择性加热的方法。 英国的 Mcloughlin 研究了微波干燥药物粉的情况，认为尽管微波干燥技术在多种工业应用中都证明是成功的，但药物对微波的吸收率仍然很低。 国内研究和应用现状 我国微波干燥技术的应用始于 20 世纪 70 年代初期。肖宏儒等人重点对金银花的干燥方式、方法、效果以及干燥功率、效率等进行了探索性研究，在金银花得到干燥的同时，保持色、香、形基本不变，提高了金银花的规格等级和加工效率。 清华大学同方研究中心的马国远和西安交通大学的郁永章共同研究了热泵微波联合干燥系统。他们先建立了一个数学模型得出各干燥参数的预测值，再利用设计系统对泡沫橡胶进行干燥试验。通过试验值与预测值进行比较，从而得出结论：与热泵干燥相比，热泵微波联合干燥可以提高产量，但单位能耗除湿量降低；通过精心设计，热泵微波联合干燥在能量消耗方面做到与传统对流干燥相当。 安徽农业大学朱德泉、王继先、朱德文等研究了小麦微波干燥特性及其对干后品质的影响。结果表明，小麦微波干燥全过程包括恒速和降速两个干燥过程，小麦失水过程绝大部分处于恒速阶段，并且微波干燥对小麦的品质影响方面，表现在小麦的发芽率对干燥温度比较敏感，这就说明对温度的控制至关重要。 四川农业大学张黎骅、郑严研究了花椒的真空微波干燥工艺参数优化，整个干燥过程也分为加速、恒速和降速三个阶段。实验表明，功率和干燥温度的增加，干燥效率明显提高，但干燥品质有所下降，特别是在功率大于等于1.2kW，温度大于等于70℃时，花椒品质急剧下降。因为微波功率越大，在干燥过程中就会出现局部过热，内部出现烧焦现象。 陈燕、陈羽白等进行了不同加热、间歇时间组合条件下的龙眼微波干燥试验。结果表明，微波加热时间对干燥速度影响最大，间歇时间的影响受制于加热时间，提出在干燥后期应缩短加热时间以控制物料的温升，避免干燥过度。
