基于红外线的果品干燥机称重系统的设计

2017-04-22白圣贺杨莹史增录赵守瑞周伟权

农业科技与装备 2016年10期

白圣贺+杨莹+史增录+赵守瑞+周伟权

摘要：国内果品红外辐射干燥设备对果品的自动称重检测系统还不完善，通常由人工称取果品质量并进行计算，极大增加了工作人员的劳动强度，还会出现干燥能耗大、成本高、产品品质不稳定等缺陷。设计一套果品红外辐射干燥的在线自动称重系统，利用Solid works软件完成干燥机称重装置的三维结构，并利用单片机控制技术结合干燥机称重系统的工艺要求，设计称重系统的控制方案，利用Keil uVision，Multisim软件完成整个控制系统的设计等，为果品干燥机开展干燥特性试验提供技术支撑。

关键词：称重系统；称重传感器；8031单片机；ADC0809转换器

中图分类号：TS255 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）10-0018-03

红外辐射干燥技术是一种高效、节能、低污染的干燥技术。近年来，红外辐射干燥在果品干燥领域的研究和应用得到了较快的发展。果品的红外辐射干燥过程中，其含水率的测量对于果品干燥过程的实际进程、工艺过程的优化控制及干燥品质等是十分重要的，直接影响产品的保质期、色泽、口感等很多方面[1-4]。为此，开发研究一套果品红外辐射干燥在线自动称重系统，对于果品红外辐射干燥过程中实时动态地检测质量变化，实现无人化操作，避免果品干燥过度，改善实验人员的工作环境，提高工作效率，节约成本等具有非常重要的意义[5-10]。

1 果品干燥机自动称重装置的结构与原理

1.1 主要结构

基于红外线的果品干燥机振动装置主要由支撑架、称重传感器、物料盘、振动电机、连接板等部件构成，如图1和图2所示。

1.2 工作原理

振动装置的柔性棒支撑着支架，支架上面固定着物料盘，连接板固定安装在支架的下面，振动电机安装在连接板上，称重传感器安装在支撑架的下面，位于物料盘的正中心处，红外线加热器和温度传感器位于物料盘的上方，固定安装在横梁上，通过调整丝杆和调整螺母来调整高度位置。

工作时，温度传感器采用非接触式的方式，扫描果品表面的温度，开始测量果品表面的温度，如果低于设定的温度60°，红外线加热器开始工作，当果品表面的温度高于设定温度时，红外线加热管停止工作。振动装置在振动电机的作用下，使物料盘中的果品在水平面内作圆平动和绕水平面的摇摆振动，同时通过控制时间，使振动装置间歇式作业，初始设置振动装置工作2 min，使物料盘内的果品正好旋转180°后，停止15 min。通过红外线加热管加热果品表面，周而复始地间歇工作，以保证物料盘内加工果品的干燥均匀度。在振动装置停止工作后，称重传感器开始工作，检测果品质量的变化，实时地通过电信号传给自动称重系统，记录干燥过程中质量的变化。

2 自动称重系统的设计

2.1 称重系统的总体设计

首先，利用电阻应变式称重传感器组成的测量电路测出压力信号，经过信号的放大以及滤波，以模拟量的信号传到ADC0809转换器。其次，经过A/D转换器转换的数字量的信号，由单片机8031传送到上位机，经过复杂的运算，将数字信号转换为果品的实际质量信号，将其存储在存储单元里；非接触式温度传感器组成的电路测出温度信号及振动电机的开关信号，直接由单片机传送到上位机。其流程如图3所示。

2.2 硬件电路的设计

2.2.1 电阻应变式称重传感器的测量电路电阻应变式传感器一般采用桥式测量电路。它由箔片式电阻应变片电阻R1，R2，R3，R4组成。电桥的一个对角线接工作电压Ui，另一个对角线接输出电压Uo。在测量质量之前，调节滑动式线性可变电阻器R，当载荷为0时，输出为0。测量电路如图4所示。

2.2.2 放大电路由于电阻应变式称重传感器输出的模拟信号比较薄弱，需要放大一定的倍数才能满足A/D转换器的需要，因此设计一种差动放大电路（如图5所示）。

2.2.3 单片机与A/D转换电路 A/D转换器转换的信号传送到单片机，ADC0809与8031单片机的接口电路原理图如图6所示。单片机使用查询方式来控制ADC0809芯片，单片机的P0引脚分别连接ADC0809的DB引脚。当加在EOC引脚上的电压为低电平时，单片机可读取ADC0809数据寄存器中的模数转换数据或校准数据。当加在EOC引脚上的电压为高电平时，ADC0809进行数据寄存器数据更新，禁止传输数据。

2.2.4 非接触式温度传感器的测温模块及振动电机的连接该非接触式的温度传感器，解决了传统测温中需要接触的问题，具有回应速度快、测量精度高、测量范围广等优点。它通过红外温度传感器扫描被测物体，并把相应的红外辐射数据通过P0.2，P0.3传送给单片机。其测温模块如图7所示。

振动电机主要作用是使果品进行翻转，保证果品不会出现阴阳面，它的开关信号通过P0.4，P0.5传送到单片机。

2.3 系统软件设计

2.3.1 方案软件总体功能包括：自动清零，自动称重，数据存储。软件结构包括3个部分，即数据采集模块、A/D转换模块、数据处理模块。软件总体流程图如图8所示。

2.3.2 数据采集模块在本模块设计中，要能够实现称重系统的自动清零、传感器信号的输出、正常称重等功能。

2.3.3 A/D转换模块 A/D转换模块主要作用是采集称重传感器电桥输出的电压信号，并将转换得到的24位数据信号传送到单片机。

2.3.4 数据处理模块该模块的作用是将采集的数据进行量化计算，然后在系统界面上将量化后的各项数据通过数值和监控图两种形式实时显示，并存入数据库中。

3 结论

在先前的红外线果品干燥装置基础上加入自动称量系统，实现果品干燥过程中在线自动精确称量与数据的自动存储、干燥温度的精确控制、振动电机的自动有效变换，确保最佳干燥时间点，保证干燥品質，完全实现整个干燥装置自动控制，改善人机环境。该设计具有很好的应用价值和发展前景。

参考文献

[1] 林喜娜，王相友.苹果切片红外辐射干燥模型建立与评价[J].农业机械学报，2010（6）：128-132.

[2] 刘云宏，朱文学，马海乐.金银花真空远红外辐射干燥动力学模型[J].农业机械学报，2010（5）：105-109，125.