金银花烘干控制器的设计与研究

张学斌， 黄 灿， 丁湘陵， 夏春华，袁 炜， 姚 怡

0 引言

金银花抗菌作用的有效成分为绿原酸和异绿原酸等，其含量的高低在很大程度上受加工方式优劣的影响[1，2].目前，常见的金银花烘干加工法有两种：低温烘干法和机器杀青烘干法，低温烘干法是将金银花最高烘干温度控制在60℃以内，需要18-24h才能完成干燥[3]，该法保持了金银花的色泽和原有的香气，不破坏原有的化学成分，但耗时太长，不能满足大规模、大批量的烘干要求；机器杀青烘干法是在极短的时间内杀青灭活，用高温几分钟时间就把金银花干燥好[4]，该方法虽适合大规模生产要求，但瞬间的高温会破坏金银花中的有效药性成分，会使金银花的药效大打折扣，因此，一种既能使金银花药效成分不被破坏，又能满足大规模烘干要求的高效烘干方法必定会具有相当高的学术价值和应用前景.本设计根据现代金银花烘干加工在效率和品质保持方面的要求，采用分段控时控温的方法，提出了一种由单片机STC89C52程序控制，通过DS18B20温度采集模块实时采集加温区的温度，严格控制各个加热阶段的加热温度和持续时间，给出了烘干控制器的设计方案和测试结果.

1.1 金银花品质保持烘干加工步骤

1 系统总体设计方案

为了保证金银花在烘干加工过程中药效品质得到保持，即保护其绿原酸和异绿原酸等药效成分不被破坏，经大量的实验研究表明，金银花烘干的最佳分段控时控温加工步骤为[5，6]：

①预热.首先，打开进风口，关闭开窗，烘干炉加热，当温度上升到40℃时.打开天窗及排气扇排出潮气.时间一般为30 min，湿度较大时可适当延长排气时间.

②除湿.预热完成后将金银花装入烘干炉内，打开进风口，打开天窗及排气扇，迅速加温到70℃进行高温除湿，让湿气尽快散发.若温度达不到可调小进气口和天窗开合度，温度过高时加大进气口和天窗的开合度.除湿时间视金银花采摘时天气而定，

晴天一般为60 min，下雨天一般为90 min.

③烘干.除湿完成后将温度降到55℃，打开进气口，打开排气扇，打开天窗二分之一，烘干时间约为120 min.

④出花.逐渐将温度降到30-35℃之间，打开进气口，打开排气扇，打开天窗三分之一，时间一般为30 min.出花后不能立即包装储藏，应在阴凉处摊放一段时间，待回软后再进行包装储藏.

1.2 系统框图及工作原理

系统框图如图1所示，主要由微处理器、键盘模块、实时温度采集模块、电源模块、存储单元、报警电路、液晶显示模块和操作控制模块等组成.

图1 系统总体结构框图

微处理器在金银花在烘干加工过程中起到关键作用，通过程序控制金银花加工的全过程.温度采集模块主要完成烘干炉内温度的采集，并通过单总线接口送到微处理器中，在微处理器中经过处理后在液晶显示模块中显示出来.电源模块为微处理器及相关设备提供5 V直流稳压电源.金银花在加工的四个阶段中，每个阶段的适宜温度值和持续时间可通过键盘模块修改，修改后的温度值和时间值保存在存储单元中.当系统由于故障导致炉内温度达80℃时，微处理器将会启动报警电路进行蜂鸣报警，防止火灾发生.操作控制模块由微处理器的I/O口分别控制继电器实现加热、开进风口、开天窗及排风扇、关进风口、关天窗及排风扇和翻花等机械操作.

2 系统硬件设计

系统的硬件主要由微处理器、键盘模块、实时温度采集模块、电源模块、存储单元、报警电路、液晶显示模块和操作控制模块等组成.

微处理器采用STC公司推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗8位CMOS微控制器STC89C52RC.温度采集模块采用DALLAS公司生产的单总线器件DS18B20，测量温度范围为－55℃到＋125℃.电源模块采用三端稳压芯片7805稳压得到+5 V直流稳压电源.液晶显示模块采用带简体中文字库点阵图形的液晶显示器12864，用于人机界面的显示.

图2 4×4键盘与单片机接口电路

键盘采用4×4的矩阵键盘，如图2所示，行线接单片机的P1.0—P1.3口，列线接单片机的P1.4—P1.7口，当无按键闭合时，P1.0—P1.3与P1.4—P1.7之间开路.当有键闭合时，与闭合键相连的两条I/O口线之间短路.数字0—9为参数值输入键，复用键B为退格删除键，D为确认键，A为管理员模式选择键，C为自动模式选择键，*为手动模式选择键等.

图3 蜂鸣器报警电路

图4 存储电路图

图5 操作控制模块的电路图

报警电路采用蜂鸣器报警，电路如图3，当系统由于故障导致炉内温度达80℃时，微处理器置I/O口P3.7为低电平并持续30 S，在此期间PNP型三极管Q1导通，蜂鸣器发出报警声，持续30 S后警报自动解除.

存储芯片采用24C02，它是256×8 bit位的串行I2C总线EEPROM.图4为存储芯片与微处理器的接口电路图，24C02的SCL和SDA分别与微处理器的P3.4和P3.5连接，SCL为串行同步数据传输的时钟输入，SDA用于传输串行地址和数据.本设计中，24C02用于存储烘干加工各阶段.

操作控制模块主要包括加热控制、开天窗、开进风口、关天窗、关进风口和翻花等操作的控制，每一个操作采用继电器控制，继电器的驱动通过微处理的I/O口控制高耐压、大电流达林顿阵列ULN2003来实现[7]53-84.

3 系统软件设计

该烘干加工控制器软件系统主要完成自动模式、手动模式和管理员模式的程序控制.系统主程序流程图如图6所示.自动模式是指在烘干加工过程中，按照每阶段设置的加热温度和持续时间自动完成烘干的全过程，比如某阶段设定温度Th、设定时间T、DS18B20采集实时温度与Th比较，自动控制加热使温度稳定在设定值，开关天窗和进风口、翻花等操作也通过程序控制自动完成，每阶段时间达到设定值T自动进入下一阶段，直至金银花完全烘干.手动模式是指根据个性化烘干需求，通过按键手动完成加热、开关天窗和进风口、翻花等操作.管理员模式主要用于对自动模式下的各烘干阶段的加热的温度和持续时间进行微调，具体的方法是开机进入管理员模式，按系统提示微调烘干的四个阶段的温度和加热时间值，至于微调多少，靠的是待加工完后看烘干的效果再行微调，如此反复，满足不同干湿程度和不同花种个性化加工需求.

除湿、烘干和出花阶段设置了定时翻花的操作，目的是使加热更加均匀.在烘干加工的全过程中，如果由于系统故障或短路等造成加温炉内温度达到80℃时，报警程序启动蜂鸣器报警，同时强制停止加热和烘干，直到故障排除才能继续加热烘干.

4 温度测试与品质比较

4.1 温度测试

该金银花加工控制器采用分段控时控温的方法，金银花品质保持受温度影响较大，因此，有必要对系统温度的控制进行测试.测试仪器选用FLUKE福禄克F59型红外测温仪，该测温仪测温范围为-18～275℃，读取精度±2%，响应时间小于500 ms.测试方法是将系统显示的温度与红外测温仪的温度进行比较，即将DS18B20温度传感器检测的温度与红外测温仪检测的温度进行比较，得出误差值.经过测试，得到如表1所示的测试数据.

从表1中可以得到红外测温仪所测得的数据略高于系统显示的温度，原因是加热炉的余热所致，因为当温度达到设定值时，加热开关虽断开，但加热炉的预热会使加热区的温度继续上升.总体来说，所测得温度与红外测温仪测出的温度偏差不大，不会影响到金银花的品质，烘干控制器能正常工作.

4.2 品质比较

图6 系统主程序流程图

表1 DS18B20传感器与红外测温仪检测的温度比较情况 单位：℃

为了验证分段控时控温法加工方法的优越性，采用传统加工方法与该方法对金银花加工的品质进行对比.具体方法是将鲜花采回后，拣选同种品质、大小均匀的花蕾，分别采用低温烘干法、机器杀青烘干法和分段控时控温法进行烘干加工，直至全干，比较三种干燥方法下加热时长、干花颜色、香味和绿原酸含量情况.绿原酸含量测定采用用高效液相法测定，具体做法是参照文献[8]，利用50%甲醇将绿原酸对照品制成40μg/mL的对照品溶液，称取各干燥样品0.5 g，精密称定，置具塞锥形瓶中，精密加50 mL 50%甲醇，称定重量，超声处理30 min，放冷，再称定重量，用50%甲醇补足减少的重量，摇匀，滤过，精密量取滤液5 mL，置25 mL棕色量瓶中，加50%甲醇至满刻度，摇匀，即得待测液.分别精密吸取对照品溶液与待测液各5～10μL，注入液相色谱仪观察，实验结果见表2.

表2 不同烘干加工方法下金银花品质对比表

从表2中可以得出：分段控时控温法虽然在加热时间上比机器杀青烘干法高，但烘干得到的金银花品质明显优于机器杀青法；相比于低温烘干法，分段控时控温法更快，绿原酸含量更高，只不过颜色上略有差异.综合以上因素可得，新的烘干控制方法克服了高温烘干药效成分得不到保持、低温烘干耗时久的缺陷，具有实用价值和推广价值.

5 结束语

本文介绍的金银花加热控制器，完成了金银花在不同阶段烘干温度和时间的有效控制，最大限度的保持了金银花的药效成分不被破坏.由于在除湿阶段的高温、通风和不断翻花，使金银花水分快速散失，提高了金银花加工的效率，既弥补了低温烘干法加工效率低，耗时久的不足，又克服了高温烘干法破坏药效成分而使品质得不到保持的缺陷.实验结果表明，本设计能满足现阶段金银花烘干在加工效率和品质保持方面的应用需求，完成了设计任务要求，达到了预期的目的.

[1]赵金娟，路俊仙，王萌，等.不同加工方法对金银花质量的影响[J].现代中药研究与实践，2013，27（5）：6-8.

[2]彭菊艳，龚月桦，王俊儒，等.不同干燥技术对金银花药用品质的影响[J].西北植物学报，2006，26（1）：2044-2050.

[3]汪冶，肖聪颖，郑钦方，等.金银花药材加工方法与商品规格等级调查[J].中南药学，2011，9（1）：75-77.

[4]宋健，张会敏，石俊英.金银花最佳产地加工方法-杀青烘干干燥法[J].中药材，2008，31（4）：489-491.

[5]彭菊艳，龚月桦，王俊儒，等.现代干燥技术对金银花药用品质的影响 [A].2006海峡两岸暨CSNR全国第七届天然药物资源学术研讨会论文集[C].2006：266-269.

[6]韩学俭.药用金银花加工技术[J].农村实用技术，2003（8）：53.

[7]余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.

[8]国家药典委员会.中华人民共和国药典[M].北京：化学工业出版社，2000.