王建强，封蕾
（榆林学院信息工程学院，陕西榆林719000）
摘要：为研究红枣的热风干燥特性，分别考查了50 ℃，60 ℃和70 ℃干燥温度及0.5 m/s，1.0 m/s和2.0 m/s条件下整果红枣的热风干燥曲线和干燥速率曲线的相关规律，并对实验数据进行了统计和分析，建立了红枣热风干燥数学模型。在此基础上，设计实现了基于ARM的红枣干燥自动控制系统，系统测试结果表明：该系统可以满足红枣烘烤过程的温湿度自动控制要求，提高红枣干制品的质量。
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关键词 ：ARM；热风干燥；数学模型；自动控制
中图分类号：TN911?34；TP312 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0056?03
收稿日期：2015?03?06
基金项目：陕西省教育厅专项科研资助项目（12JK0522）
红枣作为一种主产于中国的水果，在中国的种植面积已经超过了1 500 000 公顷。除了一小部分鲜果直接食用外，大部分的被制成了干果，远销国内外[1]。收获后的鲜枣，由于含水量较高，往往会造成25%~30%的减产。干燥是一种被广泛的用于农产品采收后的保鲜方法，它可以降低鲜果中的水分和微生物活性，增加产品耐储存性[2?3]。目前，常见的红枣干燥方法主要有2种：自然干燥法和人工干燥法。自然干燥法又分为晒干法和晾干法；人工干燥法主要有干燥机干制、太阳能干制、真空冷冻干制、微波与红外辐射干制、热风干燥技术、烘房干制技术等。我国目前采用得最多的红枣干制技术为以煤为燃料烘房干制法，与自然干制技术相比，该技术可以提高烘干速度快，降低烂果酶果率并且提高红枣干品的品质，并且可以降低劳动强度；与其他人工干制法相比，其具有成本低，单次烘干数量大等不可替代的优点。然而，该技术主要依靠烘房辐射和自然对流来进行干燥，烤房内各处温湿度很难做到均匀，且难以控制，烘烤过程中，主要依靠操作人员的经验进行温湿度的控制，烘干质量不稳定且能耗大。为了解决这些问题，本文考查了红枣烘烤过程中的干燥特性，建立了红枣热风干燥数学模型，在此基础上，研究设计了基于ARM 的红枣烘烤温湿度自动控制系统，该系统可以对红枣烘烤过程中的温湿度实时精确测控，并里用数学模型进行红枣干品含水量的控制，从而可以提高红枣烘干质量，并降低能耗。
1 红枣热风干燥数学模型的建立
1.1 材料与设备
陕北红枣是一个非常有名的红枣品种，主要产自陕西省榆林市。本实验采用的实验材料为2013年9月底，采摘自陕西省榆林市吴堡县康家塔村的鲜枣，成熟度在9 成左右，采摘大小均匀的样品放置于保温箱中，带回实验室后，在4 ℃ 条件下冷藏备用（湿基含水率70.2%）。实验条件为室温，实验前用酒精擦拭干净。实验装置为热风干燥机，由陕西省吴堡光大枣业有限公司提供。热风干燥机主要包括风机、电加热器、干燥室、温度控制单元等。风机风速可调，风速测量板可以实时测量通过它的风速。天平采用数字电子天平用来测量样品的重量。
1.2 试验方法与结果
1.2.1 测定指标与方法
试样干基含水量Mt为：
式中：Mt为试样干燥至t 时刻的干基含水量；mt为试样干燥至t 时刻的质量（单位：g）；mg 为试样绝对干质量（单位：g）。
试样是水分比MR为[4?5]：
式中：MR 为试样水分比；Me 为物料的平衡干基含水量；M0 为物料的初始干基含水量。
由于Me 相对于其他两者来说较小，可以忽略，因此式（2）可以简化为：
1.2.2 热风温度对红枣干燥速率的影响试验
红枣从冰箱取出后，自然升至室温，在热风温度分别为50 ℃，60 ℃，70 ℃下对1 000 g 样品进行干燥实验，风速为1.0 m/s。干燥过程中，每隔1 h测定1次含水率，直至达到安全含水量为止。
由图1可以看出，在热风速度为1 m/s的条件下，随着时间的延长，物料残余的水分逐渐减少，干燥温度对红枣干燥速率影响很大，温度越高达到安全含水量所需的时间越短。红枣热风干燥10 h时，其MR 值在干燥温度50 ℃，60 ℃，70 ℃下分别为0.80，0.62和0.44；而若使MR 达到0.15，干燥温度为50 ℃，60 ℃，70 ℃时则分别需要44 h，27 h，18 h。干燥温度为70 ℃时，达到预期水分比MR=0.15 所需要的时间与50 时相比缩短26 h，与60 ℃条件下相比则缩短了17 h。
1.2.3 风速对红枣干燥速率的影响试验
红枣从冰箱取出后，自然升至室温，在风速分别为0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s 下对1 000 g 样品进行干燥实验，热风温度为60 ℃。干燥过程中，每隔1 h测定一次含水率，直至达到安全含水量为止。由图2可以看出，随着时间的延长，物料残的MR 值逐渐减小，不同的风速对红枣达到安全含水量的时间有一定的影响。随着风速的增加，红枣的干燥速率加快，在干燥温度为60 ℃的条件下，红枣热风干燥20 h时，其MR 在风速0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s时分别为0.31，0.24，0.21，而若使MR 达到安全含水量0.15，风速为0.5 m/s，1.0 m/s，2.0 m/s时时则分别需要24 h，27 h，30 h。风速为2.0 m/s时，达到预期水分比所需要的时间与0.5 m/s 时相比减少了近6 h，故风速对红枣热风干燥过程的影响较小。
1.3 红枣热风干燥数学模型的建立
物料干燥过程比较复杂，往往与物料的物理特性密切相关。众多学者总结了好多个理论、半理论和经验模型，用于描述干燥过程中物料水分比随时间的变化规律。本实验选择了6个常用的薄层干燥数学模型进行红枣的热风干燥动力学研究，如表1所示[8?13]。
为了建立红枣的热风干燥模型，分别对上述试验数据进行分析和处理，估出ln（MR）-t 及-ln（-ln MR）-t 曲线，如图3、图4所示。由曲线图可以看出，红枣热风干燥过程中，在不同温度和风速下，试验数据在，说明红枣热风干燥过程可以使用Page模型进行描述。
根据在各种干燥条件下所得到的水分比MR 与时间t 的试验数据，可以看出，干燥常数K 和n 均为干燥条件（干燥温度T、热风速度v）的函数，利用最小二乘法（用SAS 软件的非线性回归分析方法）进行拟合确定该薄层干燥数学模型的参数值，可以得出K 与t 和v 以及n与t 和v 的关系式。从而可以得到陕北红枣热风干燥的数学模型为：
式中：T 为干燥温度，单位为℃；v 为风速，单位为m/s。
2 红枣烘烤自动控制系统设计
整个控制系统由中心控制单元、温度采集单元、湿度采集单元、温度控制调节单元及湿度控制调节单元组成。其中控制中心通过温度采集单元及湿度采集单元获取实时数据，经过软件判断后进行处理，若温湿度在允许范围内，则干燥过程继续进行，否则，通过温度控制调节单元及湿度控制调节单元进行相应的调节，发送相应的指令给风机或者排湿风扇，进行温湿度的调节。其中中心控制模块由三星公司的S3C2440微控制器担任，该控制器基于ARM平台。
3 系统测试
为了对系统进行实际生产中的验证，在陕西榆林光大枣业有限公司进行了现场实验，根据上述实验得出的结果，设定的实验条件为：在热风速度为1.0 m/s的条件下，分别采用干燥温度为50 ℃，60 ℃，70 ℃，在红枣烘干机中分批次（一次1 000 kg），进行干燥实验，每组实验进行3次，每次实验加热至预测时间时停止，同时测定红枣的MR 三次平行实验的平均值，与使用模型得到的预期值做比较，试验方案如表2所示。
试验结果如表3所示所示。
通过实际实验值与模型的预测值（MR）的比较发现，将该模型应用到实际生产环境条件下，完全可以满足产品最终含水量控制的需要，验证了该模型的可用性。
4 结论
陕北红枣热风干燥模型可以用Page 方程来描述，方程中的K 和n 受干燥温度、风速的共同影响。经工厂加工现场验证，该控制系统可以用于实际的生产过程，进行红枣干燥最终产品的含水量控制，从而提高干燥产品的品质，并优化干燥生产工艺。
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作者简介：王建强（1977—），男，山东安丘人，硕士，讲师。主要研究方向为嵌入式系统、网络安全。