金银花干燥特性测试仪的设计与研制

张学斌， 黄 灿， 黄利军， 钱莹晶

（1.怀化学院电气与信息工程学院；2.怀化学院武陵山片区生态农业智能控制技术湖南省重点实验室；3.怀化市铁路第一小学，湖南怀化 418008）

金银花具有清热解毒的功效，常用于治疗各种热性病，其药用价值极高[1，2].为探讨金银花烘干温度对金银花干燥特性及产品色泽的影响，需要挑选金银花样品进行干燥实验.传统的干燥实验在每次干燥前，按实验要求设定不同的干燥温度，待设备运行稳定后，将经过杀青处理的金银花均匀平铺到网状物料盘上进行干燥.干燥时，每隔20—30分钟左右就需将金银花从物料盘上迅速取出称其重量，然后迅速放回物料盘继续干燥，称重操作及重新放置所需时间约为25秒，直至连续两次称重数值基本不变时，说明干燥结束.每组实验均重复3次[3].该方法需要反复多次取出称金银花的重量，步骤繁琐、费力、效率低，而且每次开关柜门会影响柜内的温度，进而影响实验数据的准确性.

针对现有金银花干燥实验方法的不足，拟设计一种能自动、高效采集金银花烘干的重量、温度、湿度和时间数据，并能通过按键选择显示金银花干基含水率、干燥速率和水分比的金银花干燥特性测试仪.

1 干燥测试原理

干燥是向湿物料提供热能除去固体物料所含的水分，是一个传热和传质的过程.一方面，热能传递到物料表面，再传递到物料内部；另一方面，水分从物料内部传递到物料表面，再从物料表面气化[4].在干燥测试实验中，湿物料通常被均匀放置在干燥箱的物料盘上，用热辐射传热使物料水分气化.

研究干燥机理，首先是研究物料的干燥特性.干燥特性一般包括干基含水率、干燥速率和水分比等参数[5].

其中，干基含水率的计算公式如式（1）所示：

式中：Gt为t时刻物料的干基含水率，mt为t时刻物料的重量，md为物料的干基重量.

干燥速率的计算公式如式（2）所示：

式中：VΔt为干燥速率，Gt1为 t1时刻的干基含水率；Gt2为t2时刻的干基含水率.

水分比的计算公式如式（3）所示：

式中：WR为水分比，mt为t时刻物料的重量，md为物料的干基重量，m0为物料的初始重量.

由式（1）—（3）可得，干燥特性测试的精度取决于干燥过程中每一对应时刻物料重量数据的精确采集，也就是说，称重传感器的精度决定了干燥特性实验数据的精度.此干燥特性测试的目的是通过在不同干燥温度下的测试数据得到干燥曲线和干燥速度曲线，测定不同干燥温度下金银花的品质，从而找到最佳的干燥温度.

2 系统框图及工作原理

系统框图如图1所示，主要由微型控制单元、称重传感器、湿度传感器、热电偶、键盘、液晶显示屏、电源模块、风机控制模块和加热控制模块9个部分组成.

图1 系统总体结构框图

微型控制单元采用以低功耗单片机MSP430F149为核心的单片机模块；湿度传感器采用AM2315型湿度传感器探头；称重传感器采用高精度的电磁力式称重传感器；液晶显示屏采用12864LCD液晶显示屏；加热控制模块和风机控制模块均包含双向可控硅和光电耦合器，双向可控硅与光电耦合器相连，光电耦合器与微型控制单元的I/O口相连，I/O口输出不同脉宽的PWM信号控制双向可控硅的导通角，实现对加热功率和风机转速的调节；键盘模块采用4X4矩阵键盘，用于设定烘干温度、烘干风速、启动、紧急暂停；电源模块包括+3.3 V、+5 V双直流稳压电源和220 V市电，微型控制单元采用+3.3 V供电，电加热器和风机采用220 V市电供电，其余模块采用+5 V供电[6].

所述结构框图的9个部分嵌入带支架的箱体内.箱体为上开孔的长方体壳体，其结构示意图如图2所示.箱体为内外双层结构，两层中间为隔热层.箱体表面有电源总开关、电源指示灯、风机开关、加热器开关和蜂鸣器.蜂鸣器用于声音提示和报警.箱体底部有风机和电加热器，箱体的中部设有带网孔的层板，层板上有称重传感器和物料盘，物料盘周围有湿度传感器和热电偶，液晶显示器和键盘固定在箱体的外表面.本干燥特性测试仪能自动测量金银花的干基含水率、干燥速率和水分比，解决现有金银花干燥特性测试时需要反复从烘干机取出称重再烘干的操作不便问题.

图2 干燥特性测试仪箱体示意图

3 系统软件设计

本干燥特性测试仪的主程序是完成在设定烘干温度下的自动烘干以及重量的采集与存储.系统主程序流程图如图3所示.在实际应用中，先将金银花放入干燥特性测试仪物料盘上，然后闭合电源开关，通过键盘模块设定烘干温度和烘干风速，打开排气孔，闭合加热器开关和风机开关，再按启动键开始烘干.

图3 系统主程序流程图

烘干开始时，微型控制单元先采集物料的重量并存储下来，采集实时温度、湿度值并启动烘干计时，此时液晶显示屏将显示预设烘干温度、烘干耗时以及实时温度值和实时湿度值.当由热电偶采集到的实时温度远远低于预设烘干温度时，微型控制单元控制加热控制模块全功率加热，加热30秒后再次采集实时温度与预设温度比较，判断是否接近预设温度，若远低于，则继续全功率加热，若接近预设烘干温度（2摄氏度以内），微型控制单元通过减小PWM信号脉冲宽度使电加热器输出加热功率减小，加热20秒后采集实时温度与预设温度比较，判断是否等于预设温度，若不等于，则继续减小加热功率，直到实时温度等于预设烘干温度时，微型控制单元保持此时加热功率进行加热，保持实时温度与预设烘干温度一致，并持续对物料盘内的金银花进行烘干[7].

在烘干过程中，微型控制单元每分钟采集一次称重传感器和湿度传感器输入的数据并保存在数据存取器中，当称重传感器和湿度传感器连续两次输入的数据相等时，干燥完成.此时，称重传感器采集的数据为物料金银花的干基重量，蜂鸣器鸣叫三声，微型控制单元分别通过加热控制单元和风机控制单元控制电加热器和风机停止工作.

干燥完成后，可以通过键盘选择在液晶显示屏显示金银花的干基含水率、干燥速率和水分比.按照所述烘干方法，可以设定不同温度和不同风速对金银花进行干燥实验.通过对不同干燥温度和不同干燥风速下金银花成色的观察可以找到最佳的干燥温度和干燥风速.

在烘干的全过程中，若实时采集的温度超过150℃时，微型控制单元通过加热控制单元控制电加热器停止工作，蜂鸣器持续鸣叫报警.

4 系统测试

4.1 温度测试

图4 温度测试结果折线图

烘干温度的高低直接影响金银花的干燥速度，温度的精确性直接影响干燥速率的精确性，因此，有必要对系统温度的精确性进行测试.该干燥特性测试仪采用热电偶采集实时烘干温度，并在液晶显示屏上实时显示采集到的温度值.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.测试方法是在进行干燥时，打开柜门，用红外测温仪测试物料的温度，将系统显示的温度与红外测温仪测得的温度进行比较，即将系统显示的温度与红外测温仪检测到的温度进行比较，得出误差值.经过测试，得到如图4所示的折线图.

从图4折线图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，两者的差值在1℃以内，两条折线基本重合.总体来说，系统显示的温度与红外测温仪测出的温度偏差不大，不会影响到金银花干燥速率的准确性.

4.2 干燥实验

在进行干燥实验时，每次都挑选100 g的新鲜金银花作为实验样品，为防止金银花在干燥过程中发生酶促褐变，干燥实验前先将金银花样品在蒸汽中蒸60 s左右进行杀青处理.为了研究温度对干燥速率的影响，干燥实验时固定风机的风速为2 m/s，分别设定干燥温度为50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃进行干燥实验[8].待风速和干燥温度设好后，将100 g经过杀青处理的金银花实验样品均匀平铺到物料盘上，装好后，关闭柜门，按启动键进行自动干燥.称重传感器、热电偶和湿度传感器等传感器自动实时采集数据并进行存储、处理，直至干燥完成.按照同样的方法，设定不同的温度将同样重量的实验样品在同样风机风速下再进行干燥实验.每组实验均重复3次.待所有温度都测试之后，通过按键调取干燥数据，实验结果见图5.

由图5可以得出：在相同的风机风速下，烘干温度越高，完成干燥时间就越短，金银花的干燥速度就越快.样品在120℃时，干燥时间最短，为100 min，干基重量25克，根据式（1）可得在初始状态（0时刻）的干基含水率Gt为300%，根据式（2）可得在0—100 min时间段内，干燥速率VΔt为3%/min，根据式（3）可得初始状态的水分比WR为75%.同理，可以得知在其他烘干温度下的干燥特性相关数据.

图5 不同温度下干燥速率折线图

对烘干温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃、100℃和120℃条件下干燥样品成色进行比较，发现在100℃和120℃烘干温度下，虽然干燥速度快，但通过肉眼观察到成色不理想，通过嗅觉嗅到香味较淡；在50℃、60℃和70℃烘干温度下，虽然成色较好，香味浓，但干燥速度慢；综合考虑干燥速度和成色两方面的因素，发现80℃为最佳烘干温度.不同烘干温度下金银花样品成色与气味对比见表1.

表1 不同烘干温度下金银花成色对比表

本文设计的金银花干燥特性测试仪能够自由设置不同风速、不同烘干温度并自动完成金银花干燥特性的测试，弥补了传统干燥测试仪在干燥实验时需要反复多次取出金银花称重导致的操作不便问题.实验结果表明：该干燥特性测试仪温度测试精度较高，误差控制在1℃以内，在干燥实验时能在不同烘干温度下准确称重，完成相关的数据处理，并显示相关数据，干燥完成自动停机.综合考虑金银花干燥速率和成色两方面的因素，发现80℃为最佳烘干温度.该干燥特性测试仪有望适用于其他中药材的干燥特性的测试，具有较广的应用价值.