太陽能-熱能互補型干燥器智能測控系統(tǒng)的研究

太陽能-熱能互補型干燥器智能測控系統(tǒng)的研究

0傳統(tǒng)干燥方法的局限性太陽能是現(xiàn)階段的主要水源，也是解決環(huán)境問題的新水源。人們很早就開始利用太陽能進行干燥。將收割好的農(nóng)作物置于太陽下曝曬脫水干燥或是采用煤、木炭等在室內(nèi)烘制以便長期保存，是我國農(nóng)村長期沿用的干燥方法。但這種傳統(tǒng)的農(nóng)作物干燥方法存在著較多的問題和不足。首先，采用這種傳統(tǒng)的干燥方法進行干燥的農(nóng)作物易受灰塵、蚊蟲等的污染及陣雨淋濕，且容易導致其含硫、含磷量偏高，較難通過國家綠色食品認證；其次，干燥時同過長，無法滿足農(nóng)作物工業(yè)化加工的需要；再次，干燥過程完全憑借個人經(jīng)驗，由于外界環(huán)境波動較大，造成農(nóng)作物的營養(yǎng)成分大量流失，嚴重影響干燥品質(zhì)。近年來，我國已研制出太陽能干燥谷物、果品、中草藥等專門的干燥設備，并進行了大量試驗研究，取得了一些進展。但整體來說，我國太陽能干燥技術的研究及推廣的歷史不長，太陽能集熱器及干燥設備等相關產(chǎn)品還存在著熱損失系數(shù)大、穩(wěn)定性差、可生產(chǎn)性不強、干燥物料單一等缺陷。本文介紹了一種以單片機為控制核心的智能化太陽能農(nóng)副產(chǎn)品干燥系統(tǒng)，它能對農(nóng)副產(chǎn)品干燥過程中的干燥環(huán)境溫度、濕度進行實時監(jiān)測與控制，并可實現(xiàn)干燥過程中動態(tài)調(diào)整干燥參數(shù)的功能。從而提高農(nóng)副產(chǎn)品的干燥效率、保證其干燥品質(zhì)。1輔助集熱裝置本太陽能農(nóng)副產(chǎn)品智能化干燥系統(tǒng)以太陽能集熱器作為主要集熱裝置，以干燥箱及其周圍設備作為輔助集熱裝置和干燥設備。太陽能集熱器與干燥箱設計性能的好壞直接影響到農(nóng)副產(chǎn)品的干燥效率和質(zhì)量。太陽能集熱器和干燥箱的設計要重點考慮設備的集熱效能、保溫儲能效果、內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置以及風道合理性等方面。1.1集熱管與水的連接太陽能集熱器由玻璃真空集熱管、反光板以及水箱3部分組成，如圖1的下半部分所示。玻璃真空集熱管的長度為1500mm，外直徑為47mm。玻璃真空管與水箱直接相連，整個集熱器共采用了18根相同規(guī)格型號的玻璃真空集熱管。為了有效提高集熱管的集熱效能，采取了以下措施：一方面將集熱管與水平面的傾角固定在35°至45°之間；另一方面在集熱管的正下方安裝了波紋狀的鍍鋅鋁反光板，照射到反光板上的太陽光經(jīng)反射可照射到集熱管的下表面，增加集熱管的受光面積，從而提高集熱管的集熱效能。水箱材料為2mm厚的不銹鋼板，設計成內(nèi)外兩層的半圓柱體形狀。水箱底面的內(nèi)、外直徑分別設計為400mm和450mm，其高度為1500mm。考慮到對水箱儲水保溫，除靠近干燥箱的水箱表面外，其余表面均加蓋一層50mm厚的保溫材料(可采用泡沫或保溫棉)。水箱下部正中央的位置預留1個孔，用于安裝紅外電加熱管，如圖1中的標注4所示。當太陽光照不強或陰雨天氣，水箱內(nèi)儲水水溫不高時，即可啟動紅外電加熱管對箱內(nèi)儲水進行電加熱。如圖1中的標注6、7、8所示，水箱右側(cè)面預留3個孔，分別用作水箱的進出水口、水位傳感器放置口及水箱的溢氣排水口。1.2干燥箱的設計和成型干燥箱主要用于存放待干燥的農(nóng)副產(chǎn)品，置于水箱的正上方，如圖1上半部所示。干燥箱箱體設計為內(nèi)、外兩層的長方體結(jié)構(gòu)。外箱體尺寸規(guī)格為1500mm×1200mm×900mm。內(nèi)、外層之間的空氣夾層厚度為50mm。內(nèi)箱體的左、右、前、頂4個面板選用0.5mm厚的鍍鋅鋼板制作而成。其中頂部面板上開圓形孔口，加裝一個抽風機；左、右面板靠近水箱的底端分別設置幾個進風口(如圖2中的標注2)。干燥箱的底面(貼近水箱的一面)未封閉，從而可充分利用水箱向干燥箱的熱輻射。為了最大限度地吸收太陽輻射光，在4面鍍鋅鋼板的外表面刷上了一層表面粗糙的黑漆。箱體的后面板為不銹鋼板做成的一扇左右兩開的門，門內(nèi)表面加嵌保溫材料(如圖2中的標注1)。干燥箱體內(nèi)由下至上平分為3層，每層均架上帶網(wǎng)格的不銹鋼厚板，如圖2中的標注3、4和5所示。待干燥的農(nóng)副產(chǎn)品通過箱體后門裝入干燥箱，分層擺放在網(wǎng)格不銹鋼板上以便干燥。干燥箱的外層為玻璃結(jié)構(gòu)，這既有利于干燥箱防雨，又可起到干燥箱保溫的效果。箱體外的左、右、前、頂4個面板采用玻璃封裝。頂部玻璃面做成與水平面成一定傾角的斜面(如圖2中的標注6)，這便于下雨天頂部面板外表面的雨水排放和干燥時箱體內(nèi)濕空氣的向外排放。農(nóng)副產(chǎn)品干燥過程中，當干燥箱內(nèi)空氣濕度過高時，可啟動箱體頂部的抽風機。干燥箱內(nèi)、外夾層間的干空氣通過箱體左、右內(nèi)面板底部的進風口流入干燥箱內(nèi)，干燥箱內(nèi)的濕空氣經(jīng)抽風機排出。通過這一干、濕空氣的對流交換，可使干燥箱體內(nèi)的空氣含水量保持在正常允許的范圍，從而提高農(nóng)副產(chǎn)品的干燥效率。2低通道pc29機及系統(tǒng)模型本系統(tǒng)以單片機為控制核心對農(nóng)副產(chǎn)品干燥過程進行實時自動監(jiān)控。通過對放置于干燥箱內(nèi)部的傳感器傳送的溫度、濕度數(shù)值進行分析以做出相應的控制操作，調(diào)整干燥箱內(nèi)部的溫度和濕度，使其保持在干燥最佳參數(shù)范圍內(nèi)，從而達到較好的農(nóng)副產(chǎn)品干燥效果。系統(tǒng)選用PHILIPS公司推出的LPC9401單片機作為控制芯片。LPC9401單片機是一款微功耗51內(nèi)核單片機，采用高性能處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時間為2到4個時鐘周期，6倍于標準80C51器件。LPC9401的一個特點是內(nèi)置了PCF8576D段驅(qū)動器，可以直接驅(qū)動最大128段的LCD，適于要求高集成度、低成本的場合。圖3為用于農(nóng)副產(chǎn)品干燥的LPC9401單片機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。通過按鍵可以預先設定干燥箱的最佳溫、濕度值以及溫、濕度的上限和下限值，設定水箱儲水溫度及水位值，還可設定干燥時間等參數(shù)。LCD用于實時顯示干燥箱內(nèi)的溫、濕度信息。干燥箱內(nèi)的溫、濕度由數(shù)字溫濕度傳感器SHT10測得。圖3中所示的溫度傳感器和水位傳感器分別用于實現(xiàn)對水箱內(nèi)儲水溫度及水位進行實時檢測的功能。另外，9401單片機還可通過4路開關信號分別控制抽風機、電磁閥、紅外電加熱管及蜂鳴器的起停。其中，抽風機用于降低干燥箱內(nèi)的濕度或溫度;電磁閥與水箱的進出水口相連接,用于控制往水箱注水的動作;紅外電加熱管用于加熱水箱儲水,進而提高干燥箱內(nèi)的空氣溫度;蜂鳴器用于向外界報警或提示用戶。3中斷服務子程序DP9401通過實時進行中斷查詢，并對中斷類型進行判斷，調(diào)用不同的中斷服務子程序，實現(xiàn)不同的操作處理功能，從而實現(xiàn)農(nóng)副產(chǎn)品干燥過程全自動控制。干燥過程智能測控系統(tǒng)軟件的程序運行流程如圖4所示。下面對系統(tǒng)中的幾個主要中斷服務子程序的設計思想及其功能作一簡介。3.1干燥箱溫度參數(shù)信息顯示及干燥箱溫度及濕度參數(shù)信息按鍵處理子程序可實現(xiàn)通過DP9401單片機的P0端口接收外部按鍵命令。從而完成向LCD顯示當前干燥箱的溫度及濕度參數(shù)信息或水箱儲水溫度及水位參數(shù)信息的功能，也可完成干燥箱溫度及濕度參數(shù)或水箱儲水溫度及水位參數(shù)設定的功能。按鍵處理子程序還可通過外部按鍵實現(xiàn)干燥時間參數(shù)的設定功能。3.2溫濕度檢測模塊該子程序主要用于實現(xiàn)對干燥箱內(nèi)的溫度和濕度進行檢測的功能。調(diào)用該子程序時，系統(tǒng)自動獲取SHT10數(shù)字溫濕度傳感器所測得的干燥環(huán)境溫、濕度信息，并在LCD上作同步顯示。當程序判斷到當前干燥箱內(nèi)的溫、濕度值不在預先設定的范圍之內(nèi)時，則啟動蜂鳴器進行報警。3.3干燥箱頂面板的抽風機該子程序主要用于對干燥箱內(nèi)的溫度、濕度進行自動調(diào)節(jié)控制。當干燥箱內(nèi)的溫度、濕度過高時，啟動干燥箱頂面板的抽風機，利用空氣換氣，使干燥箱夾層內(nèi)的干空氣與箱體內(nèi)的濕空氣進行對流，從而使箱體內(nèi)空氣的溫度及濕度降低。當干燥箱內(nèi)的溫度、濕度偏低時，此時可以采用關斷抽風機，啟動水箱底部的紅處電加熱管的措施來使干燥箱內(nèi)的溫度、濕度上升。3.4系統(tǒng)自動獲取水溫和水位信息該子程序主要用于實現(xiàn)對水箱儲水溫度和水位進行自動檢測的功能。調(diào)用該子程序時，系統(tǒng)自動獲取放置在水箱中的溫度傳感器和水位傳感器所測得的水溫及水位信息，并在LCD上作同步顯示。當程序判斷到當前水箱儲水溫度及水位不在預先設定的范圍之內(nèi)時，則啟動蜂鳴器進行報警。3.5影響水壓的釋放該子程序主要用于對水箱儲水溫度及水位進行自動調(diào)節(jié)控制。當水溫過高時，水箱內(nèi)會產(chǎn)生大量水蒸氣，水蒸氣即可從水箱右側(cè)面的溢氣排水口排出。當水位超過限定水位高度時，多余的水也可從溢氣排水口排出。當水溫過低時，啟動水箱底部的紅外電加熱管，加熱水箱儲水，使水溫上升。當水位低于限定水位高度時，則打開與進、出水口相連接的電磁閥，往水箱注水。4日照時間長對霸王花干燥條件的影響為了驗證上述干燥系統(tǒng)的有效性和可運行性，我們利用該系統(tǒng)對霸王花(又名劍花，是廣東肇慶的主要農(nóng)副特產(chǎn)之一，有清心潤肺、清暑解熱、去痰火和止咳的功效，人們多用它作為煲湯的主要原料，新鮮的霸王花含水量很高)進行了干燥實驗。實驗時間為2007年8月13日，天氣晴，少云，風速2級。實驗地點為課題所在地廣東肇慶。實驗當天早上8:00測得的大氣環(huán)境溫度為28.4℃，相對濕度為47%。通過測控系統(tǒng)設定干燥時間為9小時，即從8:00至17:00。廣東地區(qū)夏季時節(jié)日照時間長，太陽光輻射范圍廣且強度大。為了節(jié)約干燥實驗的成本，霸王花干燥過程中沒有啟用電熱管和抽風機。為了便于實驗分析，實驗過程中我們對大氣環(huán)境的溫濕度、太陽能干燥箱內(nèi)空氣的溫濕度以及太陽能集熱器水箱儲水的溫度分別進行了同步實時采集。圖5所示為干燥過程中水箱儲水平均水溫、干燥箱內(nèi)平均氣溫與大氣環(huán)境溫度的實時變化對照關系。圖6所示為干燥過程中干燥箱內(nèi)空氣的平均濕度與大氣環(huán)境濕度的實時變化對照關系。分析圖5得知，隨著日照輻射的增強，水箱水溫與干燥箱氣溫均有不同程度的升高，在正午之前水箱水溫一般高于干燥箱氣溫，大致在13:00至15:00時段，干燥箱氣溫卻比水箱水溫上升快，超過了水箱水溫，之后隨著日照輻射的逐漸減弱，水箱水溫與干燥箱氣溫均顯著降低。整個實驗過程中，干燥箱內(nèi)溫度的變化能夠較好地滿足霸王花干燥時的溫度要求(專家通過大量實驗得知霸王花最佳干燥溫度為35～70℃)。但在太陽光照最強烈的正午時分，干燥箱箱體內(nèi)的溫度極有可能升至80℃左右。此時，為了較好地控制箱體內(nèi)的溫度，以使其保持在最佳干燥溫度范圍內(nèi)，可以啟用抽風機降溫。分析圖6得知，隨著日照輻射的增強以及霸王花干燥時間的增加，干燥箱內(nèi)空氣的平均濕度逐漸增大。尤其是在正午13:00以后，干燥箱內(nèi)空氣的相對濕度更是超過了70%。因此，此時可啟動抽風機，將箱體內(nèi)的濕空氣抽出，并利用空氣對流的原理通過箱體左右兩側(cè)底部的進風口使干燥箱夾層內(nèi)的干熱空氣注入箱體內(nèi)，以加快物料干燥速度。5實驗結(jié)果分析本文提出了一個智能化太陽能農(nóng)副產(chǎn)品干燥系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方案，系統(tǒng)以太陽能熱水器作為主要集熱裝置，以干燥箱及其周圍設備作為輔助集熱裝置和干燥設備，以單片機為控制核心，從而實現(xiàn)對農(nóng)副產(chǎn)品的自動化干燥處理。我們利用該系統(tǒng)對霸王花進行了干燥實驗。實驗結(jié)果表明，通過該系統(tǒng)干燥后的霸王花色澤好，完全保持了其干燥前原有的營養(yǎng)成分和品質(zhì)，煲湯后其湯味清香甜滑。同時，通過實驗證實了本