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《西北农林科技大学》 2014年
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食品通电加热温度控制系统研究

谢子明  
【摘要】:热加工是食品加工和食品保藏中最重要的技术,它不仅直接关系到最终产品的质量和安全,而且还关系到加工过程中能源消耗及其制造成本的高低。通电加热为食品加工提供了一种全新的加热方法,但由于当前通电加热系统多采用恒压电源供电,在加热过程中食品物料的电导率随着温度的变化而变化,因而无法对加热过程中的加热速率和保温温度进行有效的控制,而加热过程中温度对食品品质影响很大。因此,研究通电加热过程中的温度控制具有重要的理论价值与现实意义。 本研究设计了一个基于单片机的食品通电加热温度控制系统,该系统可以设定食品物料加热过程中的加热速率、保温温度与保温时间,能实时监控加热过程中的温度变化。主要研究内容如下: (1)确定了系统的整体设计方案。根据本研究的目的分析了系统所需具备的主要功能,并结合这些功能确定了系统所需的主要硬件模块,以及各模块之间的结构关系。 (2)完成了系统的硬件设计。系统硬件主要包括基于单片机的自动调压电路、数据采集电路、功能按键、液晶显示屏、串口通信电路、带平行板电极的加热槽。基于单片机的自动调压电路又包括主电路与控制电路,完成了该电路中主要元器件的参数设计与选型;采集电路包括温度、电压、电流的采集,温度采集利用K型热电偶与MAX6657,电压、电流采集利用相应的传感器与ADC0832;功能按键主要完成加热速率、保温温度、保温时间等参数的设置与系统的启停;显示屏采用LCD1602,在设置系统工作参数时显示相应的参数值,在加热过程中显示加热槽中食品物料的温度;串口通信电路用于单片机与上位机通信;加热槽采用长方体设计,材料选用有机玻璃;平行板电极选用不锈钢制作。 (3)确定了系统的整体控制方案。系统开始工作时并不直接进入加热过程,而是显示系统的默认加热速率,通过功能按键完成加热速率、保温温度、保温时间的设定后按下开始加热按键即开始进入加热过程。当温度达到设定的保温温度时自动进入保温过程。当保温时间到达设定值时系统自动停止加热。 (4)完成了加热速率控制方案的设计。加热速率控制采用前馈+反馈的复合控制方法,每2s利用前馈控制调整加热槽两端的电压一次,当反馈时间(加热速率≥8℃/min时反馈时间为10s,否则为20s)到达时,根据实际加热速率调整系统的加热功率。 (5)完成了保温控制方案的设计。保温控制采用PID控制与开关控制相结合的时间最优的控制方法。当实际温度与设定的保温温度之差的绝对值≥1℃时采用开关控制,否则采用PID控制。 (6)使用该系统对牛奶进行了加热实验,结果表明,在设定加热速率分别为6℃/min、8℃/min、10℃/min、12℃/min时,通电加热过程中牛奶的温度与时间均保持良好的线性关系,实际加热速率与设定值之间的相对误差为0.5%~3.83%。当设定的保温温度分别为30℃、50℃时、70℃、90℃时,保温开始波动相对较大,逐渐趋于平稳;温度偏离设定值最大为1℃;系统的稳定时间不超过20s,最大超调量不超过1℃,稳态误差在±0.3℃范围之内。
【学位授予单位】:西北农林科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TS203

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