片机的食品欧姆加热杀菌装置的设计
２０１０年１月农机化研究第１期基于ＡＶＲ单片机的食品欧姆加热杀菌装置的设计
丁文彦，蒋路，徐江宁，罗岩
（沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳１１０１６１）
摘要：以欧姆加热原理为理论基础，针对欧姆加热对食品内部细菌影响的诸多因素，对欧姆加热杀菌装置的各项功能进行了分析与探讨，并完成了其相关控制系统软、硬件方案的设计。在此基础上开发出了以ＡＶＲ系列的Ｍｅｇａｌ６单片机为控制核心的加热杀菌装置。实验表明，该装置具有工作可靠、操作简便灵活和成本低等优点，能够很好地实现食品的加热杀菌工作目标，杀菌效果理想。
关键词：欧姆加热；杀菌；单片机；控制系统
中图分类号：ＴＰ２７３＋．５文献标识码：Ａ文章编号：１００３—１８８Ｘ（２０１０）０１—０１０６—０４
Ｏ引言
食品无菌加工技术不仅能够有效延长食品货架期、减少食品营养成分流失和降低生产能耗与成本，同时也可以大大降低对食品包装材料的要求和成本。
近年来，多种食品无菌加工新技术不断涌现，如超高温杀菌、超高压杀菌、高压脉冲电场非加热杀菌、紫外线杀菌、微波杀菌、辐照杀菌和欧姆加热杀菌等。其中，欧姆加热（ＯｈｍｉｃＨｅａｔｉｎｇ）杀菌是一种新型的食品加热杀菌方法。与相近的微波加热相比，欧姆加热杀菌最大的特点是渗透的深度没有明显的限制。该技术以其生产成本低、经济实用、适应性好而具有良好的发展前景。
１欧姆加热杀菌的原理及主要影响因素欧姆加热又称电阻加热，是利用电流通过两电极间连续流动的食品物料时，使食品内部快速产生热量，从而达到灭菌目的。欧姆加热是一种快速的体积加热，加热过程中食品流动接近塞状流，形成均匀的温度场。由于其加热原理是利用食品本身所具有的电不良传导性所产生的电阻进行加热，因此没有传热面，固体表面不会结成硬块，也不会产生结垢现象，特别适合加热那些含有较大颗粒状的物料（直径达２５ｍｍ）和高黏度、热敏性、导热系数较低的食品物料，并且不论液体、固体均可受热一致。同时，其对被加工食品的物理外观损伤小，有利于保持颗粒状物料的
收稿日期：２００９—０４—０２
基金项目：辽宁省教育厅科学研究项目（２００６０７６１）
作者简介：丁文彦（１９６３一），女，辽宁朝阳人，副教授，硕士生导师（Ｅ—ｍａｉｌ）ｄｉｎｇｗｙｊｈ３１＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ。完整性，可以有效降低食品前期处理、加工和包装过程的要求及成本。
此外，欧姆加热是电加热，电能的转化效率较高（大于９０％），其灭菌效果取决于被加热物质的导电性和其在加热器中停留的时间长短。由于食品是离子型电导体，其电导率一般随温度变化呈线性上升。这可能是由于食品结构发生变化，如脂肪融化、淀粉糊化和蛋白质变性等所引起的。进一步研究发现，食品的电导率是频率的函数，在常规加热与欧姆加热过程中，存在着明显的电导率一温度分布差异。根据能量转换原理，通入电流后，食品中偶极子的运动取决于所加的电场强度及其频率。由于这些基本粒子的极性取向在不断频繁变化，所以在食品内部不断地将电能转换为热能。
其转换公式为
Ｑ＝ｋＥｔａｎ６?Ｅ２?ｆ（１）式中后一转换系数，ｋ＝５．５６Ｘ１０—３Ａ?Ｓ／（Ｖ?ｃｍ）；
占一介电常数；
６一损失角；
Ｅ一电场强度（Ｖ／ｅｍ）；
产频率（Ｉ－ｌｚ）。
由式（１）可见，欧姆加热的速率主要与外加电场的强度、频率以及物质本身的介电常数等因素有关。本文所涉及的食品欧姆加热杀菌装置是根据欧姆加热原理，在对影响食品加热速率的诸多相关因素研究的基础上，利用现代电子技术和传感器技术，并以单片机为控制核心对欧姆加热杀菌系统进行研究与设计。本装置适合处理的食品包括有高酸性的西红柿酱、面条汤、蔬菜、草莓以及低酸性的火腿肠、蘑菇和非常粘稠的奶酪酱等。菌种包括沙门氏菌、葡萄球菌、大肠杆菌、肉
毒杆菌等。
２
系统硬件设计
也，
２．１总体方案设计
欧姆加热杀菌装置的硬件系统由控制单元和驱动单元两个部分构成。控制单元主要完成加热参数
设定、物料温度检测、控制信号产生、计时和显示等功能；驱动单元主要是完成ＡＣ—ＤＣ—ＡＣ电路的转换、
驱动、功率输出等功能。本装置利用交流电杀菌主要
是因为直流电不仅会引起食品成分的电解变质，还会
使电极很快发生电解腐蚀，食品易被金属离子污染。
在供电输人端，将工频电源（２２０
Ｖ／５０
Ｈｚ）进行
调压、整流、滤波后变为直流电压。电源输出回路则根据控制回路发出的指令再将输出的直流电压通过
逆变器调制成为某种频率和脉宽均可调的方波信号
后输出给负载。
控制单元以Ｍｅｇａｌ６单片机为核心，对有关运行数据进行高速的检测、比较和运算，发出具体的指令，调整输出系统频率。在实际运用过程中，通过运算回路产生所需频率的方波信号，并以此作为工作信号，
经驱动回路推动功率半导体器件工作，对物料进行通电加热。
在实际加热过程中，通过不断地对被加热物料的
具体温度值采样，并及时将实时温度值输入单片机与计算值进行运算与比较，对理论值不断进行修正，并
输出相应的控制信号给驱动单元，从而完成对加热温度的控制。同时，杀菌装置在整个加热过程中可以进行实时温度显示。系统设置有电压监测电路，通过对输出电压采样后经反馈电路反馈给控制回路，控制回
路则通过与给定的标准值比较后对输入电压采取调
整措施，实现恒压控制，并可监控整个系统的工作状
态。当系统出现过压等情况时，可快速切断输入的交流电源，起到对电路的保护作用。该装置是以微处理
器为核心，由单片机实现系统扩展，集电压调节、脉宽／频率变换、温度控制于一体。在实际运行过程中，电压、频率、温度、保温时间等参数都可以通过键盘来
设定、修改。
加热的一些过程参数（如传感器的检出信号等），可以通过ＬＥＤ数码管显示出即时动态值，同时ＣＰＵ
还将根据过程量的变化采取对应的控制措施适时调整相应的参数。另外，在灭菌处理室两个电极上均涂有金属钛，使用时只需将加热杀菌系统的输出端接在
充满物料的灭菌处理室电极两端即可。
欧姆加热杀菌装置系统组成，如图１所示。
驱动单元
图１欧姆加热杀菌系统组成示意图
２。２控制单元设计
该套控制系统主要完成频率设定、电压设定、ＬＥＤ
显示、键盘管理、Ａ／Ｄ采样、Ｄ／Ａ输出、方波输出、保温时间设定等功能。频率调整和电压控制、温度控制部
分是由ＡＶＲ单片机系列的Ｍｅｇａｌ６芯片执行的。外
围电路则由温度传感器电路、Ｄ／Ａ调压电路、键盘管理电路和ＬＥＤ数码显示等电路构成，所用主要器件有
ｐｔｌ０００，ＡＤ５３００等。
灭菌室的反馈温度通过传感器电路转换为电压
信号后，传给Ｍｅｇａｌ６单片机内部自带的１０位Ａ／Ｄ转换器，并转化为温度数字量在ＬＥＤ上显示。同时，单
片机按设定的频率输出两列方波信号控制驱动单元。调压电路部分采用ＥＵＶ一１０Ａ单相固态调压模块，输
入端与输出端均采用光电隔离，输入阻抗高，可直接接入单片机系统的Ｄ／Ａ转换器，并实现对输入电压的
调节，完成对整个输出系统温度的自动控制。
２．３驱动单元设计
驱动单元的设计是将输入的工频电源进行调压、整流后变成直流电压（０～３００Ｖ），中间电路对其进行滤波后送入全桥逆变电路。全桥逆变电路由两个半桥逆变电路组合而成。４个达林顿管（ＹＺｌ２５Ａ）组成
４个桥臂，其中Ｕ，Ｋ和Ｋ，Ｋ等分别构成上、下桥
臂。当单片机Ｉ／０口输出电压为高电位时，Ｋ，Ｋ导通，屹，Ｋ关断；当单片机Ｉ／０口输出电压为低电位
时，屹，Ｋ导通，ｙ。，Ｋ关断，两对桥臂循环交替工作，
各导通１８００，在负载上形成交流输出。
全桥逆变电路原理图，如图２所示。
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图２全桥逆变电路原理图
３系统软件设计
本套控制系统的软件采用ｃ语言编写。根据欧姆加热杀菌控制系统的功能要求，软件部分主要由系统初始化模块、温度采样模块、键盘管理模块、温升控制模块和保温计时模块等几部分组成。其主要完成频率设定、温度采样、加热过程温度自动控制、键盘输入和显示等功能。主程序流程框图，如图３所示。
图３主程序流程框图
３．１系统初始化模块
系统初始化模块主要是完成控制系统的初始化设置，包括设置变量以及标志位、分配空间、预置各指示灯状态、设置中断、定时器、初始化芯片等功能。需要说明的是，系统设置有准备就绪状态指示灯，当系统启动后该指示灯点亮的过程中，使用者可决定是否要进行参数设定。如果要进行参数设定，可按下功能按键，则系统进入参数设置状态，设置完成后系统自动跳转主程序。如果不用进行参数设置，系统则自动按上次设置所保留的参数值直接跳转主程序。
３．２温度采样模块
温度采样模块是直接利用Ｍｅｇａｌ６单片机内部自带的１０位的Ａ／Ｄ转换器，通过温度传感器电路将模拟信号传给单片机的Ａ／Ｄ转换器。由于该Ａ／Ｄ能够满足系统的控制精度要求，所以可直接进行软件编程操作。
３．３键盘管理模块
键盘管理模块主要用于系统的按键管理。考虑到系统设计的轻便性和便携式要求，装置仅采用５个按键进行操作控制，分别由功能键、位选择键、大小设置键、确定键和取消键组成，可以进行５个参数的设定，包括频率设定、电压设定、温度设定、保温时间设定和２ｓ温度设定。频率设定的范围为ｌ一９９９９Ｈｚ，温时间的设定范围为０—９９９９ｓ。
３．４温升控制模块
温升控制模块主要是完成加热过程中的初期快速升温和后期慢速升温过程的自动控制。依据食品欧姆加热杀菌物理过程，编写该装置软件时加入了升温梯度的算法，较好地解决了初始升温过快或过慢的问题。而在后期慢速升温阶段，当温度达到设定温度的下限值时，则通过改变电压来降低温度，这样可以充分利用物料的自放热量比较准确地达到设定的温度值。
３．５保温计时模块
保温计时功能是食品加热灭菌工艺所要求的，该系统的保温计时功能是利用单片机内部自带的定时器完成倒计时功能的，计时最长时间可达到２ｈ。在保温过程中系统会对电压随温度的变化而产生的轻微波动进行相应的微调，但整个加热过程仍可以认为是恒定温度加热。当加热完成后，如果设置有保温时间，则程序自动转入保温计时，直到计时完成，杀菌过程结束。如果没有设置保温时间，则当加热过程完成，杀菌过程即结束。
４结束语
本文所述食品欧姆加热杀菌装置在使用时可以针对不同细菌的耐热性和不同食品物料的电导率，选择不同的温度、电压和频率来调整和控制加热过程，使其达到最佳的灭菌效果。除此之外，该装置在加热杀菌过程中可对加热温度进行实时显示，并通过设置２ｓ上升温度快慢的梯度值对其初始温度的升温过程进行控制，一般情况下物料升温速度可达１．５℃／ｓ。系统在启动后将会自动提示进行系统参数设定，如果没有进行参数设置则系统会自动使用上一次寄存器里的设定值，以方便连续杀菌使用。
多次实验测试表明，该加热杀菌装置在运行过程中单片机输出的频率运行稳定、波形理想、控制可靠。加入梯度算法后不仅能够进行温度的精确控制，而且能够有效地节约能源，充分保留食品物料的营养成分，降低杀菌及包装成本。软件设计输出指令准确无误，能按设计流程完成设定的各种功能，操作简便。欧姆加热杀菌技术能满足多种食品物料的杀菌要求，有较好的经济效益和发展前景。
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ｗｈｅｎｉｔＷａＳｓｔｅｒｉｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｖｅｒａｌｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｔｈｅｏｈｍｉｃ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｈｍｉｃｈｅａｔｉｎｇ；ｓｔｅｒｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
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ＡｂｓｔｒａｃｔＩＤ：１００３—１８８Ｘ（２０１０）０１—０１０２一ＥＡ
ＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎｏｆＢｉｏｎｉｃｓＣｏｍｐｏｓｔＢａｇｇｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓＬｉｎＪｉｎｇｈ，ＣｈｅｎＹｉｎｇｘｉｎ２，ＢａｉＸｕｅｗｅｉｌ８，ＬｉＬｉｘｉｎ２，ＨｅＬｉｌｉｌ“
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢｙｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｃｒｅｗｆｅｅｄｅｒｗｉｔｈＳｏｌｉｄｗｏｒｋｓ，ｅｎｈａｎｃｅｓｄｅｓｉｇｎｒｅｌｉａｂｉｌ．ｉｔｙａｓｗｅｌｌａｓｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂｉｏｎｉｃｃｏｍｐｏｓｔｂａｇｇｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ．ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｇｕｉｄｅｌｉｎｅｉｎｔｈｅｏ—ｒｙｆｏｒｂｉｏｎｉｃｂａｇｇｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ＇ｓｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｔ；ｂｉｏｎｉｃｓ；ｂａｇｇｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ；ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
基于AVR单片机的食品欧姆加热杀菌装置的设计
作者：丁文彦， 蒋路， 徐江宁， 罗岩， Ding Wenyan， Jiang Lu， Xu Jiangning， Luo Yan 作者单位：沈阳农业大学,信息与电气工程学院,沈阳,110161
刊名：
农机化研究
英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH
年，卷(期)：2010，32(1)
被引用次数：0次
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