CN213875492U - 一种百香果储藏模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种百香果储藏模拟实验装置，包括保鲜箱、温度传感器、环境加热装置和加热制冷装置，温度传感器安装在保鲜箱内，环境加热装置安装在保鲜箱外，保鲜箱内设放置百香果的分层隔板，相邻分层隔板之间的保鲜箱侧壁上安装有探测放置百香果的红外对管，保鲜箱顶部安装有加热制冷装置。本实用新型的百香果储藏模拟实验装置能实现百香果的精确升降温模拟，跟随环境温度模拟，调节内部温度变化，实现百香果的最佳温度储藏，储藏效果更好，模拟实验数据精确。
Description
技术领域
本实用新型属于百香果储藏技术领域，涉及一种百香果储藏模拟实验装置。
背景技术
目前国内外百香果储藏方式大概分为自然降温储藏和人工降温储藏两种。
自然降温储藏是一种简单的、传统的、经济实惠的储藏方式。通风窖藏是人们常用的自然降温储藏方式，这是一种利用外界自然环境的低温来调节储藏环境温度和湿度的储藏方式。虽然其在运用时会受到地区和季节限制，且不能将储藏温度控制在预期温度。但是此储藏方式还是在我国境内广泛运用。
人工降温储藏则就是利用机械制冷来调节百香果储藏环境温度的储藏方式。该储藏方式运用时不会受地区和季节的限制，而且可以较为精准地控制储藏温度，更好地延长百香果的储藏时间。截至目前，世界上经济和科技发展好的国家都将人工降温储藏看作是储藏新鲜水果和蔬菜的必要手段。
在机械制冷储藏的基础上，又研究出冷藏气调储藏。此储藏方式是根据水果储藏特性，人为控制储藏室内的气体成分，例如减少氧气含量提高二氧化碳含量，从而为百香果提供适宜的储藏环境。这种气调储藏方式，对于百香果这种呼吸活跃型果实的储藏效果非常好。但是就目前的技术发展而言，气调贮藏的经济成本造价较高，操作经验和管理经验的复杂程度高。目前我国运用广泛的是自发气调储藏，即是利用百香果自己的呼吸作用，吸收消耗储藏室内的氧气，从而释放二氧化碳，达到气调效果，这种储藏技术固然比不上真正的气调储藏技术，但操作容易，经济成本较低，风险也较小。
上述方式均不能满足百香果的保鲜。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是：提供一种百香果储藏模拟实验装置，以解决现有技术中存在的问题。
本实用新型采取的技术方案为：一种百香果储藏模拟实验装置，包括保鲜箱、温度传感器、环境加热装置和加热制冷装置，温度传感器安装在保鲜箱内，环境加热装置安装在保鲜箱外，保鲜箱内设放置百香果的分层隔板，相邻分层隔板之间的保鲜箱侧壁上安装有探测放置百香果的红外对管，保鲜箱顶部安装有加热制冷装置。
优选的，上述红外对管、温度传感器、环境加热装置和加热制冷装置连接到主控制器，主控制器连接有显示模块。
优选的，上述环境加热装置包括方腔、吸风扇和加热腔，方腔内部四侧和顶部内侧相距保鲜箱距离相等，方腔侧壁为中空结构，侧壁内板上设置有透气孔，吸风扇通过进气管道连接到加热腔，吸风扇通过分支的多根出气管道分别连接到方腔顶侧和四侧中心并与方腔内腔连通，加热制冷腔设置在加热装置外。
优选的，上述加热制冷装置包括安装有半导体制冷模块的加热制冷腔和排气扇，保鲜箱，保鲜箱为中空结构，加热制冷腔通过分支的进气管道连接到保鲜箱的顶部和四侧壁板空腔内，进气管道上安装有排气扇，保鲜箱四侧内壁设置有冷气孔，加热制冷腔设置在加热装置外。
优选的，上述温度传感器采用6个，分别布置在保鲜箱左内壁面右下角、左内壁面左上角、右内壁面右下角、右内壁面左上角、隔板构成的存放货架一内侧底部中心和隔板构成的存放货架二内侧底部中心。
本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型的百香果储藏模拟实验装置能实现百香果的精确升降温模拟，跟随环境温度模拟，调节内部温度变化，实现百香果的最佳温度储藏，储藏效果更好，模拟实验数据精确。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型的控制结构示意图；
图3为温度传感器布置示意图；
图4为PID控制流程图；
图5为主控制器电路图；
图6为时钟电路图；
图7为复位电路图；
图8为电源模块及USB自动下载模块电路图；
图9为温度传感器电路图；
图10为LCD显示模块电路图；
图11为CHQB电路连接图；
图12为加热制冷驱动模块电路连接图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图12所示，一种百香果储藏模拟实验装置，包括保鲜箱1、温度传感器2、环境加热装置3和加热制冷装置6，温度传感器2安装在保鲜箱1内，环境加热装置3安装在保鲜箱1外，保鲜箱1内设放置百香果的分层隔板4，相邻分层隔板4之间的保鲜箱1侧壁上安装有探测放置百香果的红外对管5，保鲜箱1顶部安装有加热制冷装置6，如图1所示，保鲜箱 1分为四格，分别为分格①、分格②、分格③和分格④，分格①、分格②、分格③和分格④分别位于左上位置、右上位置、左下位置和右下位置。
优选的，上述红外对管5、温度传感器2、环境加热装置3和加热制冷装置6连接到主控制器，主控制器连接有显示模块。
主控制器为AT89C52控制器是最早被批量生产和运用的微型处理器之一，它带有4K字节闪速存储器(FLASH)、特殊功能寄存器SFR(21个)、片内RAM(128字节片内数据存储器)、32个I/O口线、两个16位定时/计数器(皆有四种工作方式)、5个中断结构等，除此之外，其还是一种工作电压低、拥有运算性能较高的CMOS接口的8位微型处理器，一般称之为51单片机，如图5所示。
控制器连接的时钟/复位电路：外部时钟利用两个外接22pF电容配合外部 12M晶体振荡器产生标准的时钟脉冲信号，后将此电路连接到XTAL1、 XTAL2端，构成外部时钟源。其中两个电容主要作用是微调频率。复位电路采用按键复位电路，由复位按键、10uF极间电容、10kΩ电阻构成。具体电路图如图6-7所示。
主控制器连接的电源模块及USB自动下载模块：控制电路的电源模块设计为两种供电方式。一是外部电源(+5V直流)供电，二是利用USB接口自带的+5V电压供电。在本实验过程中，出于便捷、经济的考虑，不另设外部 +5V电源，直接从USB接口提取+5V电压，经简单的稳压滤波后，直接对系统控制电路供电。而系统的加热制冷电路由于功率较大，则电源直接使用 12V/6A电源适配器供电。USB自动下载模块选用CH340芯片。数据经下载软件，通过USB传输到CH340芯片，CH340通过自动复位电路，擦除AT89C52 中的程序，之后再将传输的数据写到单片机中，完成自动下载功能。电源模块及USB自动下载模块电路如图8所示：
温度传感器选择：温度传感器选用DS18B20进行储藏室温度检测。 DS18B20是一款改进数字型智能温度传感器，检测的温度数据为离散化数据 (即数字信号)，能够直接传输到主控制器，不做其他处理就能进行数据通讯，且其数据传输只占用一个I/O口即可，相对于AD转换测温电路，不仅I/O 占用少，同时也减轻了单片机的运算负荷，使得单片机能够更加稳定工作；此外，其精度较高，足以达到该升降温系统的精度要求，经济成本也非常低廉。DS18B20电路接线图，如图9所示。
显示模块选用LCD1602作为显示器。LCD1602能够显示两行字符，共 32个字符，在本升降温系统中，显示数据有升降温梯度和实时温度值，对于 LCD1602是毫无压力的。并且LCD1602编程控制简单、显示界面友好、功耗低、体积小、技术应用成熟，因此选择其为该系统的显示模块，连接方式使用直接控制方式(即数据引脚与控制引脚直接与单片机I/O口连接)。LCD1602 电路连接图如图10所示。
红外对管选用鼻梁型CHQB红外接收头和配套遥控器组成。CHQB属常规鼻梁型外观，外表光滑美观，具有红外穿透性良好、接收灵敏度高的特点。且该红外接收头采用了德国ATA系列芯片压膜工艺封装，使芯片的兼容性更强，反映速度更快、更稳定，此外采用压膜工艺封装能够更有效的节制外界的光线和电气影响。CHQB电路连接图如图11所示。
其实半导体制冷片可以通过相线反接，热面变冷面、冷面变热面，从而达到加热片的效果，但其对散热要求极为严苛，稍有不慎便有烧毁的风险，因此加热制冷装置采用独立的加热模块和制冷模块，加热模块中加热片型号选择XH-RE4040-15V50W半导体陶瓷加热片，制冷模块中制冷半导体片选用 TEC1-12706半导体制冷片，加热制冷驱动模块由于该升降温系统注重控制，且设计时间有限，因此加热制冷驱动模块选择成熟的直流电机驱动模块。其中加热片、制冷片选用大功率H桥/双路驱动模块控制供电，而散热风扇、送风风扇使用L298N驱动模块控制供电。具体驱动电路如图12所示。
优选的，上述环境加热装置3包括方腔7、吸风扇8和加热腔9，方腔7 内部四侧和顶部内侧相距保鲜箱1距离相等，方腔7侧壁为中空结构，侧壁内板上设置有透气孔10，吸风扇8通过进气管道连接到加热腔9，吸风扇8 通过分支的多根出气管道分别连接到方腔7顶侧和四侧中心并与方腔内腔连通，加热制冷腔11设置在加热装置3外，加热腔9设置有进气口，加热腔9 内安装有加热丝或半导体加热片，通过中空结构的方腔，将热量均匀送入到方腔内部对保鲜箱进行加热模拟，温度加热均匀，模拟更精确。
优选的，上述加热制冷装置6包括安装有半导体制冷模块的加热制冷腔 11和排气扇12，保鲜箱1为中空结构，加热制冷腔11通过分支的进气管道连接到保鲜箱1的顶部和四侧壁板空腔内，进气管道上安装有排气扇12，保鲜箱1四侧内壁设置有冷气孔13，加热制冷腔11设置在加热装置3外，加热制冷腔11设置有进气口，加热制冷腔11内安装有半导体陶瓷加热片和半导体制冷片，能够实现加热或制冷，采用中空结构的保鲜箱进行均衡进气，加热制冷更加均匀，避免局部温度过高或过低造成的温度控制不均。
优选的，上述温度传感器2采用6个，分别布置在保鲜箱1左内壁面右下角、左内壁面左上角、右内壁面右下角、右内壁面左上角、隔板构成的存放货架一(分格①)内侧底部中心和隔板构成的存放货架二(分格②)内侧底部中心，如图3，该位置的布置能够更好反映出温度均衡测量，避免温度过高或过低造成的温度不易控制。
实施例2：一种百香果储藏模拟实验装置的实验方法，该方法为：设定保鲜温度值或百香果出仓温度值，测得6个温度传感器的测温值，通过红外对管探测隔板上是否有百香果货物存在，按权重公式计算空间分布温度平均值 P，P的单位为℃，计算后根据空间分布温度平均值P采用梯度升降温方式进行温度控制。
优选的，上述空间分布温度平均值P计算方法为：6个温度传感器的测温值的温度值分别为X1、X2、X3、X4、X5、X6，设Y为布置在百香果货架上的温度传感器测量后乘权重后的温度值，P的单位为℃，Y0为空间中非百香果货架上温度传感器测量后传感器乘权重后的温度值，P的单位为℃，T为温度补偿算子，P的单位为℃，则：
温度权重计算公式为：
P＝Y0+Y+T (4)
公式中，Ai为权重系数；经过对如图1所示的模拟实验装置测试后，权重系数A1—A4为1/10；A5为2/10；A6为4/10较好；
P为按照设计的权重公式计算出来的空间分布温度平均值；
Ai为第一个权重系数，经过对如图1所示的模拟实验装置测试后，权重系数A1—A4为1/10较好；
Aj为第二个权重系数，经过对如图1所示的本模拟实验装置测试后，权重系数A5为2/10；A6为4/10较好；
Bj为第三个权重系数，经过对如图1所示的本模拟实验装置测试后，Bj为1/10较好；
n为安装在保鲜箱内非货架分层隔板上的温度传感器的数量，此处为4；
m为全部温度传感器数量，此处为6；
j＝n+1；
Xi为对应温度传感器测量温度，P的单位为℃；
Xj为对应温度传感器测量温度，P的单位为℃；
xj为权重系数准允值，值为0或1；当检测到某个红外对管的输出引脚电平为0时，即存在百香果货物，则xj将置为1，相应的权重系数Aj就起作用，权重Bj不生效；当检测到某个红外对管的输出引脚电平为1时，即不存在百香果货物，则xj将置为0，相应的权重系数Bj就起作用；
若P大于上限值或小于下限值，进行告警提醒。
梯度升降温方式为：启动升温出仓方式：当温度小于设定值时，进行升温，每次升温梯度为5-7摄氏度，升温时，间隔一段时间判断6个温度值的加权平均是否达升温梯度值加上初始值，若达到，保持一定时间的恒温值后，再次升温；若没达到，继续升温。递增梯度升温，直到上升温度达到设定值时，停止升温，通过控制温度升温后，将百香果出仓转到货车过程中，避免取出时碰到外界温度过高(温度差过大)发生凝露，从而影响百香果的保鲜寿命；降温储藏方式同升温出仓方式相同，只是方向相反。该方式的梯度升降温方式，能够精确控制百香果的保鲜和出仓，避免果皮结霜，梯度升降温方式采用改进型PID控制，便于精准地实现分阶段梯度控制温度变化；又因模拟实验装置执行机构(加热、制冷设备)是不带积分部件的对象PID选用位置式PID，即使用当前系统的实际位置和期望位置的偏差进行PID控制，如图4所示，软件处理流程第一步为系统初始化，其中包括红外初始化、定时器初始化、LCD初始化、18B20初始化及PID初始化，LCD固定数据显示；第二步为PID参数设置、定时器实时温度显示、温度*100转换；第三步为等待接收红外信号，接收到遥控发出的红外信号，根据接收到的解码键值，给定升降温梯度，并进行梯度升温或是降温，直至达到设定温度，若是降温，在达到设定温度后，系统继续进行恒温6℃PID控制，为百香果提供储藏条件。
PID控制连续表达式如下：
其中：Kp是比例系数；e(t)是误差；Ti是积分周期；Td是微分周期。
由于计算机是处理数字信号的，则需要将连续信号进行离散化，离散表达式如下:
一般写为如下形式：
其中：
为积分系数；
为微分系数。
代码如下：
梯度降温、恒温6℃PID控制及温度判稳函数
void c_stable(void)//梯度降温、恒温6℃PID控制及温度判稳函数
{EN2＝1；DIR2＝1；//制冷信号
IN3＝1；IN4＝0；//制冷风扇运行
flog＝1；
for(f＝1；temp_m1>6&&flog＝＝1；f++)//降温到6.5摄氏度停止
{flag＝0；
T＝temp_m-set_g*f；//100倍温度设定值
d_value＝temp_m-T；
temp_PID.SetPoint＝T；
if(d_value>150)
{PWM＝PWM_MAX；}
else
{PWM_I＝pid_calc(&temp_PID,temp_m)；
PWM＝PWM_I；
if(PWM>＝PWM_MAX)PWM＝PWM_MAX；
else if(PWM<＝PWM_MIN)PWM＝PWM_MIN；
PWM2＝PWM；}
for(cou1＝0；cou1<500；)//判断温度是否稳定
{for(g＝0；g<2；g++)//两次到达设定温度
{temp_m1＝T；}
if(Error>＝5&&Error<＝10)
{cou1++；}
if(cou1>480)
{flog＝1；}
}
}
if(temp_m1<＝6)//温度小于等6℃时，进行恒温控制
{
temp_PID.SetPoint＝600；
PWM_I＝pid_calc(&temp_PID,temp_m)；
PWM＝PWM_I；
if(PWM>＝PWM_MAX)PWM＝PWM_MAX；
else if(PWM<＝PWM_MIN)PWM＝PWM_MIN；
PWM2＝PWM；
}
}。
上述温度控制方法能够实现梯度升降温对百香果进行储藏，以及梯度升温出仓，有效防止夏季转运过程中水果表面冷凝水珠，缩短水果储藏时间。并能通过多点温度分布测量及权重计算，更好的反映储藏室内温度，利于控制，通过梯度升降温，避免储藏室温度骤降或骤升，减少储藏室水蒸气在水果表面冷凝为水珠，有效地预防微生物生长繁衍，避免水果表皮因浸染而整体引起腐烂变质，从而到达较好的储藏效果，储藏周期更长。
以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种百香果储藏模拟实验装置，其特征在于：包括保鲜箱（1）、温度传感器（2）、环境加热装置（3）和加热制冷装置（6），温度传感器（2）安装在保鲜箱（1）内，环境加热装置（3）安装在保鲜箱（1）外，保鲜箱（1）内设放置百香果的分层隔板（4），相邻分层隔板（4）之间的保鲜箱（1）侧壁上安装有探测放置百香果的红外对管（5），保鲜箱（1）顶部安装有加热制冷装置（6）。
2.根据权利要求1所述的一种百香果储藏模拟实验装置，其特征在于：红外对管（5）、温度传感器（2）、环境加热装置（3）和加热制冷装置（6）连接到主控制器，主控制器连接有显示模块。
3.根据权利要求1所述的一种百香果储藏模拟实验装置，其特征在于：环境加热装置（3）包括方腔（7）、吸风扇（8）和加热腔（9），方腔（7）内部四侧和顶部内侧相距保鲜箱（1）距离相等，方腔（7）侧壁为中空结构，侧壁内板上设置有透气孔（10），吸风扇（8）通过进气管道连接到加热腔（9），吸风扇（8）通过分支的多根出气管道分别连接到方腔（7）顶侧和四侧中心并与方腔（7）内腔连通，加热腔（9）内安装有加热元件。
4.根据权利要求1所述的一种百香果储藏模拟实验装置，其特征在于：加热制冷装置（6）包括安装有半导体制冷模块的加热制冷腔（11）和排气扇（12），保鲜箱（1）为中空结构，加热制冷腔（11）通过分支的进气管道连接到保鲜箱（1）的顶部和四侧壁板空腔内，进气管道上安装有排气扇（12），保鲜箱（1）四侧内壁设置有冷气孔（13），加热制冷腔（11）设置在加热装置（3）外。
5.根据权利要求1所述的一种百香果储藏模拟实验装置，其特征在于：温度传感器（2）采用6个，分别布置在保鲜箱（1）左内壁面右下角、左内壁面左上角、右内壁面右下角、右内壁面左上角、隔板构成的存放货架一内侧底部中心和隔板构成的存放货架二内侧底部中心。
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|---|---|---|---|---|
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2020
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN114096014A (zh) * | 2021-11-23 | 2022-02-25 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种电路板高低温故障加热温控仪设备 |
| CN114096014B (zh) * | 2021-11-23 | 2024-03-19 | 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 | 一种电路板高低温故障加热温控仪设备 |
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