摘要：為了能滿足酒店餐飲業(yè)對冷凍食品進(jìn)行快速解凍的要求，設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)紅外低溫解凍裝置。該裝置采用遠(yuǎn)紅外輻射的方法解凍食品，控制系統(tǒng)基于STM32F103VET6，通過溫度傳感器采集控制信號自動控制解凍箱體的溫度、濕度和解凍時間。經(jīng)過解凍豬肉實(shí)驗(yàn)證明裝置的快速解凍模式解凍速度較快，低速和常規(guī)解凍模式解凍速度稍慢但解凍后豬肉的品質(zhì)更好，用戶可根據(jù)需要選擇不同的解凍模式。裝置能滿足不同用戶的需求，具有較高的市場推廣價值。

　　關(guān)鍵詞: 解凍裝置；遠(yuǎn)紅外輻射；解凍模式；STM32F103VET6微控制器；溫度傳感器

　　在當(dāng)今社會，冷凍食品扮演著非常重要的角色，冷凍食品的最終質(zhì)量，不僅與冷凍技術(shù)息息相關(guān)，也取決于解凍技術(shù)。酒店餐飲行業(yè)必須根據(jù)不同顧客在不同的時間里提出的飲食要求，對冷凍食品進(jìn)行快速解凍。解凍是使凍結(jié)物料融解恢復(fù)到凍結(jié)前的新鮮狀態(tài)，肉的解凍過程實(shí)際上是凍結(jié)肉中形成的冰晶融解成水的過程。目前解凍肉的方法有很多種，解凍過程中冰晶體大小與分布及汁液流失均會對肉品品質(zhì)產(chǎn)生直接影響，如色澤劣變、風(fēng)味下降、脫水、脂肪氧化、蛋白降解及變性等。在品質(zhì)要求方面，消費(fèi)者要求冷凍肉在解凍過程中最大限度地保持住原有的品質(zhì)、口感和營養(yǎng)成分等。因此，對冷凍肉類食品快速解凍的研究有著重要的意義。

　　本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外低溫解凍裝置，通過采集溫度、濕度信息，控制解凍過程，解凍速度快，質(zhì)量高，操作方便，成本低，具有較高的市場推廣價值。

　　所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外低溫解凍裝置的尺寸為800mm×760mm×900mm，主要由箱體、控制系統(tǒng)、測溫測濕模塊、遠(yuǎn)紅外線發(fā)生管、加濕模塊和制冷模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

　　本產(chǎn)品主要針對中小型酒店和餐館，根據(jù)用戶的需求，設(shè)計(jì)解凍裝置的解凍時間；20～30min；控制溫度:20～40℃；相對濕度:70%～90%；解凍能力:0～5kg。

　　解凍箱體內(nèi)部采用耐腐蝕和防銹蝕的材料，防止解凍的食品被污染。解凍架是相對一個獨(dú)立的整體，可單獨(dú)拆卸；遠(yuǎn)紅外線發(fā)生管選用碳素黑絲紅外線石英光波發(fā)熱管，每根功率為300W；溫度傳感器采用DS18B20，測溫范圍為－55～125℃，用于測量解凍食品表面和中心溫度；測量解凍箱體空間溫濕度，選用AM2302溫濕度傳感器，相對濕度測量范圍為0～99.9%，測溫范圍為－40～80℃；控制系統(tǒng)以STM32F103VET6為核心，通過采集溫度、濕度等信息，控制解凍裝置的解凍過程。

　　1.3.1  解凍裝置母體和制冷模塊

　　解凍裝置以青島宏泰良正電器有限公司生產(chǎn)的TD900FL冷凍柜作為解凍母體，并進(jìn)行相應(yīng)的改裝。首先將出風(fēng)口移至箱體的頂板位置，使冷風(fēng)可以由上而下直接吹到食品表面，降溫效果更好；同時將鼓吹冷風(fēng)的風(fēng)扇換成轉(zhuǎn)速更快的型號。膨脹閥、冷凝器、壓縮機(jī)保持不變，制冷模塊的工作過程由控制器來控制。

　　1.3.2  遠(yuǎn)紅外發(fā)生裝置

　　遠(yuǎn)紅外線的傳導(dǎo)方式為輻射型，不需要空氣或水作介質(zhì)。食品等有機(jī)物質(zhì)由分子構(gòu)成，具有固有的振動頻率，當(dāng)振動頻率與放射的紅外線振動頻率一致時，食品分子由于共振產(chǎn)生更多的摩擦熱。大部分食品對2～25μm波長的紅外線吸收效果比較明顯，熱效應(yīng)大。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，最終選用連云港元祥電器公司碳素黑絲紅外線石英光波發(fā)熱管(簡稱紅外管)，功率300W，能產(chǎn)生波長約12μm的遠(yuǎn)紅外線，工作電壓220V，管徑12mm，管總長400mm。圓管選用優(yōu)級石英管，具有耐高低溫、防水防爆和耐酸堿等屬性，能夠滿足解凍過程高溫、潮濕的惡劣環(huán)境。在解凍箱體內(nèi)兩側(cè)平行放置3對紅外管，并且與控制器連接，由控制器通過溫度傳感器采集的溫度信號控制紅外管的工作時間。

　　1.3.3  加濕模塊

　　加濕裝置的尺寸為460mm×430mm×150mm，主要由水箱、噴氣模塊和成霧模塊等構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　解凍裝置的加濕模塊核心部件為深圳富銀公司的6頭超聲波霧化器，產(chǎn)品參數(shù)如表1 所示。霧化器固定放置在導(dǎo)向槽內(nèi)，打開水箱蓋可以給水箱加水；起霧最佳水位通過水位窺視玻璃人工控制，噴氣嘴與導(dǎo)向槽固定聯(lián)接，并且出氣口朝上；氣泵通過橡膠管與噴氣嘴聯(lián)接，當(dāng)氣泵工作的時候，噴氣嘴產(chǎn)生的強(qiáng)大上噴氣流可以將霧化器產(chǎn)生的霧氣帶到更高的位置，使整個解凍空間的加濕效果比較均勻。左側(cè)隔斷室與水箱里的水隔絕，氣泵通過氣泵安裝架與水箱固定聯(lián)接。為了減少震動，氣泵安裝架與水箱之間加一層軟膠墊。為了對稱美觀，右側(cè)隔斷室與水箱之間聯(lián)通。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)霧化器工作過程會產(chǎn)生水柱，裝置在出霧口的位置設(shè)計(jì)了壓水網(wǎng)，網(wǎng)孔細(xì)密，可以阻擋大部分水柱從水箱里面濺出，但又不會影響水霧的產(chǎn)生量。裝置的加濕效果明顯，而且生產(chǎn)成本低，在設(shè)計(jì)上具有原創(chuàng)性，是加濕裝置中的一種創(chuàng)新。

表1  霧化器產(chǎn)品參數(shù)

　　1.3.4  測溫測濕模塊

　　為監(jiān)測遠(yuǎn)紅外低溫解凍裝置解凍空間的溫濕度，選用AM2302溫濕度傳感器測量解凍箱體空間溫濕度。AM2302溫濕度傳感器內(nèi)部集成數(shù)字模塊與溫濕度傳感模塊，產(chǎn)品穩(wěn)定性高、響應(yīng)能力快、抗干擾能力強(qiáng)。

　　設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器監(jiān)測解凍食品的表面溫度和中心溫度。DS18B20的每個引腳都用熱縮管隔離，這樣可以防潮。為了能更方便的監(jiān)測食品的表面溫度和中心溫度，測溫頭的設(shè)計(jì)變得非常重要。設(shè)計(jì)中測溫頭結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.萬向管護(hù)套；2.安裝頭；3.套管；4.測食品內(nèi)部溫度用溫度傳感器；5.自攻釘形式鉆孔工具；6.測食品表面溫度用溫度傳感器。

　　設(shè)計(jì)的測溫頭帶有鉆孔功能，方案設(shè)計(jì)的靈感來自于紅酒開瓶器。圖4中的自攻釘能通過安裝頭上的螺紋相對安裝頭轉(zhuǎn)動，并且可在食品上鉆出一定深度的孔。測溫頭采用合金鋁加工而成，質(zhì)量小，抗腐蝕性強(qiáng)，硬度也滿足要求。兩個溫度傳感器分別安裝在套管底部和安裝頭的底部，自攻釘式鉆孔工具在食品上鉆孔之后旋出，套管插到孔里，兩個溫度傳感器可以分別測量食品中心和表面溫度。

　　1.3.5  控制系統(tǒng)

　　裝置的控制系統(tǒng)是設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)對裝置空間溫濕度，冷凍肉的表面和中心溫度的監(jiān)控，并控制制冷模塊、遠(yuǎn)紅外線發(fā)生管及加濕模塊的工作?？刂葡到y(tǒng)主要由STM32F103VET6微控制器、CH452鍵盤和LCD12864液晶顯示屏組成，電氣原理如圖5所示。電源線入口設(shè)置熔斷器和電源傳輸濾波器，傳感器1和2為DS18B20溫度傳感器，傳感器3為AM2302溫濕度傳感器。由于壓縮機(jī)功率較大，繼電器KA4 為35A/277VAC大功率繼電器，其他為普通傳感器。為了在實(shí)驗(yàn)階段保證各個電氣設(shè)備的安全，均采用熔斷器保護(hù)。

　　圖6所示是控制盒的實(shí)物圖，顯示屏顯示程序設(shè)置主頁面。首先進(jìn)入設(shè)置界面設(shè)置合適的參數(shù)，用戶根據(jù)需要選擇合適的模式，啟動。解凍模式開始以后，制冷系統(tǒng)工作，直到解凍完全結(jié)束；紅外管同時開始工作，當(dāng)空間溫度達(dá)到設(shè)置的最高控制溫度時停止工作，低于最高控制溫度2℃時繼續(xù)工作；加濕裝置在解凍模式啟動的同時開始工作，當(dāng)空間濕度達(dá)到設(shè)置的90%時停止工作，低于70%時繼續(xù)工作。解凍過程中當(dāng)食品中心溫度達(dá)到－2℃，或解凍時間超過30min時，解凍結(jié)束，并報(bào)警。

圖5  電氣原理圖

　　解凍樣本選取品質(zhì)相同的豬肉12 塊，每一塊的尺寸約200mm×180mm×100mm，質(zhì)量為2.5kg。實(shí)驗(yàn)之前豬肉在冷凍柜冷凍2d，肉的中心溫度穩(wěn)定為－15℃。解凍實(shí)驗(yàn)分3組進(jìn)行，每組實(shí)驗(yàn)采用同一種解凍模式并進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)，3種解凍模式的參數(shù)設(shè)置如表2所示，采用雙層解凍架放置解凍樣本。解凍過程中，解凍肉中心溫度每上升1℃，記錄1次解凍的時間，每做完一次實(shí)驗(yàn)，需要關(guān)閉所有設(shè)備，打開裝置的門，使解凍箱體空間溫度降到室溫，然后再進(jìn)行第2次實(shí)驗(yàn)。

表2  解凍模式參數(shù)

　　根據(jù)6 次實(shí)驗(yàn)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7  解凍過程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

　　由圖7可以看出，快速解凍時間約為22 min，低速解凍時間約為25 min，常規(guī)解凍時間約為29min。解凍速度與解凍的最高控制溫度有關(guān)，最高控制溫度越高，解凍速度越快；從解凍的效果來看，最高控制溫度越高，解凍的質(zhì)量略微下降，食品表面也會出現(xiàn)少許的焦化；而選用解凍控制溫度較低的低速或者常規(guī)模式，解凍后豬肉的汁液流失率更少、微生物菌落總數(shù)也大大降低，解凍后豬肉的色澤也更好。

　　筆者設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外低溫解凍裝置，以實(shí)用性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用遠(yuǎn)紅外低溫解凍技術(shù)，控制系統(tǒng)基于STM32F103VET6，通過采集溫度和濕度信息，控制解凍過程。解凍豬肉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最高控制溫度設(shè)置比較高的時候，解凍速度會更快，為了追求解凍速度，可以選擇快速解凍模式；最高控制溫度設(shè)置的較低時，雖然解凍速度稍慢，但是解凍后豬肉的汁液流失率較少、微生物菌落總數(shù)也大大減少，解凍后豬肉的色澤也更好，考慮解凍質(zhì)量的話，可以選擇低速或常規(guī)解凍模式。筆者雖然對3種工作模式都進(jìn)行了一定量的實(shí)驗(yàn)，但是由于時間和條件的限制，很多實(shí)驗(yàn)工作未能充分進(jìn)行。一方面，可以增加實(shí)驗(yàn)樣品種類和數(shù)量，以期達(dá)到更廣泛的適應(yīng)性；另一方面，可以改善實(shí)驗(yàn)條件，以期達(dá)到更精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，減小實(shí)驗(yàn)誤差。隨著研究的進(jìn)一步深入，遠(yuǎn)紅外低溫解凍技術(shù)將得到進(jìn)一步的完善，會對食品解凍領(lǐng)域產(chǎn)生一定的影響。