微波加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)_圖文

1、生命科學(xué)儀器第卷月刊技術(shù)與應(yīng)用微波加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)張林（江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系）摘要本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的微波加熱器溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要闡述構(gòu)成該系統(tǒng)的基本原理、硬件電路組成以及相應(yīng)的系統(tǒng)仿真。關(guān)鍵詞微波加熱器溫度控制模糊硬件及軟件設(shè)計(jì)引言微波加熱作為一種工業(yè)上的處理技術(shù)早在六十多年前就產(chǎn)生了。微波對(duì)物質(zhì)的加熱是從物質(zhì)分子出發(fā)的，又稱“內(nèi)加熱”而傳統(tǒng)的加熱則是靠熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流來實(shí)現(xiàn)的，因此加熱速度比較慢。在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域普遍采用的微波進(jìn)行加熱藥品或者其他的溶液試劑，但是普通的加熱設(shè)備存在著熱轉(zhuǎn)換效率低，加熱時(shí)間長，實(shí)時(shí)性差，安全隱患不能得到良好的保障等缺點(diǎn)

2、。本論文目的在于研制一種微波恒溫加熱設(shè)備，利用紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，利用單片機(jī)調(diào)用模糊自整定算法對(duì)加熱器溫度進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)溫度的恒溫控制。紅外傳感器的探頭就不會(huì)受到微波的輻射。因而該紅外溫度傳感器采集的溫度比較接近物體本身的溫度，誤差比較小。本系統(tǒng)溫度控制主要是單片機(jī)，本人采用的是一款單片機(jī)開發(fā)板。圖是該溫度控制系統(tǒng)硬件組成，紅外溫度傳感器型號(hào)是，測(cè)溫范圍：，信號(hào)輸出：，用來測(cè)被加熱物體的溫度。溫度傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器與鍵盤輸入的實(shí)際值進(jìn)行比較，然后通過單片機(jī)調(diào)用智能子程序。溫度信號(hào)經(jīng)過處理的信號(hào)通過單片機(jī)輸出，該信號(hào)也就是可控硅的觸發(fā)脈沖。通過可控硅觸發(fā)器可以控制磁控管的占空比，

3、實(shí)現(xiàn)微波加熱器的功率調(diào)節(jié)以達(dá)到溫度的恒溫控制。圖可控硅控制系統(tǒng)電路原理圖，用模糊算法得出的數(shù)字控制量由單片機(jī)的輸入到的第四管腳進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，數(shù)模轉(zhuǎn)換得出模擬控制量由的管腳輸入到的管腳，經(jīng)過芯片的信號(hào)出來后，得出有控制量的對(duì)應(yīng)的占空比信號(hào)，該信號(hào)由的第管腳輸出，占空比脈沖信號(hào)可以驅(qū)動(dòng)的過零觸發(fā)，通過可控硅的控制，負(fù)載即是系統(tǒng)磁控管，整個(gè)加熱電路就按照控制信號(hào)發(fā)出的占空比進(jìn)行加熱，加熱功率就按照占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到溫度的自動(dòng)控制。硬件組成本系統(tǒng)微波加熱器的設(shè)計(jì)原理和普通微波爐相似，微波發(fā)生元件是工作頻率為的連續(xù)磁控管。微波加熱器的功率通過可控硅觸發(fā)器調(diào)節(jié)磁控管的占空比來實(shí)現(xiàn)輸入功率的改變。加熱器實(shí)

4、際是一個(gè)多模的微波諧振腔，由磁控管產(chǎn)生的微波能量經(jīng)過波導(dǎo)傳輸?shù)郊訜崆?，電磁波在腔?nèi)多次反射疊加形成駐波場。通過理論推導(dǎo)諧振模式越多，物體加熱的均勻行越好，本人設(shè)計(jì)一個(gè)比較合理的加熱腔內(nèi)腔的尺寸，約為的容量。本系統(tǒng)的溫度采集采用紅外溫度傳感器，因?yàn)榧t外溫度傳感器是免接觸的，可以保證加熱的藥品不被污染，而且不會(huì)破壞系統(tǒng)的溫度場。紅外溫度傳感器的嵌入探頭點(diǎn)應(yīng)該設(shè)計(jì)在微波場的節(jié)點(diǎn)處，也就是此點(diǎn)的微波能量最小，所以嵌入的軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是是基于單片機(jī)控制的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要靠正確的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序的驅(qū)動(dòng)。隨著單片機(jī)硬件性能的提高，工作速度越來越快，因此在編寫單片機(jī)系統(tǒng)程序時(shí)，更著重程作

5、者簡介：張林（），女，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、人工智能、圖像處理；聯(lián)系地址：江蘇省淮安市高教園區(qū)枚乘路號(hào)江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系張林單位：江蘇食品職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系郵編：電話：技術(shù)與應(yīng)用生命科學(xué)儀器第卷月刊整個(gè)加熱系統(tǒng)軟件部分主要可分為幾個(gè)部分：鍵盤模塊、采樣模塊、計(jì)算模塊、模糊模塊、調(diào)功模塊。鍵盤模塊用來設(shè)定加熱溫度值，采樣位數(shù)碼管顯示，溫度值設(shè)定值的范圍是：。通過計(jì)數(shù)器設(shè)定采樣周期，通過轉(zhuǎn)換進(jìn)行采樣。每次采用結(jié)束后，我們都進(jìn)行一個(gè)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)程序，整個(gè)過程通過定時(shí)器中斷產(chǎn)生。采樣模塊包括數(shù)字濾波和溫度顯示兩個(gè)程序。溫度傳感器內(nèi)部雖圖溫度控制系統(tǒng)硬件組成然已經(jīng)集成了硬件濾波

6、電路，為了防止噪聲干擾可以進(jìn)行簡單數(shù)字濾波程序，軟件濾波程序編寫簡單很容易實(shí)現(xiàn)。濾波程序采用一個(gè)周期連續(xù)采樣次，去掉最大值和最小值，然后取平均值的方法。計(jì)算模塊主要用來計(jì)算設(shè)定加熱溫度對(duì)應(yīng)的電壓值，然后與采樣的電壓值進(jìn)行比較，得出偏差信號(hào)。此偏差信號(hào)就是系統(tǒng)的控制量。圖可控硅控制系統(tǒng)電路原理圖模糊自整定控制系統(tǒng)仿真控制的關(guān)鍵是確定參數(shù)，該方法是用模糊控制來確定參數(shù)的，也就是根據(jù)系統(tǒng)偏差和偏差變化率，用模糊控制規(guī)則在線對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改。其實(shí)現(xiàn)思想是先找出各個(gè)參數(shù)與偏差和偏差 變化率之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè) 和，在根據(jù)模糊控制原理來對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足在不同 和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不

7、同要求，使控制對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，且計(jì)算量小，易于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用軟件工具對(duì)模糊算法進(jìn)行仿真分析。仿真框圖如圖所示：序本身的編寫效率。已成為目前最流行的開發(fā)單片機(jī)的軟件工具。是德國公司出品系列兼容單片機(jī)語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。軟件提供的庫函數(shù)和功能強(qiáng)調(diào)的集成開發(fā)調(diào) 試工具，是全界面，編寫程序及調(diào)試都很方便。圖主控軟件程序流程圖圖微波加熱器模糊自整定控制仿真框圖圖 表示一個(gè)控制周期內(nèi)，軟件系統(tǒng)的主控程序流程。由于整個(gè)系統(tǒng)軟件相當(dāng)龐大，為了便于編寫、調(diào)試、修改和增刪，整個(gè)程序的編制采用了模塊化的設(shè)計(jì)。即整個(gè)控制軟件由許多獨(dú)立的小模塊組成，它們之間通過程序調(diào)用進(jìn)行連接。系統(tǒng)軟件主要由采用模

8、塊、鍵盤模塊數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊、和模塊等模塊組成。本論文將模糊自整定控制和控制的抗干擾能力進(jìn)行了分析比較。仿真結(jié)果如圖所示，其中（）為模糊自整定控制和控制在處加一個(gè)寬度為、幅值為的干擾時(shí)的變化曲線；（）為在處加一個(gè)寬度為幅值為的干擾的變化曲線。生命科學(xué)儀器第卷月刊技術(shù)與應(yīng)用通過上面的兩幅圖可以看出，與控制相比，模糊自整定控制受到干擾的引起的變化較小，采用模糊自整定控制可是使系統(tǒng)具有更好的抗干擾能力。，張兆鏜，鐘若青微波加熱技術(shù)基礎(chǔ)北京：電子工業(yè)出版社，：，（）：王世杰，隋修武，張立儒等微波治療機(jī)中的測(cè)溫與控溫技術(shù)研究儀器儀表學(xué)報(bào)，（）：曹曄微波場測(cè)溫方法自動(dòng)化儀表，（）：，（）：，（）：任偉，趙家升電磁場與微波技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，閆麗萍，馬進(jìn)明等微波爐功率、均勻性及安全性的測(cè)定中微波學(xué)報(bào)，（）：，（）：，（）：毛義梅，羅海福，張晶一種參數(shù)模糊自整定控制器的設(shè)計(jì)與仿真自動(dòng)化與儀表，（）：（）（）圖模糊自整定控制和控制在干擾信號(hào)下的比較結(jié)束語溫度是衡量加熱效能的重要參數(shù)，因此具有溫度自動(dòng)控制功能的微波加熱器設(shè)計(jì)與開發(fā)有著廣闊的應(yīng)用前景，可以滿足生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)室科研等有關(guān)恒溫加熱要求。與傳統(tǒng)的控制相比，模糊自整定控制算法具有調(diào)節(jié)時(shí)間短