微波加熱器溫度自動控制系統(tǒng)的研究與設計_圖文

1、生命科學儀器第卷月刊技術與應用微波加熱器溫度自動控制系統(tǒng)的研究與設計張林（江蘇食品職業(yè)技術學院機電工程系）摘要本文設計了一種基于單片機控制的微波加熱器溫度自動控制系統(tǒng)，主要闡述構成該系統(tǒng)的基本原理、硬件電路組成以及相應的系統(tǒng)仿真。關鍵詞微波加熱器溫度控制模糊硬件及軟件設計引言微波加熱作為一種工業(yè)上的處理技術早在六十多年前就產生了。微波對物質的加熱是從物質分子出發(fā)的，又稱“內加熱”而傳統(tǒng)的加熱則是靠熱傳導和熱對流來實現(xiàn)的，因此加熱速度比較慢。在生物醫(yī)學工程領域普遍采用的微波進行加熱藥品或者其他的溶液試劑，但是普通的加熱設備存在著熱轉換效率低，加熱時間長，實時性差，安全隱患不能得到良好的保障等缺點

2、。本論文目的在于研制一種微波恒溫加熱設備，利用紅外溫度傳感器進行溫度采集，利用單片機調用模糊自整定算法對加熱器溫度進行處理，以實現(xiàn)溫度的恒溫控制。紅外傳感器的探頭就不會受到微波的輻射。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，本人采用的是一款單片機開發(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是，測溫范圍：，信號輸出：，用來測被加熱物體的溫度。溫度傳感器輸出信號經過轉換器與鍵盤輸入的實際值進行比較，然后通過單片機調用智能子程序。溫度信號經過處理的信號通過單片機輸出，該信號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、實現(xiàn)微波加熱器的功率調節(jié)以達到溫度的恒溫控制。圖可控硅控制系統(tǒng)電路原理圖，用模糊算法得出的數(shù)字控制量由單片機的輸入到的第四管腳進行數(shù)模轉換，數(shù)模轉換得出模擬控制量由的管腳輸入到的管腳，經過芯片的信號出來后，得出有控制量的對應的占空比信號，該信號由的第管腳輸出，占空比脈沖信號可以驅動的過零觸發(fā)，通過可控硅的控制，負載即是系統(tǒng)磁控管，整個加熱電路就按照控制信號發(fā)出的占空比進行加熱，加熱功率就按照占空比進行調節(jié)，達到溫度的自動控制。硬件組成本系統(tǒng)微波加熱器的設計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)器調節(jié)磁控管的占空比來實現(xiàn)輸入功率的改變。加熱器實

4、際是一個多模的微波諧振腔，由磁控管產生的微波能量經過波導傳輸?shù)郊訜崆?，電磁波在腔內多次反射疊加形成駐波場。通過理論推導諧振模式越多，物體加熱的均勻行越好，本人設計一個比較合理的加熱腔內腔的尺寸，約為的容量。本系統(tǒng)的溫度采集采用紅外溫度傳感器，因為紅外溫度傳感器是免接觸的，可以保證加熱的藥品不被污染，而且不會破壞系統(tǒng)的溫度場。紅外溫度傳感器的嵌入探頭點應該設計在微波場的節(jié)點處，也就是此點的微波能量最小，所以嵌入的軟件設計本系統(tǒng)是是基于單片機控制的閉環(huán)負反饋系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的實現(xiàn)要靠正確的硬件電路設計和軟件程序的驅動。隨著單片機硬件性能的提高，工作速度越來越快，因此在編寫單片機系統(tǒng)程序時，更著重程作

5、者簡介：張林（），女，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(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)枚乘路號江蘇食品職業(yè)技術學院機電工程系張林單位：江蘇食品職業(yè)技術學院機電工程系郵編：電話：技術與應用生命科學儀器第卷月刊整個加熱系統(tǒng)軟件部分主要可分為幾個部分：鍵盤模塊、采樣模塊、計算模塊、模糊模塊、調功模塊。鍵盤模塊用來設定加熱溫度值，采樣位數(shù)碼管顯示，溫度值設定值的范圍是：。通過計數(shù)器設定采樣周期，通過轉換進行采樣。每次采用結束后，我們都進行一個適當?shù)难訒r程序，整個過程通過定時器中斷產生。采樣模塊包括數(shù)字濾波和溫度顯示兩個程序。溫度傳感器內部雖圖溫度控制系統(tǒng)硬件組成然已經集成了硬件濾波

6、電路，為了防止噪聲干擾可以進行簡單數(shù)字濾波程序，軟件濾波程序編寫簡單很容易實現(xiàn)。濾波程序采用一個周期連續(xù)采樣次，去掉最大值和最小值，然后取平均值的方法。計算模塊主要用來計算設定加熱溫度對應的電壓值，然后與采樣的電壓值進行比較，得出偏差信號。此偏差信號就是系統(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，也就是根據系統(tǒng)偏差和偏差變化率，用模糊控制規(guī)則在線對參數(shù)進行修改。其實現(xiàn)思想是先找出各個參數(shù)與偏差和偏差 變化率之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測 和，在根據模糊控制原理來對各個參數(shù)進行在線修改，以滿足在不同 和時對控制參數(shù)的不

7、同要求，使控制對象具有良好的動、靜態(tài)性能，且計算量小，易于用單片機實現(xiàn)。本系統(tǒng)采用軟件工具對模糊算法進行仿真分析。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)單片機的軟件工具。是德國公司出品系列兼容單片機語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。軟件提供的庫函數(shù)和功能強調的集成開發(fā)調 試工具，是全界面，編寫程序及調試都很方便。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 表示一個控制周期內，軟件系統(tǒng)的主控程序流程。由于整個系統(tǒng)軟件相當龐大，為了便于編寫、調試、修改和增刪，整個程序的編制采用了模塊化的設計。即整個控制軟件由許多獨立的小模塊組成，它們之間通過程序調用進行連接。系統(tǒng)軟件主要由采用模

8、塊、鍵盤模塊數(shù)學運算模塊、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行了分析比較。仿真結果如圖所示，其中（）為模糊自整定控制和控制在處加一個寬度為、幅值為的干擾時的變化曲線；（）為在處加一個寬度為幅值為的干擾的變化曲線。生命科學儀器第卷月刊技術與應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基礎北京：電子工業(yè)出版社，：，（）：王世杰，隋修武，張立儒等微波治療機中的測溫與控溫技術研究儀器儀表學報，（）：曹曄微波場測溫方法自動化儀表，（）：，（）：，（）：任偉，趙家升電磁場與微波技術北京：電子工業(yè)出版社，閆麗萍，馬進明等微波爐功率、均勻性及安全性的測定中微波學報，（）：，（）：，（）：毛義梅，羅海福，張晶一種參數(shù)模糊自整定控制器的設計與仿真自動化與儀表，（）：（）（）圖模糊自整定控制和控制在干擾信號下的比較結束語溫度是衡量加熱效能的重要參數(shù)，因此具有溫度自動控制功能的微波加熱器設計與開發(fā)有著廣闊的應用前景，可以滿足生物醫(yī)學工程領域，實驗室科研等有關恒溫加熱要求。與傳統(tǒng)的控制相比，模糊自整定控制算法具有調節(jié)時間短