劉挺

（西安外事學(xué)院工學(xué)院計(jì)算機(jī)系，陜西 西安 710077）

微波加熱器實(shí)際上就是微波電磁場和加熱物料之間的彼此作用，把微波能轉(zhuǎn)換成為熱能的主要裝置，其具備高效性、節(jié)能性、安全性等突出優(yōu)勢，因此得以在各相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域備受青睞[1]。火焰、電熱或者熱風(fēng)等常規(guī)性加熱的主要方式是基于熱傳導(dǎo)理論，通過加熱物體把熱量從外部傳輸?shù)絻?nèi)部，以此促使加熱物體的中心溫度明顯上升。而微波加熱干燥技術(shù)除此之外，還具備一定的加熱快速特性。在工業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)微波爐與傳統(tǒng)烘干爐對比，其烘干效率幾乎超出10 倍，熱效率能夠達(dá)到80%?，F(xiàn)階段，其他烘干爐的熱效率根本不可比擬。而近年來隨著微波加熱技術(shù)的快速更新與發(fā)展，以其節(jié)能環(huán)保與高效安全等特性得以在更多工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用[2]。這就直接證明了微波技術(shù)的發(fā)展前景與趨勢良好，因此深入探究工業(yè)微波爐加熱技術(shù)勢在必行。

1 非接觸式溫度傳感器的基本原理

溫度傳感器中經(jīng)常使用的非接觸式測溫儀表是以黑體輻射定律為基礎(chǔ)的，因此也被稱之為輻射測溫儀表。輻射測溫法主要有三種，即亮度法、輻射法、比色法，不同方法所測量的光度溫度、輻射溫度、比色溫度也明顯不同。只有對黑體進(jìn)行溫度測試所獲得的才是最真實(shí)、最可靠的溫度。例如，想要檢測真實(shí)溫度，需要先修正材料的表面發(fā)射率，而所謂發(fā)射率是由溫度與波長所決定的，并且備受表面形態(tài)、涂膜、微觀組織等因素的影響，所以測量的精確度難以得到有效控制。在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，一般會使用輻射測溫法進(jìn)行物體表面溫度測量與控制，例如冶金鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度，以及熔融金屬在冶煉爐或者坩堝中的溫度。在此形勢下，科學(xué)測量物體表面的發(fā)射率難度非常大。在固體表面溫度自動(dòng)化測量控制中，可以以反射鏡為輔助，促使其與測量物體表面共同構(gòu)成黑體空腔。其中，附加的輻射產(chǎn)生的影響作用，可以在很大程度上提高測量物體表面的有效輻射與發(fā)射系數(shù)。通過有效發(fā)射系數(shù)基于儀表及時(shí)修正實(shí)測溫度，從而獲取物體表面的真實(shí)溫度。其中半球反射鏡是最具代表性的反射鏡。在球中心周圍的物體表面漫射輻射在受到半球反射鏡的作用后，返回到表面，以此產(chǎn)生附加性輻射，使得有效發(fā)射系數(shù)的材料表面發(fā)射率與反射鏡反射率得到顯著提升。而輻射測量氣體與液體介質(zhì)的真實(shí)溫度，可以利用耐熱材料管，深入到一定程度，以構(gòu)成黑體空腔，從而進(jìn)行測量。然后，通過進(jìn)一步計(jì)算分析，得出和介質(zhì)處于熱平衡之后的圓筒空腔的有效發(fā)射系數(shù)。在自動(dòng)化測量控制中，便可以通過這一系數(shù)修正測量物體的介質(zhì)溫度，以此得出最真實(shí)的、可靠的溫度[3]。

2 以非接觸式溫度傳感器為載體的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架

選用非接觸式紅外溫度傳感器，將其安裝到工業(yè)微波爐的外壁特殊孔位上，在加熱倉的外部遠(yuǎn)程測量內(nèi)部物料的實(shí)時(shí)溫度變化狀態(tài)，并基于IIC 方式，實(shí)現(xiàn)與MCU（微控制單元）之間的有機(jī)通信，然后將所采集到的數(shù)據(jù)信息通過TFT液晶顯示屏加以展示[4]。具體系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.2 總體方案設(shè)計(jì)

以非接觸式溫度傳感器為載體的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)核心選用STM32F103VCT6單片機(jī)，以構(gòu)成閉合回路，基本原理具體如圖2所示。

圖2 工業(yè)微波爐加熱控制系統(tǒng)圖

在非接觸式溫度傳感器為載體的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)中，STM32F103VCT6單片機(jī)是溫度控制單元的重要組成部分，通過TFT 液晶顯示屏展示紅外測溫儀溫度采集，并把模擬信號傳輸?shù)叫酒限D(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字型溫度信號，也通過液晶顯示屏加以展示，與前期預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行對比分析，一旦達(dá)到溫度，及時(shí)啟動(dòng)報(bào)警功能，同時(shí)基于PID 控制算法嚴(yán)格控制輸出功率，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溫度控制預(yù)期目標(biāo)[5]。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

所謂硬件電路主要包含四大部分，即單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、鍵盤與系統(tǒng)指示燈電路、液晶接口電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路。其中，MCU 選用ARM 內(nèi)核，內(nèi)部配有20k 數(shù)據(jù)RAM，以及256k 數(shù)據(jù)ROM，以及可變化靜態(tài)存儲控制器（FAMC），能夠通過硬件模式帶動(dòng)液晶屏運(yùn)作，從而使得液晶屏的顯示刷新速度大大提升，并在很大程度上緩解CPU 的任務(wù)量。電源電路通過芯片，在0-1A 的工作電流時(shí)，提供穩(wěn)定、安全、可靠的3.3 V 電壓。晶振則選用8 m 外部晶振，內(nèi)部配置PLL 倍頻，以達(dá)到72 MHz。而復(fù)位電路選擇外部配置10k 與104 電容，在每次供電的時(shí)候，產(chǎn)生2.5 ms 低電平，再進(jìn)行拉高，從而使得MCU能夠及時(shí)復(fù)位[6]。硬件電路具體如圖3所示。

其中，展示部分選用TFT液晶屏，以SSD1963作為驅(qū)動(dòng)芯片，基于FSMC方式實(shí)現(xiàn)與MCU間的有效銜接。心跳燈以PE4 為載體加以連接，鍵盤則選用4 獨(dú)立按鍵進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別與PE0，PE1，PE2，PE3 相連接。心跳燈與鍵盤接口電路具體如圖4所示。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 心跳燈與鍵盤接口電路

非接觸式測溫傳感器選用MLX90614系列的測溫模塊，其應(yīng)用相對簡單便捷，是極具優(yōu)勢的紅外測溫裝置，所有模塊在出廠之前都會進(jìn)行全面校驗(yàn)，可以直接進(jìn)行線性與準(zhǔn)線性信號輸出，交互性突出，能夠避免各種太過繁雜的校驗(yàn)修正過程。并且可以基于SMBUS方式或PWM方式實(shí)現(xiàn)有效通信。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要選用分模塊式程序結(jié)構(gòu)，以便于編程并調(diào)試程序，以及系統(tǒng)程序的交互使用。系統(tǒng)程序主要包括主程序、中斷服務(wù)程序、FUZY PID 算法子程序、濾波子程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等。其中，主程序的任務(wù)是初始化系統(tǒng)、調(diào)用鍵盤掃描、顯示LCD與LED；中斷服務(wù)程序的任務(wù)是對A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理，并基于FUZZY PID 算法子程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行晶閘管通斷控制；FUZZY PID 算法子程序的任務(wù)是進(jìn)行模糊化、模糊推理、模糊決策整定參數(shù)處理，利用PID算法進(jìn)行輸出控制信號計(jì)算；濾波子程序的任務(wù)將干擾濾除干凈，提高抗干擾能力；A/D轉(zhuǎn)換程序的任務(wù)是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；定時(shí)子程序的任務(wù)是進(jìn)行加熱時(shí)間的合理設(shè)定；顯示子程序的任務(wù)是將實(shí)時(shí)溫度值與實(shí)際加熱曲線全面展示出來[7]。

在系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)前，先初始化系統(tǒng)，然后基于鍵盤合理設(shè)置預(yù)期加熱曲線圖與溫度值，并通過LCD與LED加以展示，最后啟動(dòng)開始加熱。在溫度采樣子程序采集到檢測點(diǎn)的具體溫度后，以濾波子程序?yàn)檩d體，對FUZZY PID控制器輸入變量進(jìn)行濾波，并結(jié)合預(yù)期加熱曲線圖與溫度值，進(jìn)行整合判斷與處理，然后及時(shí)輸出控制信號。而控制信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號，并放大功率之后，基于調(diào)功器對晶閘管的通斷時(shí)間占空比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)功率可調(diào)性，在加熱時(shí)間設(shè)置完成之后，再停止加熱[8]。具體程序流程圖如圖5所示。

2.4.1 FUZZY PID算法

按照預(yù)期的加熱曲線，加熱器開展運(yùn)轉(zhuǎn)，其關(guān)鍵在于自適應(yīng)FUZZY PID算法，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，而自適應(yīng)FUZZY PID 算法主要是基于單片機(jī)，并以軟件為載體得以實(shí)現(xiàn)的。

以普通PID 控制器為基礎(chǔ)，自適應(yīng)系統(tǒng)先計(jì)算被控制量偏差及其變化率，以此作為控制器輸入變量，在經(jīng)過模糊化、模糊推理與模糊決策后，獲得PID 整定參數(shù)[9]。其中，模糊控制算法的主要作用以溫度誤差信號與誤差變化信號為控制輸入量，整定參數(shù)值作為輸出變量，通過全程監(jiān)測溫度誤差信號與誤差變化信號的動(dòng)態(tài)變化趨勢，獲得不同參數(shù)修正值，分別代入下式：

式中： ΔKI、ΔKD為整定參數(shù)值。PID算法控制效果的關(guān)鍵就在于KP、KI、KD，模擬表達(dá)式為

圖5 程序流程圖

圖6 FYZZY-PID算法控制框圖

采用增量式PID算法，控制量直接受采樣值影響，不會造成過大累積誤差，離散遞推表達(dá)式為

式中：Δu(i)為采樣周期晶閘管導(dǎo)通增量，而Δu(k)為實(shí)際晶閘管控制量。

基于FUZZY PID 控制算法進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，能夠直接避免超調(diào)量大與參數(shù)調(diào)整太過復(fù)雜的缺陷，而且基于模糊控制不需構(gòu)建精確模型便可以防止系統(tǒng)中的非線性問題，還能夠利用PID 算法避免系統(tǒng)偏差趨向于零的不良現(xiàn)象，有效控制震蕩與穩(wěn)態(tài)誤差[10]。通過實(shí)踐表明，此系統(tǒng)的穩(wěn)定精確度與動(dòng)態(tài)特性相對突出，而且抗干擾性良好，在很大程度上提高了工業(yè)微波爐的整體技術(shù)水平，進(jìn)而滿足了工業(yè)領(lǐng)域加熱的多元化需求。

3 結(jié) 論

綜上所述，在社會發(fā)展的推動(dòng)下，微波加熱技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。在物料加熱與干燥中，因?yàn)槲⒉訜岵恍柽M(jìn)行熱傳導(dǎo)，便能夠促使加熱物體成為發(fā)熱體，并且內(nèi)部與外部同時(shí)進(jìn)行加熱，在較短時(shí)間內(nèi)便可以獲得良好的加熱效果。而因?yàn)楣I(yè)微波爐在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)部始終處于高電磁干擾狀態(tài)下，因此只能選用非接觸式溫度傳感器，以遠(yuǎn)距離紅外測溫的方法，在電磁爐的外壁上安裝測溫探頭，以此促使測溫電路能夠處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況，所以，構(gòu)建基于非接觸式溫度傳感器的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)勢在必行。而通過實(shí)踐仿真證明，以非接觸式測溫傳感器為載體的工業(yè)微波爐控制系統(tǒng)，不僅可以避免微波爐內(nèi)部高電磁干擾，以有效測量物料的真實(shí)、實(shí)時(shí)溫度，還可以顯著提高控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。