謝斌 任行 王麗麗

（1.江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省南通市 226001 2.南通市體育運(yùn)動(dòng)學(xué)校 江蘇省南通市 226001）

1 烘焙設(shè)備的現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人民的收入水平顯著提升，對(duì)飲食的要求從數(shù)量向質(zhì)量發(fā)生改變，食品消費(fèi)趨勢(shì)多樣化。電磁爐、食品料理機(jī)、微波爐等眾多高品質(zhì)生活家電進(jìn)入到人們的家庭中去，其中電烤箱就是一款很實(shí)用的產(chǎn)品；它不僅能烤制出風(fēng)格多變、質(zhì)地酥軟的美食，而且占用空間極小，操作簡(jiǎn)單，滿足大家對(duì)西式餐飲文化的需求。2020年我國(guó)電烤箱零售市場(chǎng)規(guī)模為38.36 億元，同比增長(zhǎng)53%。[1]但由于烘焙傳入中國(guó)歷史較短、中西方烹飪習(xí)慣的差異，人們對(duì)電烤箱的使用經(jīng)驗(yàn)少，市場(chǎng)上的電烤箱多為紅外熱輻射型，溫度控制不精準(zhǔn)，升溫過(guò)慢過(guò)快，不能實(shí)時(shí)地達(dá)到設(shè)定的溫度，導(dǎo)致烘焙失敗。針對(duì)這些問(wèn)題，本系統(tǒng)選用了PID溫度控制器件。在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中。PID 控制是現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)最常用的技術(shù)之一，它的優(yōu)點(diǎn)是控制的溫差小、精度高、穩(wěn)定可靠，利于調(diào)試。因此，研究設(shè)計(jì)出一種可準(zhǔn)確設(shè)置溫度，迅速控溫的電烤箱的可行性較高，具有實(shí)際意義。

2 整體思路

電烤箱一般分為平爐和熱風(fēng)爐。平爐烤箱通過(guò)加熱管加熱，以熱量傳導(dǎo)的方式對(duì)烤箱內(nèi)加溫。通常平爐可以上下管加熱，可以設(shè)定不同的溫度，但溫度上升較慢。風(fēng)爐烤箱通過(guò)爐內(nèi)熱風(fēng)傳遞熱量，對(duì)食物進(jìn)行加熱烘焙。風(fēng)爐特有的風(fēng)道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的結(jié)合形成熱風(fēng)對(duì)流，讓爐腔溫度均勻，可以一次實(shí)現(xiàn)多層食物的烘焙烤制，還可以均勻上色，省時(shí)省力。

本烘焙系統(tǒng)所采用的是Arduino Nano 控制的風(fēng)爐。Arduino Nano 是Arduino 單片機(jī)的迷你版本，他省去了電源插座以及標(biāo)準(zhǔn)USB 接口，Arduino Nano 尺寸非常小，可以靈活地安裝在電氣設(shè)備中，其處理器核心是ATmega328AVR 8 位微控制器，同時(shí)具有12路數(shù)字輸入/輸出口（其中6 路可作為PWM 輸出），8 路模擬輸入，一個(gè)16MHz 晶體振蕩器，一個(gè)mini-B USB 口，一個(gè)ICSPheader和一個(gè)復(fù)位按鈕。

2.1 烘焙原理

烘焙是一種食品成熟同時(shí)生產(chǎn)風(fēng)味的過(guò)程。烘焙的過(guò)程中食品是跟隨溫度變化而發(fā)生改變的。所以，烘焙的過(guò)程也是對(duì)溫度的控制過(guò)程。在食品的烘焙過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生物理性、化學(xué)性兩類反應(yīng)。物理性反應(yīng)大致分為：放入電烤箱的食品形狀發(fā)生變化；水份從食品中游離出來(lái)并散逸出去；食品中的酒精等低沸點(diǎn)的物質(zhì)蒸發(fā)。烘焙的化學(xué)性反應(yīng)分為：面筋組織因水分被淀粉奪去，在70℃左右開始產(chǎn)生熱凝固；隨著烘焙的過(guò)程進(jìn)行，表面部分超過(guò)160℃時(shí)，糖與氨基酸會(huì)發(fā)生梅拉德反應(yīng)。糖類分解聚合形成焦糖、淀粉部分會(huì)變化成糊精。

2.2 烘焙階段分析

為了方便溫控我們把烘焙的過(guò)程分為3 個(gè)階段：

（1）電烤箱溫度未到70℃，此為水氣、揮發(fā)物質(zhì)的蒸發(fā)階段，烘焙腔體中充斥著大量的水蒸氣，濕度很大，這是一個(gè)大量吸收熱量的階段，應(yīng)加大火力。

（2）電烤箱溫度在70℃-150℃，實(shí)為食品成熟階段，烘焙腔體中濕度變小，為了防止食品表面開裂需要放慢溫升。

（3）電烤箱溫度在155℃-160℃的梅拉德反應(yīng)階段，要基本暫停溫升，降低食品表面熱風(fēng)的風(fēng)量。

傳統(tǒng)的烘焙工作中，上述的3 個(gè)階段需要通過(guò)食品生產(chǎn)人員在經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)下手動(dòng)調(diào)節(jié)烤箱溫度實(shí)現(xiàn)。整個(gè)烘焙的過(guò)程需要生產(chǎn)人員時(shí)刻緊盯烤箱上溫度顯示器的變化和烤箱內(nèi)食物狀態(tài)的變化，這個(gè)過(guò)程需要生產(chǎn)人員集中注意力，不能出絲毫差錯(cuò)，否則可能會(huì)出現(xiàn)浪費(fèi)糧食和浪費(fèi)能源的情況。我們都希望每爐烘焙的食品出爐后都品相一致。烘焙過(guò)程對(duì)生產(chǎn)人員的經(jīng)驗(yàn)要求和精力要求很高。本系統(tǒng)將通過(guò)PID溫度控制和風(fēng)量的自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)烘焙過(guò)程的自動(dòng)化。食品的在上述3 個(gè)過(guò)程的烘焙所用的時(shí)間、溫度、風(fēng)速的相關(guān)數(shù)據(jù)可以給烘焙程序的設(shè)定提供依據(jù)，烘焙程序流程圖如圖1所示。

圖1

2.3 電烤箱溫度采集

溫度采集模塊是使用熱電偶和熱電偶ADC 的組合，熱電偶發(fā)送所測(cè)物體溫度的信號(hào)，再由相應(yīng)采樣率的ADC 芯片接收并處理轉(zhuǎn)化成溫度的數(shù)字信號(hào)。

2.3.1 熱電偶

焊接在一起的兩種材質(zhì)特性不一致的半導(dǎo)體環(huán)路，半導(dǎo)體回路會(huì)因這兩種半導(dǎo)體兩端出現(xiàn)溫度差而形成電流，溫度差值決定電流的大小。熱電偶是根據(jù)半導(dǎo)體的這種熱電效應(yīng)原理制作的溫度傳感器。本系統(tǒng)選用帶有金屬保護(hù)套的K 型熱電偶，他在工業(yè)設(shè)備中使用量大，既廉價(jià)又穩(wěn)定，測(cè)溫范圍是0 ～1300℃，K 型熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系線性，精度一般，但完全適合烘焙對(duì)溫度探測(cè)的要求。K 型熱電偶的正極使用的是鎳鉻合金，負(fù)極是使用的鎳硅合金。該熱電偶可以在氧化性及惰性氣體中持續(xù)測(cè)溫，短期使用測(cè)溫上限達(dá)到1200℃，長(zhǎng)期使用溫度上限是1000℃，其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線性，價(jià)格便宜，是目前用量最大的熱電偶。首次用K 型熱電偶應(yīng)注意，根據(jù)溫度計(jì)實(shí)際測(cè)得溫度進(jìn)行溫度的校準(zhǔn)，校準(zhǔn)代碼為：const double celsius = thermocouple->readCelsius()+(X);（其中X 為實(shí)際測(cè)得溫度與Arduino Nano 輸出的溫度差值）

2.3.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片

K 型熱電偶的線性度優(yōu)秀、物美價(jià)廉、有較大的量程，常用于工業(yè)設(shè)備的測(cè)溫工作；但是K 型熱電偶要使用復(fù)雜的電路對(duì)其冷端做補(bǔ)償，電路調(diào)試工作用時(shí)較長(zhǎng)。本系統(tǒng)選用的是由MAXIM 公司生產(chǎn)的低噪聲、高精度12 位、可提供冷端補(bǔ)償、線性校正和斷線檢測(cè)的K 型熱電偶模數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 MAX6675，它的溫度分辨率為0.25 ℃，冷端補(bǔ)償范圍為-20 ～ + 80 ℃，工作電壓為3.0 ～ 5.5V。MAX6675由于低噪電壓放大器、電壓跟隨器、冷端溫度補(bǔ)償二極管、基準(zhǔn)電壓源、12 位AD 轉(zhuǎn)換器、SPI 串行接口、模擬開關(guān)及數(shù)字控制器組成。引腳1 為接地，引腳2 為熱電偶負(fù)極，引腳3 為熱電偶正極，引腳4 為電源端，引腳5 串行始終輸入，引腳6 為片選信號(hào)，引腳7 為串行輸出。為了能更方便的感知電烤箱出風(fēng)和食品的溫差，本系統(tǒng)使用2 個(gè)溫度采集通道，通道1 為出風(fēng)口溫度（進(jìn)入的熱空氣溫度），通道2 為食品的溫度（目標(biāo)期望溫度）。

2.4 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

大部分風(fēng)爐都是使用交流風(fēng)扇，為了節(jié)約成本，風(fēng)扇保留使用，熱風(fēng)通過(guò)220V 交流熱風(fēng)風(fēng)機(jī)鼓進(jìn)烘焙腔體，隨之?dāng)U散到烘焙食品表面，使產(chǎn)品加熱，風(fēng)速大小與風(fēng)溫高低直接影響著食品成熟的快慢。風(fēng)量和風(fēng)速是使用可控硅模塊通過(guò)調(diào)壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？煽毓枰步芯чl管，它是一種新型的半導(dǎo)體元器件，它的體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)、動(dòng)作快、設(shè)置方便快捷，大部分的交流電機(jī)調(diào)壓器都是使用的可控硅。用可控硅進(jìn)行電機(jī)調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)有：可控硅在電路中能夠?qū)崿F(xiàn)交流電的無(wú)觸點(diǎn)控制，以較小電流控制大電流，并且沒(méi)有繼電器那樣控制時(shí)有火花產(chǎn)生；調(diào)速性能優(yōu)秀，調(diào)速范圍比較寬，從零速調(diào)速至預(yù)定速度，非常平滑順暢，等同于無(wú)極調(diào)速；同時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)力矩大，易于快速啟動(dòng)和制動(dòng)，尤其是低速啟動(dòng)效果非常好；抗過(guò)載能力強(qiáng)，可用于較為頻繁、較大的沖擊載荷工況。當(dāng)可控硅的調(diào)速原理是：導(dǎo)通角等于180°時(shí)（如圖2），負(fù)載端的電壓波形時(shí)正弦波，此時(shí)電路為全導(dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通角小于180°時(shí)，此時(shí)電路為非全導(dǎo)通狀態(tài)，電壓的有效值減??；導(dǎo)通角增大，導(dǎo)通狀態(tài)跟隨變大，則電壓有效值越大，磁場(chǎng)變大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速變高。使用可控硅調(diào)整電機(jī)電壓，當(dāng)電壓偏低，電機(jī)處于低速時(shí)，電壓和電流波形不連續(xù)，波形差，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)明顯的噪音變大，出現(xiàn)抖動(dòng)的情況，在編寫程序時(shí)應(yīng)該避免出現(xiàn)可控硅輸出電壓過(guò)低的情況。

2.5 溫度的PID控制

目前，工業(yè)技術(shù)中的溫度控制多采用PID 控制技術(shù)。PID 控制的原理相對(duì)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)輸入y（dt）與輸出y（dt）的偏差值影響著控制量。烘焙過(guò)程是一個(gè)離散的過(guò)程。為了能讓數(shù)字化采樣精度更高，需要選取更高的采樣率。PID 需要用到的三個(gè)參數(shù)分別是比例系數(shù)Kp，微分系數(shù)Ki，積分系數(shù)Kd。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式?？刂破鞯妮敵雠c輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，這樣的PID 控制實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，效果佳。對(duì)于烘焙來(lái)說(shuō)它需要的是實(shí)時(shí)性。傳統(tǒng)的PID 控制的三個(gè)參數(shù)相對(duì)容易受到干擾。對(duì)于烘焙系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要對(duì)溫度進(jìn)行非線性的控制。傳統(tǒng)的PID 控制理論是有缺點(diǎn)的，模糊PID 控制理論更適合烘焙的溫度控制。模糊PID 控制是以模糊理論，模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯理推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法[2]。模糊控制系統(tǒng)通常由5 個(gè)模塊組成：模糊控制器、輸入輸出模塊、控制執(zhí)行模塊、被控制對(duì)象、傳感器[3]。烘焙3 個(gè)階段的記錄了數(shù)值，結(jié)合烘培溫控的特點(diǎn)與模糊理論對(duì)數(shù)據(jù)處理，確定比例系數(shù)Kp，微分系數(shù)Ki，積分系數(shù)Kd 的修正值。在新的烘焙開始時(shí)，烘焙系統(tǒng)參照之前記錄3 個(gè)階段的各項(xiàng)溫度數(shù)值，把溫度誤差和誤差變化率發(fā)送到PID 控制器中，模糊化后的修正值再次處理，參數(shù)優(yōu)化后，改進(jìn)后溫度控制更加穩(wěn)定，反映更加迅速。

2.6 LED信息顯示

烘焙設(shè)備的顯示器采用了LCD2004 點(diǎn)陣字庫(kù)液晶顯示模塊，它的體積小，重量輕，功耗低，顯示內(nèi)容豐富被廣泛應(yīng)用，此款LCD 控制器是HD44780。液晶顯示模塊只能顯示數(shù)字和西文字符，不能顯示漢字和圖片，可顯示4 行，每行20 個(gè)字符，共計(jì)80 個(gè)字符，可基本滿足烘焙設(shè)備對(duì)于出風(fēng)溫度、食品溫度、烘焙持續(xù)時(shí)間和風(fēng)速等參數(shù)的顯示。VL(V0)引腳是對(duì)比度調(diào)，RS 引腳為數(shù)據(jù)/命令選擇，RW 引腳表示讀寫選擇， EN 引腳為使能信號(hào)、D0-D7 是雙向數(shù)據(jù)端。食品、出風(fēng)口溫度LED 屏顯示程序所需要的庫(kù)文件為：LiquidCrystal_I2C.h、Wire.h、MAX6675_Thermocouple.h。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)手動(dòng)烘焙出現(xiàn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PID 控制的烘焙系統(tǒng)，以較少的溫度采集系統(tǒng)、可控硅調(diào)速控制等外圍電路實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的自動(dòng)烘焙工作。整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)很低，穩(wěn)定耐用，控制精準(zhǔn)，可大大降低烘焙人員的體力消耗，具有一定的實(shí)用價(jià)值。本系統(tǒng)還有較大的改進(jìn)空間。比如可改用交流風(fēng)扇，降低能耗，減少調(diào)速時(shí)的噪音等。