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)踐

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(chǎng)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(shì)，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(duì)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(shì)良好，因此深入探究工業(yè)微波爐加熱技術(shù)勢(shì)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(cè)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(cè)溫儀表。輻射測(cè)溫法主要有三種，即亮度法、輻射法、比色法，不同方法所測(cè)量的光度溫度、輻射溫度、比色溫度也明顯不同。只有對(duì)黑體進(jìn)行溫度測(cè)試所獲得的才是最真實(shí)、最可靠的溫度。例如，想要檢測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(huì)使用輻射測(cè)溫法進(jìn)行物體表面溫度測(cè)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(shì)下，科學(xué)測(cè)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(cè)量控制中，可以以反射鏡為輔助，促使其與測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量控制中，便可以通過這一系數(shù)修正測(cè)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(cè)量?jī)?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(cè)溫儀溫度采集，并把模擬信號(hào)傳輸?shù)叫酒限D(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字型溫度信號(hào)，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(duì)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(chǔ)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(cè)溫傳感器選用MLX90614系列的測(cè)溫模塊，其應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單便捷，是極具優(yōu)勢(shì)的紅外測(cè)溫裝置，所有模塊在出廠之前都會(huì)進(jìn)行全面校驗(yàn)，可以直接進(jìn)行線性與準(zhǔn)線性信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；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(cè)點(diǎn)的具體溫度后，以濾波子程序?yàn)檩d體，對(duì)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(hào)。而控制信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成模擬信號(hào)，并放大功率之后，基于調(diào)功器對(duì)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(hào)與誤差變化信號(hào)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(cè)溫度誤差信號(hào)與誤差變化信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，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(huì)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(duì)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(huì)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(cè)溫的方法，在電磁爐的外壁上安裝測(cè)溫探頭，以此促使測(cè)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(shì)在必行。而通過實(shí)踐仿真證明，以非接觸式測(cè)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(cè)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。