基于Arduino的微波超聲波混合除冰機(jī)設(shè)計(jì)

林家鏘，林梓健，黃家良，徐 靜，毛曉敏

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 微波或超聲波混合除冰機(jī)研究背景

1.1 研究目的及意義

當(dāng)北方冬季到來時(shí)，降雪天氣逐漸增多，道路結(jié)冰導(dǎo)致路面打滑就成了冬季引起交通事故的一大安全隱患。目前北方在寒冬下仍采用沙土和鏟雪車為主、融雪劑為輔的方式清除路面冰雪，來保證交通的通暢，但效率較低。研究發(fā)現(xiàn)，融雪劑殘留物會(huì)腐蝕路面和汽車橡膠輪胎。隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，傳統(tǒng)的除冰方式已不能很好地協(xié)調(diào)其中各部分的問題，因此本文設(shè)計(jì)一個(gè)更綠色環(huán)保、高效的除冰機(jī)器，以解決傳統(tǒng)掃雪方式帶來的問題。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前有一部分學(xué)者已經(jīng)研究了微波或超聲波單一作用下的除冰問題：

（1）1986年美國(guó)聯(lián)邦公路局的SHRP中由Jack Monson[1]提出微波除冰機(jī)的設(shè)計(jì)方案，研究了高效除冰的方式。

（2）2003年北京交通大學(xué)的徐宇工教授等[2]使用微波爐研究了除冰方面的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)并發(fā)表兩篇相關(guān)文章；2014年王升等[3]研究了路面除冰的機(jī)理。

（3）2013年黃力華[4]申請(qǐng)超聲波除冰機(jī)專利。

1.3 本文主要完成的任務(wù)

（1）以Arduino單片機(jī)的二次開發(fā)產(chǎn)品為中央處理器，設(shè)計(jì)出該裝置的基本電路。

（2）完成系統(tǒng)程序的編寫，改善多作用效果下的除冰協(xié)調(diào)性，以求最優(yōu)、最節(jié)能的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

（3）驗(yàn)證微波不會(huì)被冰層吸收的理論。

2 微波超聲波混合除冰機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

采用了兩種不同波形的測(cè)距傳感器來完成冰層厚度的測(cè)量，分別是超聲波測(cè)距傳感器以及紅外線測(cè)距傳感器。使用傳感器的意義在于，把不同波形的發(fā)射口到地面或到冰面的距離轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再由Arduino收集電信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，并選擇在該冰層厚度下最優(yōu)的微波及超聲波頻率發(fā)射方案來除冰，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 超聲波除冰實(shí)驗(yàn)裝置的選用

超聲波除冰裝置選用自杭州電子科技大學(xué)韓龍伸等[5]設(shè)計(jì)的超聲波除冰裝置，在改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。該裝置由超聲波發(fā)生器、夾心式壓電換能器、變幅桿和工具頭組成。

2.3 微波發(fā)射裝置的選用

微波除冰試驗(yàn)裝置選用自中南大學(xué)學(xué)報(bào)劉俊良等人[6]自主設(shè)計(jì)的開放式微波發(fā)射系統(tǒng)，在改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，該設(shè)備由磁控管、水冷裝置、高度調(diào)節(jié)裝置以及外接式微波操控箱等構(gòu)成。

3 硬件設(shè)計(jì)與制作

3.1 采樣電路的設(shè)計(jì)

采樣電路主要是通過傳感器對(duì)冰層底部及冰層表面的測(cè)距，以Arduino來控制整個(gè)裝置。Arduino集接收電壓信號(hào)處理信號(hào)以及控制微波發(fā)生裝置和超聲波發(fā)生裝置為一體的控制。

3.2 Arduino控制電路設(shè)計(jì)原理

通過微波和超聲波性質(zhì)的不同，可以得到冰層的厚度，再將數(shù)據(jù)反饋給Arduino，Arduino根據(jù)反饋的冰層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行功率的調(diào)節(jié)。在低功率的Arduino上控制高功率磁控管工作時(shí)使用磁控管，可以實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電來實(shí)現(xiàn)多檔調(diào)控的功能。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程如圖1所示。通過傳感器收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行冰層厚度計(jì)算，當(dāng)測(cè)算出冰層厚度小于0.5 cm時(shí)采用低擋位除冰，大于0.5 cm但小于1.5 cm時(shí)采用中檔位除冰，大于1.5 cm時(shí)采用高檔位。各個(gè)檔位的轉(zhuǎn)換通過控制磁控管的工作時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)主流程

5 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

5.1 超聲波除冰實(shí)驗(yàn)

通過參考杭州電子科技大學(xué)韓龍伸等人[5]設(shè)計(jì)的超聲波除冰實(shí)驗(yàn)方案，可以看到通過不同的荷載壓力對(duì)超聲波除冰會(huì)產(chǎn)生不同的影響，其中，超聲波除冰裝置頻率在28 kHz、15 kg的壓力條件下，除冰速率最高且除冰厚度最大。

5.2 微波除冰實(shí)驗(yàn)

5.2.1 實(shí)驗(yàn)一：微波爐除冰實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)試?yán)碚摫鶋K是否不會(huì)吸收微波，微波會(huì)直接透過冰層到達(dá)水泥板一致。

（2）實(shí)驗(yàn)方案：在高火力加熱檔位條件下，加熱實(shí)驗(yàn)1 min，再利用測(cè)溫槍對(duì)水泥板進(jìn)行測(cè)溫。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：會(huì)發(fā)現(xiàn)與水泥板接觸的冰塊開始融化但外表暫無(wú)明顯融化，用紅外測(cè)溫槍測(cè)溫發(fā)現(xiàn)水泥板有明顯升溫，表示理論與實(shí)際相符。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)二：磁控管單獨(dú)對(duì)實(shí)驗(yàn)

通過參考中南大學(xué)學(xué)報(bào)劉俊良等[6]機(jī)場(chǎng)混凝土道面除冰仿真與試驗(yàn)研究論文可以得出在5.8 GHz相較于2.45 GHz的微波頻率擁有多約5倍的除冰效率，但穿透冰層的深度將會(huì)降低45%。實(shí)驗(yàn)表明，微波除冰的速率可根據(jù)微波頻率改變，并且在相同頻率下微波除冰的效率與作用的時(shí)間有關(guān)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，作用時(shí)間越長(zhǎng)，除冰效率越高，也是本設(shè)計(jì)采用的變檔方式。

5.3 模擬機(jī)實(shí)驗(yàn)方案

在Arduino的程序中設(shè)定一個(gè)按鈕來模擬不同冰層厚度傳回的數(shù)據(jù)，按下多次以切換磁控管接入的電壓值以實(shí)現(xiàn)除冰機(jī)的不同檔位調(diào)節(jié)。按下一次按鈕，代表測(cè)量的冰層厚度較薄，從最低的電壓開始接入燈泡；當(dāng)再次按下按鈕，代表測(cè)量到的冰層厚度增加，較薄冰層厚度所處的檔位下的功率已經(jīng)不能順利除冰，電壓增強(qiáng)；當(dāng)?shù)谌伟聪掳粹o，代表測(cè)量到的冰層厚度又一次增加，檔位進(jìn)一步提升。

5.4 機(jī)器基本電路構(gòu)造

系統(tǒng)總設(shè)計(jì)如圖2所示。在機(jī)器工作時(shí)，通過超聲波和紅外傳感器收集距離信息，通過單片機(jī)進(jìn)行處理，得出冰層的厚度。根據(jù)預(yù)設(shè)的檔位要求，用控制繼電器開關(guān)來控制磁控管的工作時(shí)間，并且在顯示屏上顯示相關(guān)的距離及當(dāng)前除冰的檔位信息。

圖2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過研究Arduino、微波除冰裝置和超聲波除冰裝置，對(duì)比其他除冰技術(shù)，設(shè)計(jì)出微波超聲波混合除冰機(jī)。相較于傳統(tǒng)單一作用下的除冰方式，混合作用除冰速率更高，應(yīng)用前景更為廣闊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相同：在實(shí)驗(yàn)室條件下，冰層不會(huì)對(duì)微波的傳播造成更多干擾，能直接透過冰層作用于水泥路面，可實(shí)現(xiàn)以“紅外線測(cè)距-超聲波測(cè)距”的方式來獲取冰層的厚度。微波超聲波混合除冰是一種更為省時(shí)、高效、環(huán)保且綠色的除冰方式，通過對(duì)比相關(guān)數(shù)據(jù)可以直接得出，在相同能源損耗的條件下，混合除冰的使用時(shí)間更長(zhǎng)，效果更好。