以非接觸式溫度傳感器為載體的工業微波爐控制系統設計與實踐

劉挺

（西安外事學院工學院計算機系，陜西 西安 710077）

微波加熱器實際上就是微波電磁場和加熱物料之間的彼此作用，把微波能轉換成為熱能的主要裝置，其具備高效性、節能性、安全性等突出優勢，因此得以在各相關工業領域備受青睞[1]。火焰、電熱或者熱風等常規性加熱的主要方式是基于熱傳導理論，通過加熱物體把熱量從外部傳輸到內部，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除此之外，還具備一定的加熱快速特性。在工業領域中，工業微波爐與傳統烘干爐對比，其烘干效率幾乎超出10 倍，熱效率能夠達到80%。現階段，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的快速更新與發展，以其節能環保與高效安全等特性得以在更多工業領域實現了廣泛應用[2]。這就直接證明了微波技術的發展前景與趨勢良好，因此深入探究工業微波爐加熱技術勢在必行。

1 非接觸式溫度傳感器的基本原理

溫度傳感器中經常使用的非接觸式測溫儀表是以黑體輻射定律為基礎的，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。只有對黑體進行溫度測試所獲得的才是最真實、最可靠的溫度。例如，想要檢測真實溫度，需要先修正材料的表面發射率，而所謂發射率是由溫度與波長所決定的，并且備受表面形態、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。在自動化生產過程中，一般會使用輻射測溫法進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，科學測量物體表面的發射率難度非常大。在固體表面溫度自動化測量控制中，可以以反射鏡為輔助，促使其與測量物體表面共同構成黑體空腔。其中，附加的輻射產生的影響作用，可以在很大程度上提高測量物體表面的有效輻射與發射系數。通過有效發射系數基于儀表及時修正實測溫度，從而獲取物體表面的真實溫度。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，以此產生附加性輻射，使得有效發射系數的材料表面發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的真實溫度，可以利用耐熱材料管，深入到一定程度，以構成黑體空腔，從而進行測量。然后，通過進一步計算分析，得出和介質處于熱平衡之后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動化測量控制中，便可以通過這一系數修正測量物體的介質溫度，以此得出最真實的、可靠的溫度[3]。

2 以非接觸式溫度傳感器為載體的工業微波爐控制系統設計與實現

2.1 系統框架

選用非接觸式紅外溫度傳感器，將其安裝到工業微波爐的外壁特殊孔位上，在加熱倉的外部遠程測量內部物料的實時溫度變化狀態，并基于IIC 方式，實現與MCU（微控制單元）之間的有機通信，然后將所采集到的數據信息通過TFT液晶顯示屏加以展示[4]。具體系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2.2 總體方案設計

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

圖2 工業微波爐加熱控制系統圖

在非接觸式溫度傳感器為載體的工業微波爐控制系統中，STM32F103VCT6單片機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，并把模擬信號傳輸到芯片上轉變為數字型溫度信號，也通過液晶顯示屏加以展示，與前期預設溫度進行對比分析，一旦達到溫度，及時啟動報警功能，同時基于PID 控制算法嚴格控制輸出功率，以進一步實現溫度控制預期目標[5]。

2.3 硬件電路設計

所謂硬件電路主要包含四大部分，即單片機最小系統電路、鍵盤與系統指示燈電路、液晶接口電路、傳感器驅動電路。其中，MCU 選用ARM 內核，內部配有20k 數據RAM，以及256k 數據ROM，以及可變化靜態存儲控制器（FAMC），能夠通過硬件模式帶動液晶屏運作，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 的任務量。電源電路通過芯片，在0-1A 的工作電流時，提供穩定、安全、可靠的3.3 V 電壓。晶振則選用8 m 外部晶振，內部配置PLL 倍頻，以達到72 MHz。而復位電路選擇外部配置10k 與104 電容，在每次供電的時候，產生2.5 ms 低電平，再進行拉高，從而使得MCU能夠及時復位[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作為驅動芯片，基于FSMC方式實現與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 獨立按鍵進行設計，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 硬件電路結構圖

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，其應用相對簡單便捷，是極具優勢的紅外測溫裝置，所有模塊在出廠之前都會進行全面校驗，可以直接進行線性與準線性信號輸出，交互性突出，能夠避免各種太過繁雜的校驗修正過程。并且可以基于SMBUS方式或PWM方式實現有效通信。

2.4 軟件系統設計

軟件系統設計主要選用分模塊式程序結構，以便于編程并調試程序，以及系統程序的交互使用。系統程序主要包括主程序、中斷服務程序、FUZY PID 算法子程序、濾波子程序、A/D轉換程序、定時子程序、顯示子程序等。其中，主程序的任務是初始化系統、調用鍵盤掃描、顯示LCD與LED；中斷服務程序的任務是對A/D轉換數據進行適當處理，并基于FUZZY PID 算法子程序結構進行晶閘管通斷控制；FUZZY PID 算法子程序的任務是進行模糊化、模糊推理、模糊決策整定參數處理，利用PID算法進行輸出控制信號計算；濾波子程序的任務將干擾濾除干凈，提高抗干擾能力；A/D轉換程序的任務是將模擬信號轉換成數字信號；定時子程序的任務是進行加熱時間的合理設定；顯示子程序的任務是將實時溫度值與實際加熱曲線全面展示出來[7]。

在系統正式運轉前，先初始化系統，然后基于鍵盤合理設置預期加熱曲線圖與溫度值，并通過LCD與LED加以展示，最后啟動開始加熱。在溫度采樣子程序采集到檢測點的具體溫度后，以濾波子程序為載體，對FUZZY PID控制器輸入變量進行濾波，并結合預期加熱曲線圖與溫度值，進行整合判斷與處理，然后及時輸出控制信號。而控制信號經過A/D轉換器，轉變成模擬信號，并放大功率之后，基于調功器對晶閘管的通斷時間占空比進行適當調節，以實現功率可調性，在加熱時間設置完成之后，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

按照預期的加熱曲線，加熱器開展運轉，其關鍵在于自適應FUZZY PID算法，具體結構如圖6所示，而自適應FUZZY PID 算法主要是基于單片機，并以軟件為載體得以實現的。

以普通PID 控制器為基礎，自適應系統先計算被控制量偏差及其變化率，以此作為控制器輸入變量，在經過模糊化、模糊推理與模糊決策后，獲得PID 整定參數[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，整定參數值作為輸出變量，通過全程監測溫度誤差信號與誤差變化信號的動態變化趨勢，獲得不同參數修正值，分別代入下式：

式中： ΔKI、ΔKD為整定參數值。PID算法控制效果的關鍵就在于KP、KI、KD，模擬表達式為

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，離散遞推表達式為

式中：Δu(i)為采樣周期晶閘管導通增量，而Δu(k)為實際晶閘管控制量。

基于FUZZY PID 控制算法進行控制系統軟件設計，能夠直接避免超調量大與參數調整太過復雜的缺陷，而且基于模糊控制不需構建精確模型便可以防止系統中的非線性問題，還能夠利用PID 算法避免系統偏差趨向于零的不良現象，有效控制震蕩與穩態誤差[10]。通過實踐表明，此系統的穩定精確度與動態特性相對突出，而且抗干擾性良好，在很大程度上提高了工業微波爐的整體技術水平，進而滿足了工業領域加熱的多元化需求。

3 結 論

綜上所述，在社會發展的推動下，微波加熱技術已經實現了廣泛應用。在物料加熱與干燥中，因為微波加熱不需進行熱傳導，便能夠促使加熱物體成為發熱體，并且內部與外部同時進行加熱，在較短時間內便可以獲得良好的加熱效果。而因為工業微波爐在運轉時，內部始終處于高電磁干擾狀態下，因此只能選用非接觸式溫度傳感器，以遠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轉工況，所以，構建基于非接觸式溫度傳感器的工業微波爐控制系統勢在必行。而通過實踐仿真證明，以非接觸式測溫傳感器為載體的工業微波爐控制系統，不僅可以避免微波爐內部高電磁干擾，以有效測量物料的真實、實時溫度，還可以顯著提高控制系統的安全性與穩定性。