自動設定加熱時間的微波爐

劉志揚

隨著現代人們生活節奏的加快，加熱食品成為越來越多人的需求，微波爐也因此成了必不可少的家電。我有一次使用微波爐加熱食物，誤將加熱時間設定過長，等加熱結束，食物已被烤焦。這件事激發了我的靈感：能不能設計出一種無須手動調節加熱時間，并且能夠控制目標溫度的微波爐。

開始動手制作之前，我對目前市場上的微波爐進行了調查，我發現大多數的微波爐都需要手動調節加熱時間及火力，且加熱溫度不可控，使用時需要估計時間長短和火力大小，稍不注意就容易導致食物烤焦。據報道，每年因微波爐使用不當引起的火災為數不少，嚴重影響人們的生命和財產安全。

為實現自動調節溫度的功能，我要解決三個問題：一、確定食物的種類;二、測量食物的重量;三、綜合數據計算出加熱時間。

●爐體材料的選擇及安放設計

我制作的微波爐，爐體外殼使用厚度為0.2mm的冷軋板，鍍鋅噴漆，其制造工藝成熟且性價比高，同時可減低爐體的銹蝕速度;食品容器使用PP聚丙烯，其材質熔點高，普遍用于制造食品加熱容器。微波爐內部分為兩個腔體，第一腔體（內膽）采用不銹鋼制成，相比其他材料，具有隔絕微波、減少爐體銹蝕、延長爐體壽命等優勢;第二腔體用聚氯乙烯（PVC）制成形似長方體狀，用隔板;分為兩部分，前端內置單片機，連接控制撥盤、繼電器和傳感器，后端內有電源接口及高壓變壓器，連接電動馬達和磁控管，磁控管安放于兩個腔體之間。材料組合性能達標且性價比高，裝置安放合理，可以保證各項功能正常運行。

●稱量食物重量

在設計過程中，為了使裝置在可以感應到食物重量的同時，還能保證爐體的美觀，我在托盤和轉動裝置下安裝了壓力傳感器。容器放置在托盤上后，傳感器會立刻獲得食物的重量數據。由于盛裝容器為定制，因此模塊中的子程序會自動減去托盤、轉動裝置及容器的重量。托盤上刻有容器放置的位置，保證重心在支撐點正上方，使壓力傳感器可以正確獲得食物的重量。壓力傳感器獲得食物的重量后導出給單片機，即可計算出加熱食物所需的時間。關閉爐門，轉動裝置的低速馬達開始啟動，托盤轉動以使食物均勻接受微波加熱。

●食物種類的選擇

由于不同種類的食物比熱容并不相同，因此我設定了選擇食物種類的控制撥盤。其外形類似于傳統微波爐撥盤，不同之處在于面板上不設時間選項，只有食物的種類。在將食物放入容器開始加熱前，用戶要先選擇待加熱食物的種類和預定溫度（實驗中設定為60℃），選項被傳輸給單片機，程序再根據選項對應的比熱容，導入總公式計算該食物所需的加熱時間。

●程序思路、算式設計與單片機的選用

程序使用Mixly（米思奇）編寫，使用Arduino Nano板作為單片機進行運算和控制，安放在第二腔體前端。

程序的核心算式由我們熟知的物體比熱容的算式與計算功率的公式改變而來：

[c=Q/mt0-tP/T=Q → T=mct0-t/P]

（其中，Q為熱量，t為當前溫度，[t0]為目標溫度，P為加熱功率，m為食物質量，T為加熱時間，c為比熱容）

●加熱裝置

將微波爐接上220V電源，經變壓器與磁控管相連。磁控管啟動后發射微波，微波經波導傳至內膽。內膽由涂有非磁性材料的金屬板制成，其在爐腔的左側和頂部均開有通風孔。微波在腔壁內來回反射。內膽的邊長為微波導波波長倍數的1/2，這樣食物被加熱時腔內能保持諧振，諧振范圍適當變寬，利于穿過食物。

完成設計后，我制作了一系列樣本，并對其工作性能進行了測試。測試使用生活中常見的不同種類的食物，從14℃左右開始加熱至60℃左右。

[項目 初始溫度 質量 加熱結果 熟米飯 14.5℃ 40g 61℃ 熟豬肉 15.3℃ 40g 59℃ 熟雞腿 13.8℃ 40g 57℃ 雞湯 14.3℃ 200mL 63℃ ]

實驗結果

結果顯示，微波爐各項功能正常，達到了在選擇食物的種類后測量食物的重量，進而計算出加熱時間的目的，程序運行正常。由于保持了食物本身的大部分水分，食物口感還不錯。（注：實驗中的所有食品均已回收）。

與傳統的微波爐相比，此新型微波爐在使用過程中無須手動設定加熱時間，程序自動計算加熱時間，使用起來更簡便，也更安全（因為目標溫度可控）。未來，我將進一步完善它，如：結合人工智能和大數據庫，無需用戶主動選擇，當食物放入后微波爐即可自動識別食物類型;增加記憶功能，記錄用戶加熱某種食物的習慣溫度，以便直接加熱，使得家庭生活更加安全、便利和智能。

（本作品獲得第36屆廣西青少年科技創新大賽中學生科技創新成果競賽二等獎、第八屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽廣西區萌芽版“創新潛力獎” 指導老師：李玉華）