基于单片机技术的微波加热温控系统设计_李伟.doc

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1、DOI: 10.16768/j.issn. 1004-874x.2011.20.017 广东农业科学 2011 年第 20 期 161 基于单片机技术的微波加热温控系统设计 李伟 (河南机电高等专科学校机电工程系，河南新乡 453003) 摘要：随着我国农业科技的发展，微波加热温控技术越来越引起人们的关注，成为未来优质高效设施农业的发展趋势。通过 市场调研，采用单片机控制技术，进行了自动化微波加热温控系统的设计开发；仿真性能测试取得较好的效果；为将单片机技术引 入到微波加热温控系统 的后续研究提供了借鉴。 关键词：单片机技术；微波加热温控系统；模糊自整定 HD 算法；仿真性能测试 中图分类号：

2、 TP273 ;TK323 文献标识码： A 文章编号： 1004-874X(2011 )20-0161-02 Temperature control system for microwave heating based on SCM technology LI Wei (Department of Mechanical and Electronic Engineering, Henan Mechanical and Electrical Engineering College , Xinxiang 453003 ,China) Abstract： With the development o

3、f agricultural science and technology, microwave heating temperature control technology has drawn increasing attention, and become high quality and efficient facilities, agricultural trends. In this paper, with market research, using microcomputer control technology, for the automated microwave heat

4、ing temperature control system design and development. It obtained good results by simulation performance tests. It provided a reference for follow up study for SCM technology introduced into the microwave heating temperature control system. Key words: SCM technology ； microwave heating temperature

5、control system ； fuzzy self tuning PID algorithm ； simulation performance test 随着我国现代化农业的发展，微波加热技术以其加 热迅速、高效安全等优点，逐渐成为农产品加工储藏领域 中加热物料的新方式。在节能、省工、增效方面的优势得 到了人们的普遍认同，成为未来优质高效设施农业的发 展趋势。针对目前我国微波加热装置主要依赖进口，与市 场实际需求严重脱节的现状，本研究进行了微波加热温 控系统的设计开发，将单片机技术引入到该控制系统中， 可满足相关领域中恒温加热的需要 1。 1 微波加热温控系统硬件设计 1.1 系统设计要求

6、 本系统采用热转换效率较高的频率为 2 450 MHz 的 微波作为动力源，通过对物料实时温度的测量来进行自 动恒温加热控制，要求根据用户设定的温度范围，采用模 糊自整定 PID 的控制方法实现系统较好的动态特 性和稳 态性能，满足物料各阶段所需的加热要求，适时调整温控 时间 2。 1.2 系统硬件设计与选型 本系统主要由控制模块、输入输出模块、调功模块以 及辅助模块（键盘电路、报警电路、电源电路等 ） 组成。加 热区的温度通过温度传感器输出 0 5 V 的标准信号，经 A/D 转换后进入单片机，根据输入的命令进行 PID 算法得 收稿日期： 2010-09-26 基金项目：河南省科技攻关项目

7、 （ 0524260051) 作者简介 :李伟 (1981-)，男，硕士，讲师， E-mail:liwei_19811106 到控制量输出脉冲触发信号，单片机通过 I/O 口改变控制 脉冲宽度，控制磁控管的输入功率，从而达到自动控温的 目的。微波加热温控系统硬件组成见图 1。 图 1 微波加热温控系统 釆 用 支 持 USB 口下载程序及仿真调试的STC89S52RC 型单片机作为核心控制部件，主控模块电路主要分为晶振 电路、复位电路、 USB 供电电路、串口通信电路。其中，晶振 电路的晶振频率为 11.0592 MHz,供电电路为 PDIUSBD12 控制芯片，通过电脑的 USB 接口电路

8、对整个 单片机进行 供电，不需要其他外接电源。系统通过串口电路，可以方便 进行 Keil C 程序的下载及在线调试。 由传感器输出的信号为 0 5 V的模拟电压信号，需 要将其转换成数字信号送入单片机进行数据处理，系统 选用MAX187 模数转换芯片。内部含有采样 /保持电路， 162 模块用来计算设定加热温度对应的电压值，然后与米样 的电压值进行比较，得出偏差信号即系统的控制量。模糊 PID模块决 定系统的响应时间、稳定性、超调量等方面，本 系统控制对象是可控硅触发电路，采用数字增量式 PID 作为控制器。调功模块采用脉冲调制技术，根据控制量的 模糊 PID 自整定和 PWM 技术得出系统加

9、热时间的占空 比，控制磁控管调节整个系统的加热时间，达到自动控温 的目的 4。 3 系统建模与仿真控制性能测试 完成了系统设备的设计选型，在满足微波加热温控系 统设计要求后，需要进行系统最后部分的机械总装和电 器的安装与调试，可采用机械部分和电气部分物理结构 独立的设计方法同时进行。考虑到课题研究的实际情况， 采用原理相似的 家用微波炉进行实验，以得到加热器系 统的传递函数，并以此为模型进行控制算法仿真。 实验采用格兰仕 G80F23CN2L-G1 型电脑式微波炉， 可方便设定加热时间和微波炉的输出功率。用烧杯装载 100 mL 水放在转盘的中心位置，每增加 10 s 测温一次， 并进行充分的

10、搅拌，测出水的平均温度，并由此获得系统 的飞升曲线，见图 45。计算得出尺 =1.2， r=79.2,T=15.6。 系 统模型可表示为： 实验中，可采用 MATLAB 的 SIMULINK 建模和软件 环境来实现计算机仿真，利用其中的模糊逻辑控制器模 块以及面 向框图的仿真及概念性仿真功能建立系统模 型，进行仿真分析，对模糊自整定 PID 控制与传统 PID 控 制性能进行了分析比较。仿真结果见图 5。从图 5 可以看 出，与传统的 HD 算法相比，模糊自整定 PID 算法可使系 统具有较短的调整时间和较小的超调量。设计中，可将模 糊自整定与其他整定方法结合起来，先通过初步的调整， 获得较好

11、的参数值，然后将该值作为模糊自整定的初始 值，获得更好的效果。 4 结语 本研究通过市场调研，分析了农产品加工储藏领域中 (下转第 180 页 ) 单 5 V 操作电源，转换速度为 8.5 fjus， 具有片上 4.096 V 参考电压，模拟量输入范围为 0三线串行接口，兼 容SPI、 QSPI、 icr Wire 总线。系统采用 1602 液晶显示当 前加热溶样的温度和加热时间，可显示 16x2 个字符，芯 片的工作电压为 4.5 5.5 V，工作电流为 2.0 mA(5.0 V)， 字符尺寸为 2.95 mmx4.35 mm。 另外，蜂鸣器报警电路 可保护系统的硬件电路，并防止加热温度过高

12、而发生爆 炸3 系统温度的自动控制主要依靠调功模块电路和软件 PID 算法的编程。在调功模块电路设计中采用 DAC7512 芯片、 TL494 芯片 、零触发光电耦合器 MOC3061 芯片及双 向晶闸管等。通过在给定周期内控制可控硅的导通时间， 改变加热功率，实现温度调节。 2 微波加热温控系统软件设计 本系统是基于单片机控制的闭环负反馈系统，采 用Keil C51 软件进行单片机系统程序的开发。加热系 统软件部分主要分为：键盘模块、采样模块、计算模块、 模糊 PID 模块、调功模块等，它们通过程序调用进行连 接。在一个控制周期内，系统主控软件程序流程如图 2 所示。 图 2 主控软件程序流

13、程 其中，键盘模块用来设定加热温度值，采样 3 位数码 管 LED 显示，温度值设定范围 为 0 250 尤。采样模块包括 数字滤波和温度显示两个程序。通过计数器设定采样周 期，通过 A/D 转换进行采样，图 3 为采样模块流程。计算 180 业社会化服务项目。尤其是农业信贷机构的服务，是决定 农业发展稳定性的决定因素。 4.2 提高合作社与科研机构的契合度，提升科研成果转 化率 我国农民合作组织发展尚不完善，企业科研以及服 务也很有局限性且作用范围不大，而有关科研机构和高 等院校的研究成果也缺乏适用性，成果转化率较低。因此 应该吸取美国经验，加强政府与企业、科研机构和高等院 校在农业社会化服

14、务中的应用性研究、农业教育以及农 业推广与服务的合作，建立健全我国的农业科技创新推 广体系，使科技创新成为农业增长的主力军，充分发挥科 技创新对农业发展的推动作用，把有限的科学技术转化 成无限的生产力。 4.3 丰富服务主体，活跃市场机制 鉴于发达国家经验，我国在发挥国家农业部门职能 的同时，应鼓励多种性质的农业社会化服务组织和机构 发展。建立以市场为导向的农业社会化服务体系，放活各 种市场竞争性服务主体，引入盈利性的私营企业专业服 务和其他有偿服务模式，大力发展农业合作组织，为社员 提供产前、产后和产中的社会化服务 发展由单一的提 供产中技术服务拓展延伸至产前的信息、农资和农机服 务，以及产

15、后的储藏、运输、加工、销售等方面；同时，扩展 服务内容，从技术推广拓展到信息、 管理技能、物资供应、 决策咨询等，逐步形成国家扶持和市场引导相结合、有偿 服务与无偿服务相结合的新型农业服务体系。 4.4 加强对农民专业合作组织的相关立法保护 曰本农协为日本农村经济发展做出了很大的贡献， 尤其是在农村社会化服务方面。利用这种组织优势，农民 专业合作组织可以在不同发展阶段按照农民和时代变化 的要求给农民提供全方位的社会化服务，包括生产、流 通、加工、销售、金融和生活等方面 8。日本农协社会化体 系是综合性服务体系、政府起主导作用、重视培训和指导 以及规模 经营等。目前，处在发展起步阶段的中国农民合

16、 作组织可以借鉴日本农协模式，建立自己的农民合作组 织，发挥政府主导效用，引进多元市场主体，激活农村经 济。 参考文献： 1 王方红 .产业链视角下现代农业服务模式研宄 p.长沙：中南大 学，2007. 2 杨万江 .现代农业发展阶段及中国农业发展的国际比较 J.中国 农村经济， 2001(5):12-18. 3 胡家浩 .美德农业社会化服务提供的启示 J.开放导读 ,2008(5): 88-89. 4 罗家传 .译自 美 “Agricultural Research”2002年 8 期，法国农业 服务体系 J.农业科技通讯 ,2003 :41. 5J 李正刚，沈孝德 .美日农业服务体系的比较

17、和借鉴 tn.中国农业综 合开发 ,2005(3):59-60. 6 陈俊红 ,尹光红 .北京构建都市型现代农业社会化服务体系的思 考 J.沈阳农业大学学报， 2010,12(5):523-526. 7 李铜山 .我国现代农业服务业发展研宄叽农业经济 ,2 11(341- 43. 8 范鹏 .农民专业合作组织与农业社会化服务体系建设 J.农村经 济，2011(1):3-5. (上接第 162 页） 微波加热的功能需求，进行了微波加热温控系统的软硬 件设计，并完成了控制系统的建模与仿真性能测试，取得 较好的效果，为将单片机技术引入到微波加热温控系统 的后续研究提供了硬软件平台。 参考文献： 1潘

18、志铭 .微波加热中的温度检测 J.深圳大学学报 （ 理工版 ） ,2002, 19(2)： 81-84. 2J 毛义梅，罗海福 .一种 PID 参数模糊自整定控制器的设计与仿 真 J.自动化与仪表， 2001， 16 :36-38. 3 黄晓宇 .基于 MATLAB 的模糊自整定 PID 参数控制器计算机仿 真 J.自动化与仪器仪表， 2001(3) :21-24. 4 Matsumoto K， Hashimoto O.Shield Design About Circumference of Choke Structure Used for Microwave Oven by Parallel FDTDA. Wireless Communications and Applied Computational Electrom agneticsC.IEEEyACES International Conference ,2005： 1065-1068. 5 张开如 .基于 PLC 的微波加热器温度控制系统设计 tn.山东科技 大学学报 (自然科学版 )， 2009,28(2):67-70.