智能微波炉电路设计 20页

'智能微波炉电路设计第1章绪论1.1引言随着科学技术的进步，电子技术传感技术以及材料技术近年来得到了很大的发展。国内外微波炉研发机构和生产工厂，为了满足微波炉消费者的使用要求，将各种先进的现代化技术应用微波炉，推出了一系列新颖先进的微波炉产品。这些微波炉新产品，反映了微波炉技术发展趋势，这些趋势主要表现在以下几个方面。（1）智能化。采用微电脑控制技术和传感器感测技术，实现微波炉的智能化加热烹调，是微波炉技术发展的一大方向。这中智能化的微波炉，无需使用者在操作按键上输入烹调时间、加热功率、食物重量等参数，只要按一下启动键，微波炉内的传感器就将检测到的食物温度、整齐湿度等参数不断输出给电脑控制芯片，微电脑控制芯片进行一系列的运算、比较、分析之后，输出相应的指令，自动控制微波炉的加热时间和功率大小，实现智能化全自动烹调。（2）多功能。随着现代化人们生活节奏的加快以及追求生活质量的提高，对于食物的加工烹饪也提出了更高的要求，因而出现了多功能的微波炉。比如将电烤箱的烧烤功能元件加入微波炉，制造出的微波炉烧烤组合微波炉，就是一个例子。这种微波炉目前在国内已经非常普遍，其优点就在于利用微波炉能量快速烹调，使食物具有更好的口感和视觉效果效应。（3）节能化。松下公司将变频技术应用于微波炉推出的变频微波炉产品，通过将市电电源换为变频电源，能将50Hz的电源任意转换成20000~45000Hz的高频电源，供给微波炉产生电路，使微波炉的输出功率随着电源频率的变化而改变，从而改变了以往微波炉利用占空比原理调节微波炉输出功率的方式，不仅使得微波炉能量产生电路的供电系统的体积重量大大减小，而且使得耗电量减少了四分之一左右。20 （4）健康化。随着人们健康环保意识的增强，对于食品中热量的限制也愈加重视。作为现代化食品烹调器具的微波炉，能烹调出低热量的保健食品。（5）操作简便化。采用各种液晶触摸式控制面板和声控传递系统，使得这种多功能微波炉的操作变得简单易行。1.2微波炉概述微波炉其实就是用微波来煮饭烧菜的。微波炉是一种用微波加热食品的现代化烹调灶具。微波是一种电磁波。微波炉由电源，磁控管，控制电路和烹调腔等部分组成。电源向磁控管提供大约4000伏高压，磁控管在电源激励下，连续产生微波，再经过波导系统，耦合到烹调腔内。在烹调腔的进口处附近，有一个可旋转的搅拌器，因为搅拌器是风扇状的金属，旋转起来以后对微波具有各个方向的反射，所以能够把微波能量均匀地分布在烹调腔内。微波炉的功率范围一般为500～1000瓦。图1.1微波炉示意图1.2.1微波炉的种类和性能微波炉按控制方式的不同可分为机电控制式和电脑控制式.机电控制式微波炉通过定时器和功率调节器等机械装置控制微波加热的时间和火力;电脑控制式微波炉是按设定的程序自动完成各种操作的。1.2.2微波炉的基本结构微波炉是用微波来烹调食物的.微波炉烹调食物的时间短,食物养分和维生素损失少,矿物质、氨基酸的存有率比其他烹调方法要高得多.与煤气、煤炉相比,微波炉工作时不会产生烟尘和未燃烧的有害气体,其加热的过程是在炉腔中完成的,无明火,使用更加安全可靠。20 （1）微波炉的基本外形和构造①门安全联锁开关--确保炉门打开，微波炉不能工作，炉门关上，微波炉才能工作；②视屏窗--有金属屏蔽层，可透过网孔观察食物的烹饪情况；③通风口--确保烹饪时通风良好；④转盘支承--带动玻璃转盘转动；⑤玻璃转盘--装好食物的容器放在转盘上，加热时转盘转动，使食物烹饪均匀；⑥控制板--控制各档烹饪；⑦炉门开关--按此开关，炉门打开。1.2.3微波炉的工作原理（1）微波的特性  微波是一种频率为300MHz~300GHz的电磁波，它的波长很短，具有可见光的性质，沿直线传播。微波在遇到金属材料时能反射，遇到玻璃、塑料、陶瓷等绝缘材料可以穿透，在遇到含有水分的蛋白质、脂肪等介质可被吸收，并将微波的电磁能量变为热能。由于微波的频率较高，它的传输需要用高导电率的波导管来传输。  微波的频段虽然很宽，但是真正用于微波加热的频段却很窄，主要原因是避免使用较多的无线电频率，防止对微波通讯造成干扰。国际上，家用微波炉有915MHz和2450MHz两个频率，2450MHz用于家庭烹调炊具，915MHz用于干燥、消毒等工业，医疗行业等。（2）微波加热原理   被加热的介质一般可分为无极性分子电介质和有极性分子电介质。有极性分子在没有外加电场时不显示极性。如果将这种介质放在外加电场中，每个极性分子会沿着电场力的方向形成有序排列，并在电介质表面会感应出相反的电荷，这一过程称为极化。外加电场越强，极化作用也越强。当外加电场改变方向时，极性分子也随之以相反的方向形成有序排列。若外加的是交变电场和磁场，极性分子将被反复交变磁化，交变电场的频率越高，极性分子反复转向的极化也就越快。此时，分子热运动的动能增大，也就是热量增加，食物的温度也随之升高，便完成了电磁能向热能的转换。（3）微波炉的工作过程20    电控系统将220V交流电压通过高压变压器和高压整流器，转换成4000Ｖ左右的直流电压，送到微波发生器产生微波，微波能量通过波导管传入炉内腔里．由于炉内腔是金属制成的，微波不能穿过．只能在炉腔里反射，并反复穿透食物，加热食物．从而完成加热过程。第2章总体方案设计按照任务书设计要求,本次的课程设计是通过PLC实现对其的智能化控制.在熟悉了微波炉的工作原理后,利用PLC良好的可编程性，快速的信号处理能力和控制能力，辅助以键盘的输入模块，声光显示模块等构成控制系统。我们在烹调模式显示、超温报警设置、炉门密封和加温完毕智能提醒等方面进行了设计。因设计的时间关系,在本次设计中,烹调模式只选择了烹调、烧烤和解冻三种常见的模式,三种模式通过三个LED灯控制,每一个对应一种模式。超温报警也设置一个LED灯控制,为体现其智能化和人性化,同时加上一个报警器,并且超温后将自动停止工作。炉门的密封通过一个限位开关控制,当开关按下时,方能开炉门。加温完毕后,设置LED闪光灯和声音报警器同时提醒功能。温度显示用了四个八段数码管来控制,并且设置了加温速度和时间按钮,也有火力大小按钮来调节。还设置有一些功能按扭,但可能因为时间的关系不可能全部做出来。2.1系统原理设计2.1.1系统总体框图设计（1）利用PLC良好的可编程性，快速的信号处理能力和控制能力，辅助以键盘的输入模块，声光显示模块等构成控制系统20 可编程控制系统模块工作状态设置键盘输入模块温度自检模块状态显示模块声光提示模块红外线检测模块图2.1系统原理框图2.微波炉控制系统主电路图见最后一页附图2.22.1.2微波炉电器结构图图2.3微波炉电器结构图XP.电源插座FU.熔断器ST.温控器T1.低压变压器S1S2门联锁开关S3.门监控开关RT.热敏传感器K1K2.继电器EL.炉灯M1.转盘电机M2.风扇电机T2.高压变压器C.高压电容器V1.保护器二极管V2.高压二极管MT.磁控管概述本次设计的微波炉电器运行原理如下：把要烹饪的食物放入炉内，插上电源插头XP，关好炉门，此时继电器K2常开开关闭合，门联锁开关S1断开。通过温控器ST来控制，继电器K1开关闭合，炉灯亮。启动微波炉，门联锁开关S2闭合，转盘电机M1.20 风扇电机M2通电运转。若选择高温档，门监控开关S3闭合，高压变压器T2通电，磁控管MT连续发射微波加热；若选择其他档位，门监控开关S3处于通断交替状态，磁控管MT断续发射微波加热。2.2微波炉外观结构设计2.2.1微波炉内部结构图图2.4微波炉内部结构图(1)门安全连锁开关确保炉门关闭，微波炉才能正常工作。(2)视频窗有金属屏蔽层，可透过网孔观察食物烹调情况。(3)波导口磁控管发射的微波进入腔体的通道。(4)转轴带动玻璃转盘转动。(5)转盘支承支承玻璃转盘并按其轨道转动。(6)玻璃转盘装好食物的容器放在转盘上，加热时转盘转动，使食物烹调均匀，以达到理想的均匀烹调效果。(7)控制板详见控制面板。(8)光波管安装在炉腔顶部，使用光波功能时发出光波。(9)金属网架光波烹调食物时的托架。2.2.2微波炉控制面板设计（1）指示灯及按键功能简介：启动当微波炉正常工作时，指示灯亮。当遇到特殊情况时，指示灯灭。停止当微波炉正常工作完时，指示灯灭并发出蜂鸣。并在开门的瞬间使微波炉内的照明灯亮，当门关闭时该灯不亮，若门在规定时间内没有关闭，该灯也熄灭。超温报警通过调通过高敏铂电阻对模拟温度变化并数码管显示。当温度上升到一定的值时，指示灯亮并发出蜂鸣表示过热，温度过热限度由键盘设置。烹调模式用于不同信息显示的切换。可显示当前的设定时间、当前的炉内温度和设定的最高温度等。20 烹调快速设定当前加热时间和火力的合适烹调的值。一般通过温度传感器将加热温度。烘烤快速设定当前加热时间和火力的合适烘烤的值。解冻快速设定当前加热时间和火力的合适解冻的值。温度设置用于设置加热的温度最高值。有10分、1分、10秒的按键选择。（2）微波炉的控制面板如图下所示图2.5微波炉的控制面板示意20 第3章硬件电路设计3.1元件选择在此次的设计中,因为转盘和风扇都需要电机的带动,故在选择元件时要选择几个重要的元件：PLC机，转盘电机，风扇电机，磁控管和高压变压器。因设计时间的关系,本次设计对其它元件的选择不做详细的说明,但经老师的指导，所有的元件均符合设计的要求。3.1.1PLC的选择以及I/O参数可编程序控制器简称PLC，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。它的应用面广,功能强大，使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其他领域，如民用和家庭自动化中的应用也是迅速发展，本次设计就基于PLC的智能微波炉控制系统设计。选择合适的PLC系列，PLC根据硬件结构的不同，可以将PLC分为整体式PLC和模块式PLC。本次设计为控制微波炉选用整体式PLC，整体式又叫做单元式或箱体式，CPU模块I/O模块和电源装在一个箱状机壳内，结构非常紧凑，同时它的体积小，价格低等优点。本次设计PLC选用三菱公司FX2N系列的，FX2N系列是三菱公司PLC是FX家族中最先进的系列。具有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块等特点，为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。选择具体I/O要求的PLC机根据前面提到的功能要求，其I/O的需求列举如下：继电器驱动：烹饪、烧烤、解冻、火力、转盘、风扇共620 个输出ports。蜂鸣器驱动：1个输出ports按键：启动键、停止键、烹饪模式键，定时键共9个输入ports门状态检测：1个输入ports指示灯检测：6个输出ports显示数码管：5个COM，9个段，需14输出ports温度检测：1个A/D输入port简单加起来总共需要27个输出ports，11个输入ports。考虑其他的因素选用PLC系列FX2N—64MR—001。3.1.2电机的选择及基本参数微波炉的风扇电机（罩极电机系列）：YJ61/10-2。YJ61型主要用于微波炉、吸顶式空调、自动烘手机、冰箱、电教投影仪等。其技术参数如表3.1所示风扇电机的主要作用是驱动风扇为磁控管降温。如果风扇电机不工作，就会造成磁控管温升过高，使热电断路器动作，切断微波炉的电源。见表3.1风扇电机技术参数型号电压(V)频率(Hz)转向负载电流(A)输出功率(W)YJ61/10-222050逆时针0.15015.0表3.1电机YJ61/10-2技术参数微波炉的转盘电机（同步电动机系列）49TYJ-B-3。其主要技术参数见表3.2转盘电机的作用是带动炉膛内的圆盘转动，圆盘又带着盘中的食物作同步圆周运动，使食物在微波场中的位置不断改变，以达到均匀加热食物的目的。转盘电机安装在微波炉中炉膛低侧的中央。见表3.2转盘电机主要技术参数额定电压220V绝缘强度1500VAC/min噪音<45db空载功率<8W温升60K空载电流<25mA转速30rpm绝缘电阻>100MΩ转矩10Kgf.cm额定频率50Hz表3.2电机49TYJ-B-3主要技术参数3.1.3磁控管的原理和结构磁控管是微波炉的关键器件，主要由管芯和磁铁两部分构成。20 管芯由阴极、灯丝、阳极、天线(波导管)等构成。其工作原理是：在接通电源后，高压变压器次级灯丝线圈两端产生的3.3V交流电给磁控管灯丝供电。与此同时，高压绕组产生的约2000V交流高压经高压电容限流，二极管整流后得到约2000V的直流高压加至磁控管阳极(阳极接地，实际上是阴极为负2000V)，形成加速电场。使阴极发射的电子向阳极加速运动。在电子向阳极加速运动的过程中还要受到永久磁铁所形成的垂直方向上的强磁场作用，因此电子是边旋转边向阳极加速运动(就像子弹在枪管中的运动一样)，旋转速度也不断变快。阳极做成内齿轮状，形成偶数个空腔，称为谐振腔。每个谐振腔就是一个微波谐振器，其谐振频率取决于谐振腔尺寸。电子在通过扇形谐振腔时会发生振荡．且频率不断升高。当频率达到2400MHz以后便形成微波，由波导管口发射，再传输到炉膛内对食品加热。图3.1磁控管结构图  3.1.4微波炉高压变压器结构和原理高压变压器是_种专用漏磁(感)变压器，其结构示意如图所示。由图可见，高压变压器共有3个绕组，其中一个初级绕组，交流220V市电电压施加在此绕组中；两个为各自独立的次级绕组；即输出交流3．3V的灯丝电压绕组和输出交流2100V左右的高压绕组。在初、次级绕组之间插有一定厚度的多片硅钢片，使变压器中形成一个具有高磁阻间隙的磁分路。当高压变压器工作时，磁分路中将产生一定量的漏磁通，20 它控制着变压器的输出电流，使磁控管工作电流保持相对稳定，原理简述如下图3.2微波炉高压变压器结构图控管工作时，变压器的次级高压绕组中有振荡电流流通，使其附近的铁芯产生磁饱和现象。假设因市电波动等原因而引起磁控管阳极电压上升、阳极电流增大，那么变压器次级绕组的电流也增加，使磁饱和度加深，漏磁通增大，这就使得变压器次级高压下降，也即磁控管阳极电压降低，阳极电流下降，反之则相反，从而起到自动调节阳极电压、电流及稳定微波输出功率的作用。 可见，高压变压器主要是靠漏磁通使磁控管工作电流保持稳定的，因此也被称作漏磁(感)变压器。这种变压器可在市电波动范围较宽的情况下保持磁控管阳极电流的稳定，因而在微波炉中获得了广泛应用，除特种产品外，几乎所有的微波炉均采用这类变压器。20 3.2PLC控制设计3.2.1PLC输入输出分配（1）输入部分①限位开关：设置一个微波炉门开关，利用开关的不同状态模拟微波炉的开关门。②时间设定：通过调整10分、1分、10秒键，设定系统的工作时间，按启动键开始倒计时；按暂停/取消键系统暂停工作，倒计时停止，再按暂停/取消键系统将取消本次操作，返回到待机状态。③烹调模块设定：可独立智能设置不同的烹饪模块（烹饪，烧烤，解冻），同时不同的模块可以分不同的时间段、不同的加热功率进行工作。④火力设定：在开机时默认从最小火力等级开始，每按一次火力控制键，火力等级增加一级。达到最高级，再按下时又返回最小火力等级。⑤温度设定：通过高敏铂电阻来实现对温度的控制。当温度达到预设温度后，微波炉停止加热，并发出报警信号。（2）输出部分输出部分用4个LED数码管，5只发光二极管，1个报警灯和1个蜂鸣器来显示微波炉当前的工作状态。其中：采用2个LED数码管显示加热倒计时时间，1个LED数码管显示当前的加热火力，1个LED数码管显示当前的功率。3只发光二极管来提示3种烹饪模式的开关状态，1只发光二极管来显示火力档的开关状态，1只发光二极管来提示微波炉的启动和停止状态。1个报警灯提示是否出现报警事件，1个蜂鸣器提示微波炉是否有声音发出。3.2.2工作流程图因时间的关系,对于设计面板的有些功能不能在短时间实现。在此次的设计中可能实现的功能具体见其工作流程。对于其中有点调整的地方，一切以其工作流程图3.3为依据。20 初始化待机状态启动键烹饪键烧烤键解冻键温度键停止键工作状态灯亮延时烹饪子程序烧烤子程序解冻子程序温度控制程序烹饪灯亮烧烤灯亮解冻灯亮温度调节指示发出声音警报和闪烁灯图3.3工作流程图3.2.2PLC外围接线图由上图的工作流程图可知，其输入有：启动、停止、烹调、烧烤、解冻、加热（温度设置），输出有：相对应的灯以及提醒装置。其外围接线图如下图3.4所示；微波炉控制的I/O分配表如下：输入端X0启动X1停止X2门限位开关X3烹饪X4烧烤X5解冻X6加热火力X710秒X81分X910分输出端Y0蜂鸣器Y1LED显示器Y2报警灯Y3烹饪灯Y4烧烤灯Y5解冻灯Y6加热火力提示灯Y7风扇电机Y8转盘电机20 图3.4PLC外围接线图图3.5电动机基本启停控制3.3电路部分模块介绍3.3.1LED显示电路采用共阳极动态显示，加三极管驱动提高显示亮度，编码简单，易于控制，实践证明：该方式显示稳定，误码率低。20 图3.6LED显示电路3.3.2温度自检电路采用高灵敏铂电阻R2（pt100），配合运算放大电路组成温度采集电路。再经AD转换电路，进入控制系统，实现温度的适时控制，用户可输入加热温度，温度加热后自动停止加热。从而实现自动控制。图3.7温度自检电路20 3.3.3炉门检测炉门的密封通过一个限位开关控制，炉门的开关用于检测炉门的现行状态，正常工作时炉门对微波起着很好的反射和屏蔽作用，开门前无表要保证微波炉处于停止工作状态，因为微波对人体有害，因此炉门的检测至关重要。当炉门打开时，一方面停止磁控管的工作，因为微波有害身体；另一方面，应接通炉腔内的照明灯，以便于用户取放食品。20 收获体会  紧张而有辛苦的两周的课程设计我们做的是一个基于PLC的智能微波炉控制系统设计。由于我们都是学理论，没有过实际开发设计的经验，拿到的时候都不知道怎么做。但通过查资料并学习。我们基本学会了PLC设计的步聚和基本方法，和一些机械电器元件的选择等。分组工作的方式给了我与同学合作的机会，提高了与人合作的意识与能力。通过合作，我们的合作意识得到加强。合作能力也得到提高。上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们用了分工与合作的方式，每个人互责一定的部分，同时在一定的阶段共同讨论，以解决分工中个人不能解决的问题，在交流中大家积极发言，并提出意见，同时我们还向别的同学请教。在此过程中，每个人都想自己的方案得到实现，积极向同学说明自己的想法。能过比较选出最好的方案。在这过程也提高了我们的表现能力。   课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。短短两周是课程设计，使我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用．想到这里，我们没有一个不心急的，可是老师们有足够的耐心来对我们的问题进行点评，这样每次我们以为设计成功时，老师又慢慢的道出我们的错误了。但是古语有云，知错能改，善莫大焉，最后我们经过了几次修改后，设计终于过了，我们在高兴的同时又感受的老师们的辛勤劳动和亲切的鼓励，最后，我要感谢我的老师们，是您严厉批评唤醒了我，是您的敬业精神感动了我，是您的教诲启发了我。20 参考文献[1]郑凤翼编著新编实用电工电路400例人民邮电出版社,1997[2]寥常初编著FX系列PLC编程及应用机械工业出版社,2005[3]程周编著PLC技术与应用福建科学技术出版社,2003[4]李春富编著家用电器原理与实践中国石化出版社,1995[5]宗景瑞编著家电产品的开发与设计北京理工大学出版社,2001[6]蒋嵘吴晨曦编著机电传动原理与系统实验指导书湖南工程学院机电教研室,200920 附图2.2：主电路图图2.2主电路20 20'