智能微波炉控制系统设计论文大学论文.docx

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智能微波炉控制系统设计论文大学论文

摘要

随着科学技术的日益进步，电气控制与可编程控制器技术以及材料技术近年来得到了很大的发展。

各个地区的生产工厂和微波炉研发机构，为了实现微波炉消费者的需求，现已将各种先进的现代化技术应用于微波炉，推出了一系列新颖先进的微波炉产品。

课题设计是一个基于三菱FX2N系列PLC的智能微波炉控制系统，FX不但具有编程简单、通用性强、抗干扰能力强、可靠性高等优点，而且容易操作和维护，设计、施工以及调试周期也短。

本篇文章根据智能微波炉控制系统的控制要求，确定了基于PLC的智能微波炉控制系统的设计方案；完成了PLC主电路和辅助电路的设计；编写相应的梯形图，在熟谙了微波炉工作原理的基础上，对课题进行系统设计，利用可编程控制器，通过键盘输入模块，门限位与传感器模块等组成控制系统，完成了三种烹饪模式、三种定时时间、完成提醒和超高温报警等功能。

本设计中使用到的主要软件有GXdeveloper和GTdesigner3，其中GXdeveloper是用来编写程序并调试程序的，GTdesigner3是用来对系统进行仿真的。

关键词：

PLC；智能微波炉控制系统；仿真

ABSTRACT

Withtheprogressofscienceandtechnology,electricalcontrolandPLCtechnologyandmaterialstechnologyinrecentyearsithasbeenagreatdevelopment.MicrowaveR&Dandproductionfacilitiesinvariousregionsathomeandabroad,inordertomeettheneedsofconsumermicrowaveovens,variousadvancedmoderntechnologyusedformicrowaveovens,launchedaseriesofnewadvancedmicrowaveproducts.

SubjectdesignisbasedonaMitsubishiFX2NseriesPLCintelligentcontrolsystemforamicrowaveoven,FXonlywithprogrammingsimple,versatile,stronganti-jammingcapability,highreliabilityandeasyoperationandmaintenance,design,constructionandcommissioningperiodisshort.

ThisarticleaccordingtothecontrolrequirementsofintelligentmicrowaveovencontrolsystemtodeterminethedesignofPLCintelligentcontrolsystembasedonthemicrowaveoven;PLCcompletedthedesignofthemainandauxiliarycircuits;preparethecorrespondingladder,akeyissueinthefamiliarsystemdesignafterworkingprincipleofthemicrowaveoven,theuseofPLCprogrammablegood,fastsignalprocessingandcontrol,aidedbythekeyboardinputmodule,doorstopperandsensormodulecomposedofthecontrolsystem,thecompletionofthreecookingmodes,threekindsoftiming,completionremindersandultra-hightemperaturealarm.UsedinthisdesigntothemainsoftwareGXdeveloperandGTdesigner3,whereGXdeveloperisusedtoprogramanddebugtheprogram,GTdesigner3isusedforsystemsimulation.

Keywords:

PLC;intelligentmicrowaveovencontrolsystem;emulation

1绪论

1.1设计意义

微波炉已经逐渐走进了我们大部分的家庭，使用微波炉给我们带来了很多的方便。

微波炉有很多功能，设计中实现了微波炉的三大基本功能。

①食品加热——使用微波炉进行食品加热既方便又快捷。

在加热过程中，微波会以每秒24.5亿次的频率使食品中的极性分子（如水分子）震动摩擦，产生分子热。

同时，使用微波加热不通过容器中介质的传热和散热，在微波炉中加热和食品的深度范围，加热，所以加热时间会缩短，升温速率加快，操作也简便。

②食品解冻——冷冻食品在很短的时间内很难解冻，人们往往会很十分困苦。

利用微波炉解冻，则可在微波所能到达的深度范围里内外同时受热解冻，速度快。

微波炉从设计上保证了在解冻档解冻时，能最大限度地限制微生物繁殖，最大限度地保持食品原有的新鲜品味。

③烧烤——一般家庭里都没有烤箱，因此在微波炉上配有简易的烧烤功能，对于普通家庭来说很方便。

PLC由于可靠性高：

在超高温的故障下依然能进行超高温报警、功能完善、易学易用、系统设计周期短、体积小等优点成为现代工业控制的三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一。

因此，课题设计采用PLC作为控制器。

1.2设计内容

（1）硬件：

分析微波炉的工作流程，设计全自动智能微波炉控制电路；控制器接线图；主电路图；电机选择；组件选型。

显示电路；工作结束闪烁提示；提示电路；按钮控制电路。

（2）软件：

设计智能微波炉控制程序。

控制要求：

能够控制智能微波炉的启动/停止/复原；箱门密封安检；当前工作模式显示；工作闪烁提示等。

1.3设计要求

（1）绘制硬件接线框图；智能微波炉控制流程图及PLC的I/O口接线图。

（2）撰写设计说明书，并附程序清单及其功能注释。

（3）调试控制程序。

1.4微波炉简述

微波炉（图1.1）是用微波来加热食品的。

微波炉加热过程很短，其中养分和维生素丢失少，并且矿物质、氨基酸的存活率会比其他方法高许多。

与煤炉、煤气相比较而言，其工作时不会产生类似于碳未完全焚烧而导致有害气体和烟尘，其工作加热食物是在炉腔中实现的，不会存在明火，用起来更加安全安心。

微波是一种电磁波。

微波炉可以分为电源，磁控管，炉腔和控制电路等部分。

电源给磁控管提供大约4200V的高电压，磁控管在电源所给的激励下，持续产生微波，微波通过波导系统，耦合到腔内。

在入口处的空腔中有一个旋转的搅拌器，因为搅拌器是一个金属风扇，由于金属可以反射微波，搅拌器可以各个方向的旋转，所以微波能被反射到炉内每一个角落，因此炉内的微波的能量是很均匀的。

微波炉的功率范围一般为500～1000W。

图1.1微波炉示意图

1.5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，微波波长很短，拥有可见光的性质，沿着直线传播。

微波炉里的金属材料能够满足微波的折射，而且微波碰到陶瓷、玻璃、塑料等绝缘物质可以穿透，在遇到含有水分的蛋白质、脂肪等介质时被吸收，在同一时间，微波电磁能量转化为热能。

由于微波的高频率，微波传输需要高导电性的波导管。

尽管微波频段非常宽，但是用在微波加热的频段却很窄，主要原因是尽量使用较少的无线电频率，以防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用于医疗行业、消毒等工业、干燥等。

（2）微波炉的工作过程

电路控制系统将220V交流电压通过高压变压器的变压和高压整流器的整流，转换成4200V左右的直流电压，送至磁控管产生微波，微波能量通过波导管传到炉内腔中。

因为金属的特性，微波不能穿过炉内，只能在炉腔中反复折射，反复穿透食品，被脂肪、含有水分的蛋白质的物质吸收能量，加热食品，这样才能完成加热过程。

2总体方案设计

按照任务书设计的要求，课题设计是基于三菱PLC实现对微波炉的智能化控制。

在熟知了微波炉的工作原理之后，通过使用可编程控制器良好的可编程能力，精确的信号处理能力和控制能力，和面板的按键模块，声光显示模块等的辅助组成了基于PLC的控制系统。

课题设计在烹饪模式显示、炉门密封、时间倒计时显示和加温完毕智能提醒等方面进行了设计。

在课题次设计中，烹饪模式选择了加热、烧烤和解冻3种常用模式，这3种模式由3个LED灯反映，每1个灯对应1种模式。

时间设置中，设定了10秒（10S）、1分钟（1Min）、10分钟（10Min）3个选择项，3时间模式也通过3个LED灯反映，每1个对应1种模式，用于选择加热的时间。

炉门的密封通过一个限位开关感应，限位开关感应为高电平时，即为炉门关闭，反之，则为炉门打开，只有当炉门关闭时，微波炉才能工作。

加温完毕后，设置LED灯和蜂鸣器同时进行提示。

倒计时显示用于方便使用者知道需要等待时间，使用了四个触摸屏来显示。

出于安全性的考虑，课题设计加入了超高温报警模块，用一个温度感应器做为输入，炉内温度高于规定的200℃时，报警器响起。

如若报警器响起，此时可以按下停止/复原按钮，微波炉会返回初始模式，停止/复原按钮可用来清除之前按错的按钮、停止加热的功能，按下停止/复原按钮设备就返回初始模式。

课题设计的微波炉控制系统的使用顺序为：

关好炉门后，选择工作模式，再选择工作时间，按下开始键。

微波炉开始工作，倒计时结束后，完成提示会响应，再打开炉门，完成提示关闭，炉灯亮起，亮过十秒自动熄灭，即可开始下一次的工作。

如遇炉内温度过高超过200℃，警报模块响应，此时需按下停止/复原键，系统回到初始状态。

2.1系统原理设计

2.1.1系统总体框图设计

因为PLC具有良好的可编程性，快速精准的信号控制能力和处理能力，通过键盘的输入模块，声光显示模块等的辅助组成了基于PLC的控制系统，如图1所示。

图1系统原理框图

2.2微波炉结构设计

2.2.1微波炉结构图

图2微波炉内部结构图

微波炉内腔，一共有九个结构，如图2所示。

①门限位开关：

确保炉门封闭时，微波炉才能正常工作。

②视频窗：

有金属屏蔽层，防止微波的泄露。

可透过网孔观察食品烹饪情况。

③波导口：

将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：

装好食品的容器放在转盘上，加热时转盘旋转，使食品烹饪均匀，以达到理想的均匀烹饪效果。

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：

光波烹饪食品时的托架。

2.2.2微波炉控制面板设计

（1）按钮功能简介：

启动：

当关好炉门之后，选择好了工作模式和工作时间后，按下此键之后，微波炉开始工作。

停止/复原：

任何时刻，按下停止/复原按钮，微波炉停止工作，返回到初始状态。

加热：

快速将磁控管发射的微波设定当前火力的合适加热的值。

烧烤：

快速将磁控管发射的微波设定当前火力的合适烧烤的值。

解冻：

快速将磁控管发射的微波设定当前火力的合适解冻的值。

10S：

将微波炉工作时间设定为10秒。

1Min：

将微波炉工作时间设定为1分钟。

10Min：

将微波炉工作时间设定为10分钟。

（2）微波炉的控制面板

控制面板如图3所示。

图3微波炉的控制面板示意

3控制系统硬件设计

3.1元件选择

课题设计中，因为微波炉的主要电路部分为转盘电路、风扇电路和磁控管电路。

风扇和转盘都需要电机的带动，微波需要磁控管和高压变压器的合作发出。

所以在选择元件时选择了这几个重要的元件：

可编程控制器，转盘电机，风扇电机，磁控管，高压变压器，高压电容器。

3.1.1PLC的选择以及基本参数

可编程序控制器（ProgrammableLogicController）简称PLC，它是以微处理器为基础的通用工业控制装置。

它的适用范围广，功能强大，使用方便，使其已成为当代工业自动化的重要支柱之一[l]。

PLC在国内外已广泛地应用在钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、文化娱乐、环保及交通运输等各个行业[2]，PLC在其他领域，如家庭自动化和民用中的应用也是迅速发展，课题设计就基于PLC的智能微波炉控制系统进行设计。

PLC产品的种类繁多。

PLC的型号不同，对应着其编程方式、性能、容量、指令系统、结构形式、价格等均各不相同，适用的场合也各有侧重[6]。

所以，正确的选用PLC，有利于提高可编程控制系统的技术经济指标。

课题设计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。

具备高速处理及可增添大量满足单个需求的特殊功能模块等特征，为自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。

根据以上所提的功能要求，选择具体的可编程控制器，对所需的输入/输出要求进行了分析：

继电器驱动：

加热、烧烤、解冻、转盘、风扇共5个输出口。

指示灯检测：

烹饪模式（三个），定时模式（三个）、高温警报、完成提示，共8个输出口。

蜂鸣器驱动：

2个输出口（一个工作完成提醒的蜂鸣器，一个高温报警蜂鸣器，与相应的提示灯合用）。

炉灯：

1个输出口。

按钮：

启动按钮、停止/复原按钮、烹饪模式按钮（三个）、定时按钮（三个）共8个输入口。

门状态检测：

1个输入口。

温度传感器：

1个输入口。

加起来总共需要14个输出口，10个输入口。

现在应用最广泛的程序编程控制器有三菱和西门子。

三菱程序编程控制器使用范围广、带宽稳定、成本低、传输质量高、速率快、构造易变通、适用面广可是数据处理比西门子弱，但是课程设计中对数据处理要求不高。

西门子程序编程控制器性能强大、可操作性强、有相应配套的伺服系统和组态软件但是价钱过高。

根据其输入输出点数，综合考虑选择三菱FX2N系列的FX2N-32MR型的PLC，如图4所示。

图4三菱PLC系列FX2N—32MR

三菱FX2N—32MR具备高速运算；系统配置即固定又变通；编程易懂简单；共同的外部设备；可自由的选择，丰富的品种；外部机器通讯简单化；令人安心的高性能；使用于多种特殊用途，等优点。

输入点：

16，16点继电器输出，符合课题系统要求。

3.1.2电机的选择以及基本参数

普通微波炉中的风扇电机大都采用15~30W的单相罩极电机，其作用是对磁控管及高压变压器、炉腔等进行通风散热[3]。

单相罩极电机主要特点：

构造紧凑，起动转矩小，精巧美观，噪音低，维护方便简单，振动小。

功率因数低约0.6，效率很低，25%以下。

因此，课题设计选择的是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1所示

风扇电机的主要作用是驱动风扇为炉腔及高压变压器、磁控管等进行通风散热。

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。

表1YJ61/10-2电机技术参数

型号

频率（Hz）

输出功率（W）

负载电流（A）

转向

电压（V）

YJ61/10-2

50

15.0

0.150

逆时针

220

转盘电机用于带动炉腔中的转盘旋转，使食品在微波场中的位置不断改变，使食品加热均匀。

转盘电机通常由永磁同步电机和减速齿轮组构成，转速为5～8转/分，功率为3～5W。

因此，课题设计选择的是49TYJ-B-3。

其主要技术参数见表2和表2.1。

表249TYJ-B-3电机主要技术参数

转速

噪音

转矩

空载功率

绝缘电阻

30rpm

<45db

10Kgf.cm

<8W

>100MΩ

表2.149TYJ-B-3电机主要技术参数

额定频率

额定电压

温升

绝缘强度

空载电流

50Hz

220V

60K

1500VAC/min

<25mA

3.1.3磁控管的选择及其基本参数

磁控管是一种用于产生微波能量的真空电装置，如图5所示。

管内电子与高频电磁场发生互相作用在互相垂直的恒定电厂和恒定磁场下，从恒定电场中获得到的能量转化为了微波能量，这样就能实现产生微波能的目的。

磁控管主要由磁控阴极和阳极、能量耦合装置、磁路和调谐装置五部分组成。

固定频率的磁控管中不设调谐装置。

其工作原理（如图6所示）：

在接通电源之后，高压变压器的次级灯丝线圈产生3.3V交流电提供给磁控管的灯丝。

同时，高压绕组产生2100V的交流高电压经过高电压电容器的电流限制，磁控管阳极被加上经过二极管整流之后得到的4200V的直流高压，实现加速电场。

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之中还受到永久磁铁形成的垂直向上的磁场作用，所以电子是进行边旋转边向阳极加速运动，旋转速度也不断变快。

阳极为内齿轮状，形成了偶数个空腔，这被称为谐振腔。

每个谐振腔就是一个微波谐振器，它的谐振频率取决于谐振腔尺寸。

当电子通过共振腔的扇区时，电子会发生振荡，而且频率会一直增加。

微波是电子频率到达2450MHz形成的，由波导管口发射，再转移到炉内对食物进行加热。

图5磁控管结构图图6磁控管的工作原理

1-阴极；2-阳极；3-天线；4-磁铁1-阴极；2-阳极；3-谐振腔；4-电子

经过查阅资料之后，课题设计选择的是2M217系列磁控管，此磁控管的性能参数为表3所示。

表32M217系列磁控管性能参数

阳极电压

平均功率

频率

阳极电流

灯丝电压

耐压

绝缘（min）

4.2±0.2KV

945±40W

2458±10MHz

300mA

10±2A

10KVDC

200MΩ

3.1.4高压变压器的选择及其基本参数

高压互感器是一种特殊的漏磁变压器，变压器的结构在图7所示。

由图可以发现，高压变压器由3个绕组构成，交流220V市电电压加在此绕组之中；两个为各自的独立次级绕组；就是输出交流3.3V的灯丝电压绕组和输出交流2100V左右的高压绕组。

在初、次级绕组中有一定几片厚度的硅钢片，可以使其形成一个高磁阻隙磁的磁分路。

当高压变压器工作时，磁分路中会产生一定量的漏磁通，它可以控制着变压器的输出电流，使磁控管的工作电流保持相对稳定的状态。

图7微波炉高压变压器结构图

这种变压器可以在市电波动范围较大的情况下保持磁控管阳极电流的稳定，因而在微波炉中得到了广泛的应用，除了特种产品之外，几乎所有的微波炉都采用这种变压器[3]。

3.1.5高压电容器的选择及其基本参数

在微波炉电路中，高压电容的主要作用就是“倍压”作用。

高压电容与高压二极管组成半波倍压整流电路，将高压变压器次级输出的2100V交流电压，进过半波倍压整流就可获得磁控管阳极所需的4200V直流高压，又可使高压变压器减轻总量和缩小体积。

微波炉的高压电容器规格是1uf ，耐压大约2000V交流。

 内部并联了一个10M欧姆的电阻作为关机后高压电容的泄放电阻。

3.2控制系统硬件设计

图8为智能微波炉控制系统的主电路控制图。

图8主电路图

QF1、QF2是低压断路器，又叫做自动空气开关。

低压断路器可用于电能的分配，可以不频繁地启动异步电动机，还可以实现对电源线路和电动机的保护功能。

在线路发生短路、欠电压和过载这些故障的情况下可以自动的切断电路，熔断器式断路器与过流、欠压、热继电器等器件具备的功能，低压断路器同样也具备，最重要的是在故障电流被分断以后基本上都不必更换各零部件，所以低压断路器被广泛地使用着。

FU1～FU3是熔断器，熔断器的结构简单、价格便宜、使用起来很方便，主要作为供电线路和电气设备的短路保护，当通过熔断器的电流超过某一范围且过了设定的某一段时间之后，电流在熔断器的熔体部分上面产生的热转盘电机的量会把熔体的某一部分融化掉使电路断开，这样就可以保护电路和设备。

KM1～KM6是接触器，接触器是一种自动切换开关，主要用来较频繁地开断交直流主电路和大容量控制电路等大电流电路。

KM1为转盘电机的继电器；KM2为风扇电机的继电器；KM3为炉灯的继电器；KM4～KM6相应为加热模式、烧烤模式、解冻模式的继电器，其工作原理为，利用变比不同，电压不同，磁控管发出的微波不同，就呈现出工作模式的不同。

FR1、FR2是热继电器，热继电器是利用电流的热效应原理，然后在电动机出现其不能承受的过载的时候切断电动机电路，为电动机提供过载保护的保护电器。

当电动机的工作电流不超过额定电流时，热继电器应该可靠的不动作。

4控制系统软件设计

4.1PLC控制设计

4.1.1PLC输入输出明细

（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秒按钮，设定系统的工作时间，按启动按钮开始倒计时，倒计时结束，电机停止转动。

③烹饪模块设定：

可独立智能设置不同的烹饪模块（加热，烧烤，解冻），同时不同的模块可以分不同的时间段进行工作。

④启动：

在设置好模式和时间之后，按下此按钮，微波炉开始工作。

⑤停止/复原：

可在微波炉运行之前做复原按钮，清除已按的按钮；可在微波炉运行时，停止运行，倒计时结束，返回到待机状态；可在超温报警器响后，按下此按钮做为复原按钮。

⑥安全自检：

设置一个过高温按钮，模拟炉内温度高于200℃时，危险警报。

（2）输出部分

①继电器驱动：

加热、烧烤和解冻的火力值不同，此区别由硬件完成，所以加热、烧烤和解冻的继电器不同。

转盘电机和风扇电机也各需要一个继电器驱动。

②蜂鸣器：

此设计中需要两个蜂鸣器，并且两个蜂鸣器的声音需不一样，以便分别工作完成提醒和过高温提醒。

当一次的微波炉运行完成之后，蜂鸣器响起，以便提醒运行完成。

在温度感应器高电平时，警报器响起，提醒危险信号。

③指示灯：

在面板上，每个按钮都有一个指示灯，以便显示当前是什么模式。

④炉灯：

在炉门打开时亮起以便于使用者放置需要加热的食品，炉灯亮了超过10秒之后出于节能的性能要求会自动熄灭。

4.1.2PLC的I/O口分配表

输入点的分配如表3所示。

表3输入点分配表

元器件代号

地址号

功能说明

SB1

X000

启动

续表3

SB2

X001

停止/复原

SY1

X002

门限位开关

SB3

X003

烹饪模式

SB4

X004

烧烤模式

SB5

X005

10S

SB6

X006

1Min

SB7

X007

10Min

SB8

X010

高温检测

SB9

X011

解冻模式

输出点的分配如表4所示。

表4输出点分配表

元器件代号

地址号

功