基于PLC的智能微波炉控制系统设计.doc

课程设计说明书题 目 基于PLC的智能微波炉控制系统设计 机械工程 学院专业 机械设计制造及其自动化 班级 XXXX 学号 XX 学生姓名 XXX 指导老师 XX、XXX 完成日期 20XX年 XX月 湖南工程学院课程设计任务书设计题目：基于PLC的智能微波炉控制系统设计姓名XXX系别XXX专业XXXX班级XXXXXX学号XX指导老师XXX、XXX 教研室主任 一、基本任务及要求1设计任务（1）机械部分 设计全自动智能微波炉机械结构图（2）硬件 设计全自动智能微波炉控制电路分析智能微波工作流程，完成工作原理图；主电路图；控制器接线图；组件选型；电机选择，设计计算传动系统。单元控制电路：烹调模式显示电路； 烹调终结闪烁提示电路；按键控制电路；安检控制电路。（3）软件 设计全自动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；烤盘转速控制；箱门密封、食物烤焦安检； 转速（升降速时间0.5s、恒转速n=0.5r/s）；烹调模式显示；烹调终结闪烁提示等。2要求（1）绘制硬件接线框图；智能微波炉控制流程框图及其它原理图。（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。二、进度安排及完成时间1设计时间 二周（从2XXX年1X月XX 日至2009年X2月 2X 日）2进度安排 第一周 布置设计任务；查阅资料；熟悉设计任务和方案；设计并绘制硬件电路图；设计控制软件流程框图；智能微波炉机械传动装置结构设计；传动计算并选择控制电机。第二周 编写主程序、功能子程序；调试主要功能子程序；并记录存在的问题和解决问题的方法；整理设计资料；按格式撰写设计说明书；上交设计作业（打印稿及电子文档）；并参加答辩。注：程序设计23人；硬件电路设计23人；机械结构设计2人目 录第1章 绪论11.1引言11.2微波炉概述2 1.2.1 微波炉的种类2 1.2.2 微波炉的基本结构21.2.3 微波炉的基本原理3第2章 总体方案设计42.1总体系统设计4 2.1.1系统总体框图设计4 2.1.2微波炉电器结构图52.1微波炉外观结构设计6 2.1.1微波炉外观结构6 2.1.2微波炉显示面板6第3章 硬件电路设计83.1 元件选择8 3.1.1 PLC的选择以I/O参数8 3.1.2 电机选择以及基本参数9 3.1.3 磁控管原理和结构9 3.1.4 高压变压器原理和结构103.2 PLC控制设计 12 3.1.3 PLC输入输出分配12 3.1.3 PLC工作流程图12 3.1.3 PLC外围接线图133.3 电路部分模块设计 14 3.3.1 LED显示电路14 3.3.2温度自检电路15 3.3.3炉门检测16收获体会17参考文献18附图：主电路图第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2000045000Hz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。（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5001000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。（1）微波炉的基本外形和构造门安全联锁开关-确保炉门打开，微波炉不能工作，炉门关上，微波炉才能工作； 视屏窗-有金属屏蔽层，可透过网孔观察食物的烹饪情况； 通风口-确保烹饪时通风良好； 转盘支承-带动玻璃转盘转动； 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； 控制板-控制各档烹饪； 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 300MHz300GHz 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 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4000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 S1 S2门联锁开关 S3.门监控开关 RT.热敏传感器 K1 K2.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. 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。 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。3.1.1 PLC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6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FX2N64MR001。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100M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。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33V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，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。3.2 PLC控制设计3.2.1 PLC输入输出分配（1）输入部分 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。 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。 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。 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。 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。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3.2.2 PLC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3.3.1 LED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。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。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P