王安敏 耿云飛

（青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 青島 266061）

1 引言

隨著人口數(shù)量的增加以及生活節(jié)奏的加快，大型肉食食品加工廠的數(shù)量在不斷的增加，為保證食品的完整性以及便利，大都是整只進行冷藏，而解凍成了一定問題，傳統(tǒng)的解凍方式出現(xiàn)了解凍速度慢、營養(yǎng)流失等問題［1］。而用磁控管進行微波解凍很好的解決了以上問題，本設(shè)計研發(fā)一種大容量解凍柜以STM32F407為核心控制整套解凍系統(tǒng)，STM32F407屬于ARM系列單片機相比其他低端單片機能更好的建立人機交互觸摸液晶屏桌面，同時具有144個引腳，1MBFLASH，192KBSRAM，32位定時器，USB，I2C確保系統(tǒng)運行的可靠性以及數(shù)據(jù)保存和運行的時長性［2～3］。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力實現(xiàn)PID算法參數(shù)的最優(yōu)化組合進而調(diào)節(jié)箱體溫度，從而提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、魯棒性、穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)裝置的可控性以及效果的可靠性，取得最理想的控制效果，達到理想的解凍效果。

2 系統(tǒng)工作原理設(shè)計

該裝置解凍系統(tǒng)主要由噴霧加濕器噴頭1、內(nèi)箱體支架2、變壓器3、超導(dǎo)熱管4、空間溫度傳感器5、肉體溫度傳感器6、散熱風(fēng)扇7、磁控管8、濕度傳感器9、重量傳感器10組成。將需要的解凍的大型肉體，放入箱體，由DYLY-102測量采集解凍體重量信息，由磁控管M24FB-210A產(chǎn)生電磁波進貫穿物體迅速加熱，由紅外線傳感器測量解凍體的體表溫度，由WZPT-100鉑電阻溫度測溫器及AM2305數(shù)字溫濕度測溫器測量箱體內(nèi)的溫濕度，由加濕器進行加濕處理，通過神精網(wǎng)絡(luò)多元素融合進行PID運算調(diào)節(jié)溫濕度、設(shè)定工作時間，使溫濕度精確控制達到所設(shè)定的值，得到良好的解凍效果，其中加濕器由繼電器控制通斷［4～6］，系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 解凍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件電路

3.1 溫濕度檢測電路

設(shè)備采用WZPT-100鉑電阻溫度測溫器測量箱體內(nèi)，采用TN901紅外線溫度傳感器測量解凍體表面溫度防止溫度過高破壞肉體表面質(zhì)量，AM2305數(shù)字溫濕度測溫器測量箱體濕度同時為控制器計算提供解凍體中心溫度參數(shù)［7～10］。WZPT-100溫度檢測器由304不銹鋼管組成測量范圍-200℃～150℃由螺紋密封可以防止微波泄露，并且單線傳遞數(shù)據(jù)，控制電路如圖2，AM2305數(shù)字溫濕度測溫器的連接線路同時也是單線傳遞數(shù)據(jù)如圖3，TN901紅外線溫度傳感器控制電路控制如圖4。

3.2 稱重系統(tǒng)的電路設(shè)計

DYLY-102稱重感應(yīng)器，將重量測量信息變成電壓信號，通過特定激勵芯片放大并通過A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換將電壓信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號并將信息傳遞到STM32參與數(shù)據(jù)運算，控制加熱時間及溫濕度的調(diào)試計算，同時將測量數(shù)據(jù)信息保存到數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)在液晶屏上顯示，其連接線路如圖5。

圖2 WZPT-100控制電路

圖3 AM2305控制電路

圖4 TN901控制電路

圖5 DYLY-102控制電路

3.3 其他輔助電路設(shè)計

1）液晶觸摸屏控制電路

選擇eView ET070智能顯示屏作為人機交互設(shè)備，主要用來輸入?yún)?shù)、查看箱體內(nèi)實時溫度、濕度等參數(shù)，該觸摸屏是16位色彩屏，內(nèi)部有128M FLASH、64MSDRAM儲存器可以用于數(shù)據(jù)程序的保存，需要24V的供電模塊，與STM32串口連接。

2）報警電路

該設(shè)備的快速解凍系統(tǒng)需要蜂鳴器進行報警以及提醒，當(dāng)解凍完成，艙門沒關(guān)，加熱時間過長等系統(tǒng)失誤時會進行提醒，電路圖如圖6。

圖6 蜂鳴器控制電路

4 溫濕度系統(tǒng)調(diào)節(jié)設(shè)計

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法

BP神經(jīng)網(wǎng)路PID算法就是經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)調(diào)整和學(xué)習(xí)為PID的線性控制提供數(shù)據(jù)參數(shù)，控制比例（KP）、積分（KI）、微分（KD），使箱體內(nèi)的溫度可以最大可能的接近理想值，實現(xiàn)微波解凍的最優(yōu)化，控制結(jié)構(gòu)圖如圖7。增量式PID控制算式：

公式中：KP為比例系數(shù)，KI為積分系數(shù)，KD為微分系數(shù)，uk為PID的控制器輸出，y(k)為供熱系統(tǒng)的加權(quán)位移量，r(k)為溫度設(shè)定量，e(k)為時間k時的位移系統(tǒng)設(shè)定量與加權(quán)位移量的偏差。

圖7 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制結(jié)構(gòu)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層的輸入、輸出各為

式中rp為變化量的理想設(shè)定值，yp為測量值。

正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值量由最快下降法來修正，就是朝權(quán)系數(shù)的減小方向進行搜索調(diào)整，另外附加一個全局極小的慣性項用來使搜索速度加快收斂，從而得到：

式中η學(xué)習(xí)速率，α平滑因子。

由式（1）～式（6）及增量式PID控制算法計算可得：

綜上所述，可得輸出層的權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)計算公式：

根據(jù)以上公式推理，可得到隱含層的權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)計算公式：

4.2 溫度控制方法

經(jīng)過熱負(fù)荷計算本裝置采用四個紅外線溫度傳感器，進行多點解凍體表面溫度檢測，由于體積較大所以每個磁控管都由相對應(yīng)的溫度傳感器參與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計算并進行調(diào)節(jié)，同時參與調(diào)節(jié)的還有八個散熱器分別裝備的位置不同，以及十根超導(dǎo)熱管參與散熱防止溫度過高使解凍體的內(nèi)外受熱不均勻，散熱器以及磁控管都可以單獨通過調(diào)節(jié)PWM進行獨立控制，確保每部分空間的熱量都可以根據(jù)解凍體的解凍情況進行均勻溫度控制，同時用WZPT-100鉑電阻溫度測溫器檢測箱體內(nèi)的空間溫度，提供箱體溫度參數(shù)進行檢測箱體溫度避免箱體溫度過高影響解凍體內(nèi)外溫度差過高，控制磁控管以及散熱器調(diào)整PWM調(diào)整溫度控制，保證解凍體解凍完成后整體溫度保持在-2℃～0℃以內(nèi)，便于加工計算解凍時間由稱重器測的信息估算解凍時間范圍并綜合解凍過程中的溫度控制信息經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID多元素參與計算確定解凍完成時間，加快解凍時間［11～15］，控制流程如圖8。

圖8 控制流程

4.3 濕度控制方法

磁控管進行加熱時會對解凍體及箱體內(nèi)的水分進行蒸發(fā)，會使食物在解凍過程中失去大量的水分，會影響食物的口感及賣相甚至?xí)诩庸み^程中影響加工參數(shù)，經(jīng)過大量的實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)箱體的維持在96%RH時對食物的口感以及加工的溫度控制都能起到很好的作用，裝置設(shè)計使用加濕器在解凍體解凍過程中進行箱體加濕，箱體的加濕時間由紅外線溫度傳感器，濕度傳感器經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計算調(diào)試確定加濕器運行時間。加濕器采用25S為一周期的周期性檢測并多元素綜合經(jīng)過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計算設(shè)定時間，當(dāng)加濕時間少于15s時加濕器不進行工作，避免加濕器啟動過于頻繁影響機器的使用壽命，大于15s時加濕器開始啟動加濕，用來維持恒定的96%濕度箱體環(huán)境。

4.4 系統(tǒng)程序設(shè)計

解凍的解凍是以磁控管，散熱器以及加濕器作為整套設(shè)備解凍的核心，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID進行計算確定調(diào)節(jié)參數(shù)然后通過PWM的占空比來調(diào)節(jié)和控制各個部件，進而實現(xiàn)各個部件的功率輸出的調(diào)節(jié)，來達到利用磁控管解凍的目的［16～18］，流程圖如圖9。

圖9 系統(tǒng)程序圖

圖10 微波解凍時間折線圖

5 數(shù)據(jù)分析比較

選用質(zhì)量基本相同的冷凍24h的兩頭豬，達到相同的溫度，在普通解凍方式和微波解凍方式下進行解凍，根據(jù)解凍數(shù)據(jù)繪制折線圖如10圖所示，對比發(fā)現(xiàn)微波解凍方式下比常規(guī)方式解凍的速度快，說明了通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID計算控制后可以有效地控制裝置，有效地控制解凍體快速的解凍。

6 結(jié)語

設(shè)計在傳統(tǒng)的解凍方式基礎(chǔ)上加上STM32為核心控制系統(tǒng)的以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID為算法的新型大容量微波解凍裝置，利用磁控管產(chǎn)生的微波進行解凍使解凍體解凍均勻，節(jié)約時間，衛(wèi)生等優(yōu)點以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法的靈敏性、超調(diào)量小、抗干擾等優(yōu)點，采集計算數(shù)據(jù)參數(shù)通過STM32豐富的接口以及簡化電路控制整個系統(tǒng)，保證精確達到解凍效果，優(yōu)化解凍效果，在工業(yè)生產(chǎn)上具有廣泛的前景和實用性。