CN106060975B - 电烤/烘箱加热控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电烤/烘箱加热控制系统及控制方法，该控制系统包括电源电路、微控制器、存储器和输入输出终端，还包括与微控制器分别对应电连接的热电偶测温模块和加热控制电路；加热控制电路包括对应设置于箱体内的加热体和用于控制加热体电流通断的继电器，继电器与微控制器对应电连接；热电偶测温模块包括设置于箱体内并与加热体对应连接的热电偶，以及与热电偶对应连接的测温芯片，测温芯片通过SPI总线与微控制器对应电连接。本发明可智能调控电烤/烘箱内加热温度，且能实时反应电烤/烘箱内真实温度、测温范围大，并可自动控制电路的通断，更加安全可靠。

Description

电烤/烘箱加热控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电器加热控制技术领域，具体涉及一种电烤/烘箱加热控制系统及控制方法。

背景技术

烤/烘箱是一种密封的用来烤食物或烘干产品的电器，现在常用的电烤/烘箱多是采用电热元件发热使电烤/烘箱箱体温度升高，从而达到加热食品或烘干产品的目的。目前餐饮业常用的电烤/烘箱往往智能化程度并不高、控温效果不好，且能耗高；因此，如何提供一种能够智能控温，且提高烘烤质量和速度的电烤/烘箱，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够智能控温、提高烘焙质量、节能、使用方便且更加安全可靠的电烤/烘箱加热控制系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种电烤/烘箱加热控制系统，包括电源电路、微控制器、存储器和输入输出终端，还包括与所述微控制器分别对应电连接的热电偶测温模块和加热控制电路；

所述加热控制电路包括对应设置于箱体内的加热体和用于控制所述加热体电流通断的继电器，所述继电器与所述微控制器对应电连接；

所述热电偶测温模块包括设置于箱体内并与所述加热体对应连接的热电偶，以及与所述热电偶对应连接的测温芯片，所述测温芯片通过SPI总线与所述微控制器对应电连接。

在上述技术方案中，微控制器用于控制整个系统运行，实现所有控制功能；电源电路可采用市场上现有的AC/DC变换模块，体积小，功率满足要求，直接安装在电路板上，同时设计硬件电路板时特别注意了电气隔离问题。存储器用于存储系统参数和相关数据。输入输出终端（如触摸屏）用于实现人机交互。加热控制电路，可使用固态继电器（SSR）实现对加热体的控制，其内部带有光电隔离模块，控制电路简单，直流输入交流输出类型，输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载的效果，并且不存在机械触点寿命的限制。

优选的，还包括与所述微控制器对应电连接的计时器、蜂鸣器，以及蜂鸣器驱动电路，当电烤/烘箱温度达到设定值、达到设定时间或控制系统发生故障时，用于发出声音报警提醒。

优选的，还包括与所述微控制器对应电连接的散热风扇驱动电路，所述散热风扇驱动电路采用继电器控制电烤/烘箱的散热风扇运行。通过小的直流电压控制大的AC220V交流电源，能够更好地控制散热风扇运行。散热风扇控制电路可以有效的实现对电烤/烘箱内的降温，对电烤/烘箱内温度调节起到很好的作用。

优选的，所述微控制器含STM32103系列36脚单片机，能够运行系统控温所需程序，实现所有控制功能，且其具有丰富的外设和存储资源，运行速度高达72MHz。所述输入输出终端为Mini DGUS串口液晶触摸屏，用于实现人机交互，其显示功能强大，采用串口通信，以数据帧格式进行通信。Mini DGUS屏采用直接变量驱动显示方式，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作，与传统的 LCM 通过时序或者指令控制显示存在显著不同，显示界面美观，提高界面程序开发效率。

所述加热体为纳米碳纤维加热管，热效率更高，电气性能稳定，点燃瞬间不会产生瞬时功率冲击，无脉冲电流冲击，无升华烧细现象，耐频繁冷热启动，理论使用寿命长达6000～15000小时，加热管无乳浊现象，发热过程无电磁场产生，无紫外线和高频射线辐射，不会刺激眼睛和灼伤皮肤，安全环保。所述继电器为固态继电器，达到直接驱动大电流负载的效果，并且不存在机械触点寿命的限制。

优选的，所述热电偶为K型热电偶，其具有线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和均匀性较好、抗氧化性能强等优点。所述测温芯片为K型热电偶专用测温芯片MAX6675，其内部带有冷端温度补偿，测温范围0～1023℃，使得温度测量更加准确、快速。

优选的，所述微控制器采用PID算法控制所述加热体工作。

本发明还提供了一种使用上述电烤/烘箱加热控制系统实现电烤/烘箱加热控制的方法，包括下列步骤：

（1）启动电烤/烘箱加热控制系统，经由对应的输入输出终端设定所需加热的温度值；

（2）微控制器进行温度采样并检测PID控制标志是否有效；

（3）如步骤（2）检测有效，则调用对应的热电偶测温程序，获取电烤/烘箱实际温度值；

（4）计算设定温度与实际温度的差值；如该温度差值大于系统预设值，则启用全速加热方式，使所述加热体工作；如该温度差值小于系统预设值，则启用PID控制方式控制所述加热体进行加热；

（5）当步骤（4）中加热体加热至设定温度时，结束加热控制，切断电源停止加热或/和发出警报信号；

（6）在步骤（4）中开始进行加热的同时，所述微控制器启动加热时间倒计时功能以及无操作空闲计时功能，当一轮加热倒计时过程结束后，发出警报信号；当电烤/烘箱在一定时间内无操作时，则微控制器控制加热控制电路关闭加热输出。

优选的，步骤（3）中的热电偶测温程序的工作过程包括下列步骤：

①初始化SPI模块；

②调用测温芯片驱动程序，测温芯片获得热电偶的输出电压，读取该输出电压作为温度转换相关值；

③根据步骤②所得的温度转换相关值，执行滑动平均滤波，通过查表法计算实际温度值，并对所得的实际温度值进行线性化校正。

优选的，步骤③所述查表法计算实际温度值所用的数据转换表，是根据测温芯片工作原理和K型热电偶分度表数据生成的温度校正数据转换表，所述温度校正数据转换表存储于所述存储器中并被所述微控制器调用。

优选的，在步骤（4）中，所述PID控制方式控制所述加热体进行加热的过程包括下列步骤：

a.执行增量型PID计算：计算误差微分值，计算误差微分差值，计算比例项乘积，计算积分项乘积，计算微分项乘积，计算PID增量输出；

b.对步骤a所得的增量输出进行限制，设置加热周期占空比值，使PID增量输出值作用于控制加热器的脉冲宽度调制信号的占空比，将脉冲宽度调制信号的占空比细分等级为200级；

c.根据步骤b所得的PID增量控制加热周期占空比，每一秒钟调用一次热电偶测温程序、执行一次滑动平均滤波算法、获得一次电烤/烘箱内实际温度值；每5毫秒控制一次固态继电器输出，进而控制加热体加热。

本发明的有益技术效果在于：

1.本发明电烤/烘箱加热控制系统可智能调控电烤/烘箱内加热温度，且能实时反应电烤/烘箱内真实温度、测温范围大，并可自动控制电路的通断，更加安全可靠；系统电路采用集成的热电偶测温芯片，采用液晶触摸屏实现人机交互，结构模块化、集成化程度高，元器件少、接线方式简单明了，方便安装调试生产。

2.仪器功能上充分考虑了用户使用的简便性，内置多种烤制模式参数，方便用户一键选择，且用户可以根据使用经验自由设定模式参数，掉电永久存储。人机交互界面美观友好，操作方便。

3.加热控制方式采用基于设定温差值分段控制的全速加热方式与增量型PID控制算法，兼顾了加热速度和温度控制精度，且热效率高、能耗节省。热电偶温度校正采用基于查表法的温度线性化处理方法，兼顾了温度测量精度和计算速度，降低了对相关硬件的规格的要求。

4.加热控制的方法采用模块化设计、分层设计、状态机编程的方式来实现，对于底层芯片的驱动程序，均采用MCU片内硬件外设实现（如驱动测温芯片、存储器芯片、液晶显示屏），具有高效、快捷、可靠的优点。采用状态机编程思想对于优化程序执行流程起到了很好的作用。

附图说明

图1为本发明电烤/烘箱加热控制系统的控制原理图；

图2为图1中微控制器的连接电路图；

图3为图1中固态继电器与微控制器之间的连接电路图；

图4为图1中热电偶测温模块的电路图；

图5为图1中蜂鸣器驱动电路的电路图；

图6为图1中散热风扇控制电路的电路图；

图7为图1中触摸屏的连接电路图；

图8为本发明电源部分的电路图；

图9为本发明电烤/烘箱加热控制方法的程序流程图；

图10为热电偶测温程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1：一种电烤/烘箱加热控制系统，参见图1，包括电源电路、微控制器、存储器和输入输出终端，以及与微控制器分别对应电连接的热电偶测温模块和加热控制电路；加热控制电路包括对应设置于箱体内的加热体和用于控制加热体电流通断的继电器，继电器与微控制器对应电连接；热电偶测温模块包括设置于箱体内并与加热体对应连接的热电偶，以及与热电偶对应连接的测温芯片，测温芯片通过SPI总线与微控制器对应电连接。微控制器采用PID算法控制加热体工作。其中，该微控制器含STM32103系列36脚单片机；输入输出终端为Mini DGUS串口液晶触摸屏；加热体为纳米碳纤维加热管；继电器为固态继电器；热电偶为K型热电偶；测温芯片为K型热电偶专用测温芯片MAX6675。

该电烤/烘箱加热控制系统还包括与微控制器对应电连接的计时器、蜂鸣器，以及蜂鸣器驱动电路，以及与微控制器对应电连接的散热风扇驱动电路，散热风扇驱动电路采用继电器控制电烤/烘箱的散热风扇运行。

其中，K型热电偶专用测温芯片、固态继电器、触摸屏和存储模块分别通过微控制器来控制其工作状态，热电偶测温模块用于转换传输热电偶检测的温度。

所采用的微控制器包括STM32103系列36脚单片机，如图2所示，该单片机的晶振输入引脚2和晶振输出引脚3之间连接有晶振Y，晶振Y两端与地之间分别连接有电容C1和电容C2，晶振Y和电容C1、C2构成振荡电路，为单片机提供时钟信号。该单片机的BOOT0引脚35通过电阻R1接地。单片机的异步复位引脚4通过电阻R2接3V3电源，同时，异步复位引脚4还通过电容C3接地；该单片机的调试接口引脚25通过电阻R11接3V3电源，该单片机的调试接口引脚28通过电阻R12接地；单片机的电源引脚1和电源引脚19分别与电源引脚27电连接，电源引脚27接3V3电源，单片机的接地引脚18和接地引脚36分别与接地引脚26电连接，接地引脚26接地；单片机的模拟部分电源引脚6接3V3电源，该单片机的模拟部分接地引脚5接地。其中，3V3电源与地之间并联连接有电容C14、电容C15、电容C16和电容C17，起滤波作用。

加热控制电路包括固态继电器和加热管，其固态继电器与微处理器之间的电路连接如图3所示，固态继电器正极通过电阻R3接5V电压，固态继电器负极与三极管T的集电极相连接，三极管T的基极通过电阻R4与单片机的引脚20相连接，电容C11并联于电阻R4两端，电阻R5并联于三极管T的基极和发射集两端,三极管T发射集接地。加热管的通断通过固态继电器控制，固态继电器内部带有光电隔离模块，控制电路简单，直流输入交流输出类型，无机械触点寿命限制。

热电偶测温模块的K型热电偶专用测温芯片U1的型号为MAX6675，热电偶测温模块的电路连接如图4所示，测温芯片U1的电源引脚4接3V3电源，同时通过电容C9接地。测温芯片U1的热电偶正极引脚3通过电感L2与K型热电偶正极相连接，测温芯片U1的热电偶负极引脚2通过电感L3与K型热电偶负极相连接，同时，测温芯片U1的热电偶正极引脚3通过双稳二极管D3接地，测温芯片U1的热电偶的负极引脚2通过双稳二极管D4接地；测温芯片U1的热电偶正极引脚3和负极引脚2之间还连接有电容C10；测温芯片U1的热电偶的负极引脚2通过电阻R14接地；测温芯片U1的接地引脚1接地；测温芯片U1的串行时钟输入引脚5与单片机的引脚12对应电连接，测温芯片U1的片选端引脚6与单片机的引脚11对应电连接，测温芯片U1的串行数据输出引脚7与单片机的引脚14对应电连接。

蜂鸣器驱动电路通过单片机的控制，用于发出声音报警提醒，如图5所示，蜂鸣器正极通过电阻R6接5V电压，蜂鸣器负极与MOS管Q2的漏极相连接，MOS管Q2的栅极通过电阻R7与单片机的引脚24电连接，MOS管Q2的源极接地，电阻R8并联于MOS管Q2的栅极与源极之间。散热风扇控制电路通过继电器K控制电烤/烘箱的散热风扇运行。风扇驱动电路与单片机的引脚23电连接，用于控制散热风扇的运行；如图6所示，继电器K的线圈两引脚并联于稳压二极管D5两端，稳压二极管D5负极接正5V电压，稳压二极管D5负极与MOC管Q1的漏极电连接，MOC管Q1的栅极通过电阻R9与单片机的引脚23对应电连接，MOC管Q1的源极接地，电阻R10并联于MOC管Q1的栅极和源极之间,继电器K的触点开关与散热风扇串联连接。

触摸屏为Mini DGUS 液晶触摸屏J，如图7所示，液晶触摸屏J的接收引脚5与单片机的引脚9相连接，液晶触摸屏J的输出引脚6与单片机的引脚10相连接，从而通过微控制器控制液晶显示屏J。液晶显示屏J接地引脚8、接地引脚9和接地引脚10接地，液晶显示屏J的电源引脚1和电源引脚3分别与电源引脚2相连接，液晶显示屏J的电源引脚1与5V电压相连接，同时液晶显示屏J的电源引脚2通过电解电容C12接地，电容C12起滤波作用。Mini DGUS液晶触摸屏显示功能强大，采用串口通信，以数据帧格式进行通信，Mini DGUS 屏采用直接变量驱动显示方式，所有的显示和操作都是基于预先设置好的变量配置文件来工作，与传统的 LCM 通过时序或者指令控制显示存在显著不同，显示界面美观，提高界面程序开发效率。

电源电路部分如图8所示，整流器D1两输入引角脚分别连接市电的火线零线，电解电容C4、电容C5和电容C6分别依次并联于整流器D1两输出引脚两端，整流器D1的正输引脚3通过电感L1与稳压器U2输入引脚1相连接，稳压器U2接地引脚2接地，电解电容C7和电容C8分别依次并联于稳压器U2的输出引脚3与接地引脚2之间，电阻R13与发光二级管D2串联连接后，并联于电容C8两端；其中，电容C5-C8和电感L1均起滤波作用，发光二极管D2作为指示灯。

实施例2：一种使用实施例1中电烤/烘箱加热控制系统实现电烤/烘箱加热控制的方法，参见图9、图10，包括下列步骤：

（1）启动电烤/烘箱加热控制系统，经由对应的输入输出终端设定所需加热的温度值；

（2）微控制器进行温度采样并检测PID控制标志是否有效；

（3）如步骤（2）检测有效，则调用对应的热电偶测温程序，获取电烤/烘箱实际温度值；

其中，热电偶测温程序的工作过程包括下列步骤：

①初始化SPI模块；微控制器与热电偶测温芯片之间采用3线SPI方式通信，只读取温度转换信息，不发送数据。

②调用测温芯片驱动程序，测温芯片获得热电偶的输出电压，读取该输出电压作为温度转换相关值；因为热电偶输出电压与温度关系的非线性，所以需要对测温数据进行线性化校正。

③根据步骤②所得的温度转换相关值，执行滑动平均滤波，通过查表法计算实际温度值，并对所得的实际温度值进行线性化校正。

步骤③中查表法计算实际温度值所用的数据转换表，是根据测温芯片工作原理和K型热电偶分度表数据生成的温度校正数据转换表（精确到1℃），温度校正数据转换表存储于存储器中并被微控制器调用，其可以测量的温度在0～1020℃范围内，理论上精确到0.1℃，因为存储器存储空间充足，所以不用担心数据表占用存储空间问题。

（4）计算设定温度与实际温度的差值；如该温度差值大于系统预设值，则启用全速加热方式，使电烤/烘箱加热管工作；如该温度差值小于系统预设值，则启用PID控制方式控制电烤/烘箱加热管进行加热；

（5）当步骤（4）中电烤/烘箱加热至设定温度时，结束加热控制，切断电源停止加热或/和调用蜂鸣器程序发出警报信号；

（6）在步骤（4）中开始进行加热的同时，微控制器启动加热时间倒计时功能以及无操作空闲计时功能，当一轮加热倒计时过程结束后，发出警报信号；当电烤/烘箱在一定时间（如15分钟）内无操作时，则微控制器控制加热控制电路关闭加热输出。

步骤（4）中PID控制方式控制电烤/烘箱加热体进行加热的过程包括下列步骤：

a.执行增量型PID计算：计算误差微分值，计算误差微分差值，计算比例项乘积，计算积分项乘积，计算微分项乘积，计算PID增量输出；

b.对步骤a所得的增量输出进行限制，设置加热周期占空比值，使PID增量输出值作用于控制加热器的脉冲宽度调制信号的占空比，将脉冲宽度调制信号的占空比细分等级为200级；

c.根据步骤b所得的PID增量控制加热周期占空比，每一秒钟调用一次热电偶测温程序、执行一次滑动平均滤波算法、获得一次电烤/烘箱实际温度值；每5毫秒控制一次固态继电器输出，进而控制电烤/烘箱加热管加热。

温度控制程序算法采用PID控制算法，P为比例控制，I为积分控制，D为微分控制。但并非温度控制全程都采用PID控制算法，在程序中预设有启动PID控制方式的温差范围，当实际温度与设定温度差值大于温差设定范围时，采用全速加热方式，而不启用PID控制方式。当实际温度与设定温度差值处于温差设定范围时则启用PID控制方式。这样既加快了温度控制响应速度，又兼顾了温度控制精度。

PID计算输出量用于控制加热周期占空比，每一秒钟测量一次温度值，每5毫秒控制一次固态继电器输出（SSR），PWM细分等级为200级，这样设计指标以满足电烤/烘箱温度控制的要求。

在以上实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的控制程序、算法如无特别说明，均为常规控制程序、算法。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (5)

1.一种使用电烤/烘箱加热控制系统实现电烤/烘箱加热控制的方法，该方法用于烘培食品，所述电烤/烘箱加热控制系统包括电源电路、微控制器、存储器和输入输出终端，以及与所述微控制器分别对应电连接的热电偶测温模块和加热控制电路；

所述加热控制电路包括对应设置于箱体内的加热体和用于控制所述加热体电流通断的继电器，所述继电器与所述微控制器对应电连接；

所述热电偶测温模块包括设置于箱体内并与所述加热体对应连接的热电偶，以及与所述热电偶对应连接的测温芯片，所述热电偶为K型热电偶；所述测温芯片为K型热电偶专用测温芯片MAX6675，所述测温芯片通过SPI总线与所述微控制器对应电连接；

其特征在于，包括下列步骤：

（1）启动电烤/烘箱加热控制系统，经由对应的输入输出终端设定所需加热的温度值；

（2）微控制器进行温度采样并检测PID控制标志是否有效；

（3）如步骤（2）检测有效，则调用对应的热电偶测温程序，

获取电烤/烘箱实际温度值；所述热电偶测温程序的工作过程包括下列步骤：①初始化SPI模块；②调用测温芯片驱动程序，测温芯片获得热电偶的输出电压，读取该输出电压作为温度转换相关值；③根据步骤②所得的温度转换相关值，执行滑动平均滤波，通过查表法计算实际温度值，并对所得的实际温度值进行线性化校正；

（4）计算设定温度与实际温度的差值；如该温度差值大于系统预设值，则启用全速加热方式，使所述加热体工作；如该温度差值小于系统预设值，则启用PID控制方式控制所述加热体进行加热；所述PID控制方式控制所述加热体进行加热的过程包括下列步骤：a.执行增量型PID计算：计算误差微分值，计算误差微分差值，计算比例项乘积，计算积分项乘积，计算微分项乘积，计算PID增量输出；b.对步骤a所得的增量输出进行限制，设置加热周期占空比值，使PID增量输出值作用于控制加热器的脉冲宽度调制信号的占空比，将脉冲宽度调制信号的占空比细分等级为200级；c.根据步骤b所得的PID增量控制加热周期占空比，每一秒钟调用一次热电偶测温程序、执行一次滑动平均滤波算法、获得一次电烤/烘箱内实际温度值；每5毫秒控制一次固态继电器输出，进而控制加热体加热；

（5）当步骤（4）中加热体加热至设定温度时，结束加热控制，切断电源停止加热或/和发出警报信号；

（6）在步骤（4）中开始进行加热的同时，所述微控制器启动加热时间倒计时功能以及无操作空闲计时功能，当一轮加热倒计时过程结束后，发出警报信号；当电烤/烘箱在一定时间内无操作时，则微控制器控制加热控制电路关闭加热输出。

2.根据权利要求1所述的电烤/烘箱加热控制方法，其特征在于，步骤③所述查表法计算实际温度值所用的数据转换表，是根据测温芯片工作原理和K型热电偶分度表数据生成的温度校正数据转换表，所述温度校正数据转换表存储于所述存储器中并被所述微控制器调用。

3.根据权利要求1所述的电烤/烘箱加热控制方法，其特征在于，所述电烤/烘箱加热控制系统还包括与所述微控制器对应电连接的计时器、蜂鸣器，以及蜂鸣器驱动电路。

4.根据权利要求1所述的电烤/烘箱加热控制方法，其特征在于，所述电烤/烘箱加热控制系统还包括与所述微控制器对应电连接的散热风扇驱动电路，所述散热风扇驱动电路采用继电器控制电烤/烘箱的散热风扇运行。

5.根据权利要求1所述的电烤/烘箱加热控制方法，其特征在于，所述微控制器含STM32103系列36脚单片机；所述输入输出终端为Mini DGUS串口液晶触摸屏；所述加热体为纳米碳纤维加热管；所述继电器为固态继电器。