微波加热中物料实时温度测量无线传感器及其网

分类：论文范文 发表时间：2021-05-14 09:53

　　摘要：微波作为新型的清洁能源在工业生产中得到广泛应用。然而，微波选择性加热导致的加热不均匀和微波场中温度难以准确实时测量的问题限制了微波工业设备的高效设计与应用。针对以上问题，本文设计了一种基于无线传感器网络和单片机技术的微波加热温度测量系统，该系统以ＳＴＭ３２作为微控制器、ＣＣ１１０１作为无线收发器组成星型无线传感器网络，并开发简易的上位机显示程序，实现了微波加热过程中多点位置的实时温度测量。其中无线传感器节点（ＥｎｄＤｅｖｉｃｅ）采用ＤＳ１８Ｂ２０数字温度传感器实时测量节点位置温度值并发送数据，节点（ＡｃｃｅｓｓＰｏｉｎｔ）接收数据并通过ＲＳ２３２串口上传至ＰＣ机显示。本文使用该系统测量结果和光纤温度计结果作为比对，验证了该系统的可行性和准确性，且该系统成本低廉、布控灵活，适用于隧道式工业微波加热等多种应用场景。

　　关键词：微波加热；温度实时测量；无线传感器网络；单片机技术

　　相比于传统的热传导加热，微波加热可以穿透物质达到内外同时加热的效果，具有选择加热、高效环保、易于控制等优点，微波加热已广泛应用于冶金行业、有机合成、药物萃取、食品工业等行业［１－２］。然而，由于物料移动和强电磁干扰等原因，微波加热过程中的实时温度测量一直是技术难题。在已有的测量方案中，红外测温仪只能测量物料表面温度，且受物体发射率、气雾的影响而准确性不高；光纤温度计虽然抗电磁干扰和抗辐射性能好，但是造价高，使用时间长容易损坏，而且用于移动式微波工业设备时受布线的限制［３］。因此，本文旨在设计一种经过电磁屏蔽改装后的接触式温度传感器系统，该系统由无线传感器节点、无线接收机和上位机构成。单个传感器节点可直接插入待加热物料中实现准确的接触式测温，多个传感器节点可采用ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ协议组网通信实现多点数据采集工作，并在上位机实时显示存储。本系统可以通过传感器节点灵活布置，解决在隧道式工业微波加热等应用场景中有线测温方式的布线局限和非接触式测温方式的不准确问题，对加热物料多个任意空间位置实时测量，快捷高效且数据可靠。

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　　１总体设计方案

　　本系统设计概念图如图１所示，无线传感器节点采集温度信息，将节点探头根据实际要求布置在待加热物料中，在微波加热腔体顶部安置无线接收机创建无线传感网络，上电后布置于物料中的无线传感器节点加入网络并向无线接收机发送数据，无线接收机接收无线数据，并基于ＵＡＲＴ串口方式，实现与上位机之间的有线通信，将采集到的所有温度数据通过上位机的显示程序加以展示。

　　２硬件平台

　　ＭＣＵ作为无线传感器节点中最核心的模块，控制着节点工作过程中温度数据的采集和无线数据的发送，由一片意法半导体公司基于ＡＲＭＣｏｒｔｅｘ－Ｍ内核ＳＴＭ３２系列的３２位微控制器ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６来完成，其工作频率最高可达７２ＭＨｚ，具有ＵＡＲＴ、ＳＰＩ等通信接口，耗电低且外围电路简单，可扩展性强。无线传感器网络中节点结构图和实物图如图２所示。为实现无线传感器节点小型化、低功耗化的设计目的，尽量减小ＭＣＵ的外围电路，仅构建ＳＴＭ３２最小系统完成设计。

　　３软件平台

　　基于通信模块ＣＣ１１０１的选择，本系统软件设计采用ＳｉｍｐｌｉｃｉＴＩ网络协议，组网协议构建星状网络拓扑结构，由无线接收机作为中心节点（ＡＰ）和无线传感器节点作为终端节点（ＥＤ）构成。中心节点作为数据汇聚点，进行网络的组建和数据的接收，同时通过串口向上位机发送温度数据打印显示。终端采集节点则以加入网络和温度数据采集为目标，通信编码以“节点编号＋温度值”的格式进行传输。

　　４实验与数据

　　４．１实验系统

　　根据本文设计的目标和实验系统的特性，设计了实际数据采集，实验分为两个部分：无线传感器节点测温准确性实验和多节点组网测温实验，采用实验室搭建的系统，具体组件及实物图如图５所示。

　　４．２实验与结果

　　４．２．１无线探头测温准确性实验用微波源对放置在反应腔中的土豆（体积３４ｍｍ＊３４ｍｍ＊２１ｍｍ）进行加热，设计的无线传感器探头伸入土豆１７ｍｍ，同时用光纤温度计测量探头伸入无线传感器探头顶端相邻位置，设置微波加热总时间为６００ｓ，微波源输出功率分别为３０、４０、５０、６０Ｗ，将探头数据和光纤温度数据进行实时采集，并将两种方式测量到的数据作对比。

　　4．２．２多探头组网测温实验由上一节可知，本文所设计测温探头在微波加热过程中的温度测量有良好的准确性。在此基础上，进行多节点组网测量的实验。制作一个土豆块（５６ｍｍ＊５６ｍｍ＊２３ｍｍ）并将其平均分为四个区域，四个无线传感器节点插入土豆块四个区域中心１７ｍｍ，如图７所示，然后将土豆块置于反应腔中心位置处，在５０Ｗ功率下加热６００ｓ，上位机实时显示各个节点数据，同时各个节点位置探头相邻处插入光纤同步测量。

　　参考文献

　　［１］曾昭文，郑成，毛桃嫣，等．微波在化工过程中的研究及应用进展［Ｊ］．化工学报，２０１９，７０（Ｓ１）：１－１４．

　　［２］刘长军，吴昕．微波能工业应用研究进展［Ｊ］．太赫兹科学与电子信息学报，２０１２，１０（４）：４５１－４５５．

　　［３］邹建，饶程，顾兴志，等．微波场中温度传感方法［Ｊ］．压电与声光，２００３，２５（２）：１７０－１７４．

　　谭瑜，陶瑞，杨阳，朱铧丞，黄卡玛

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