自動(dòng)設(shè)定加熱時(shí)間的微波爐

劉志揚(yáng)

隨著現(xiàn)代人們生活節(jié)奏的加快，加熱食品成為越來(lái)越多人的需求，微波爐也因此成了必不可少的家電。我有一次使用微波爐加熱食物，誤將加熱時(shí)間設(shè)定過(guò)長(zhǎng)，等加熱結(jié)束，食物已被烤焦。這件事激發(fā)了我的靈感：能不能設(shè)計(jì)出一種無(wú)須手動(dòng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間，并且能夠控制目標(biāo)溫度的微波爐。

開(kāi)始動(dòng)手制作之前，我對(duì)目前市場(chǎng)上的微波爐進(jìn)行了調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的微波爐都需要手動(dòng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間及火力，且加熱溫度不可控，使用時(shí)需要估計(jì)時(shí)間長(zhǎng)短和火力大小，稍不注意就容易導(dǎo)致食物烤焦。據(jù)報(bào)道，每年因微波爐使用不當(dāng)引起的火災(zāi)為數(shù)不少，嚴(yán)重影響人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的功能，我要解決三個(gè)問(wèn)題：一、確定食物的種類;二、測(cè)量食物的重量;三、綜合數(shù)據(jù)計(jì)算出加熱時(shí)間。

●爐體材料的選擇及安放設(shè)計(jì)

我制作的微波爐，爐體外殼使用厚度為0.2mm的冷軋板，鍍鋅噴漆，其制造工藝成熟且性價(jià)比高，同時(shí)可減低爐體的銹蝕速度;食品容器使用PP聚丙烯，其材質(zhì)熔點(diǎn)高，普遍用于制造食品加熱容器。微波爐內(nèi)部分為兩個(gè)腔體，第一腔體（內(nèi)膽）采用不銹鋼制成，相比其他材料，具有隔絕微波、減少爐體銹蝕、延長(zhǎng)爐體壽命等優(yōu)勢(shì);第二腔體用聚氯乙烯（PVC）制成形似長(zhǎng)方體狀，用隔板;分為兩部分，前端內(nèi)置單片機(jī)，連接控制撥盤、繼電器和傳感器，后端內(nèi)有電源接口及高壓變壓器，連接電動(dòng)馬達(dá)和磁控管，磁控管安放于兩個(gè)腔體之間。材料組合性能達(dá)標(biāo)且性價(jià)比高，裝置安放合理，可以保證各項(xiàng)功能正常運(yùn)行。

●稱量食物重量

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使裝置在可以感應(yīng)到食物重量的同時(shí)，還能保證爐體的美觀，我在托盤和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置下安裝了壓力傳感器。容器放置在托盤上后，傳感器會(huì)立刻獲得食物的重量數(shù)據(jù)。由于盛裝容器為定制，因此模塊中的子程序會(huì)自動(dòng)減去托盤、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置及容器的重量。托盤上刻有容器放置的位置，保證重心在支撐點(diǎn)正上方，使壓力傳感器可以正確獲得食物的重量。壓力傳感器獲得食物的重量后導(dǎo)出給單片機(jī)，即可計(jì)算出加熱食物所需的時(shí)間。關(guān)閉爐門，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的低速馬達(dá)開(kāi)始啟動(dòng)，托盤轉(zhuǎn)動(dòng)以使食物均勻接受微波加熱。

●食物種類的選擇

由于不同種類的食物比熱容并不相同，因此我設(shè)定了選擇食物種類的控制撥盤。其外形類似于傳統(tǒng)微波爐撥盤，不同之處在于面板上不設(shè)時(shí)間選項(xiàng)，只有食物的種類。在將食物放入容器開(kāi)始加熱前，用戶要先選擇待加熱食物的種類和預(yù)定溫度（實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為60℃），選項(xiàng)被傳輸給單片機(jī)，程序再根據(jù)選項(xiàng)對(duì)應(yīng)的比熱容，導(dǎo)入總公式計(jì)算該食物所需的加熱時(shí)間。

●程序思路、算式設(shè)計(jì)與單片機(jī)的選用

程序使用Mixly（米思奇）編寫，使用Arduino Nano板作為單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和控制，安放在第二腔體前端。

程序的核心算式由我們熟知的物體比熱容的算式與計(jì)算功率的公式改變而來(lái)：

[c=Q/mt0-tP/T=Q → T=mct0-t/P]

（其中，Q為熱量，t為當(dāng)前溫度，[t0]為目標(biāo)溫度，P為加熱功率，m為食物質(zhì)量，T為加熱時(shí)間，c為比熱容）

●加熱裝置

將微波爐接上220V電源，經(jīng)變壓器與磁控管相連。磁控管啟動(dòng)后發(fā)射微波，微波經(jīng)波導(dǎo)傳至內(nèi)膽。內(nèi)膽由涂有非磁性材料的金屬板制成，其在爐腔的左側(cè)和頂部均開(kāi)有通風(fēng)孔。微波在腔壁內(nèi)來(lái)回反射。內(nèi)膽的邊長(zhǎng)為微波導(dǎo)波波長(zhǎng)倍數(shù)的1/2，這樣食物被加熱時(shí)腔內(nèi)能保持諧振，諧振范圍適當(dāng)變寬，利于穿過(guò)食物。

完成設(shè)計(jì)后，我制作了一系列樣本，并對(duì)其工作性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試使用生活中常見(jiàn)的不同種類的食物，從14℃左右開(kāi)始加熱至60℃左右。

[項(xiàng)目 初始溫度 質(zhì)量 加熱結(jié)果 熟米飯 14.5℃ 40g 61℃ 熟豬肉 15.3℃ 40g 59℃ 熟雞腿 13.8℃ 40g 57℃ 雞湯 14.3℃ 200mL 63℃ ]

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)果顯示，微波爐各項(xiàng)功能正常，達(dá)到了在選擇食物的種類后測(cè)量食物的重量，進(jìn)而計(jì)算出加熱時(shí)間的目的，程序運(yùn)行正常。由于保持了食物本身的大部分水分，食物口感還不錯(cuò)。（注：實(shí)驗(yàn)中的所有食品均已回收）。

與傳統(tǒng)的微波爐相比，此新型微波爐在使用過(guò)程中無(wú)須手動(dòng)設(shè)定加熱時(shí)間，程序自動(dòng)計(jì)算加熱時(shí)間，使用起來(lái)更簡(jiǎn)便，也更安全（因?yàn)槟繕?biāo)溫度可控）。未來(lái)，我將進(jìn)一步完善它，如：結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)庫(kù)，無(wú)需用戶主動(dòng)選擇，當(dāng)食物放入后微波爐即可自動(dòng)識(shí)別食物類型;增加記憶功能，記錄用戶加熱某種食物的習(xí)慣溫度，以便直接加熱，使得家庭生活更加安全、便利和智能。

（本作品獲得第36屆廣西青少年科技創(chuàng)新大賽中學(xué)生科技創(chuàng)新成果競(jìng)賽二等獎(jiǎng)、第八屆中國(guó)國(guó)際“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣西區(qū)萌芽版“創(chuàng)新潛力獎(jiǎng)” 指導(dǎo)老師：李玉華）