基于PID温度控制的烘焙系统设计

谢斌 任行 王丽丽

（1.江苏航运职业技术学院 江苏省南通市 226001 2.南通市体育运动学校 江苏省南通市 226001）

1 烘焙设备的现状

随着我国经济的飞速发展，人民的收入水平显著提升，对饮食的要求从数量向质量发生改变，食品消费趋势多样化。电磁炉、食品料理机、微波炉等众多高品质生活家电进入到人们的家庭中去，其中电烤箱就是一款很实用的产品；它不仅能烤制出风格多变、质地酥软的美食，而且占用空间极小，操作简单，满足大家对西式餐饮文化的需求。2020年我国电烤箱零售市场规模为38.36 亿元，同比增长53%。[1]但由于烘焙传入中国历史较短、中西方烹饪习惯的差异，人们对电烤箱的使用经验少，市场上的电烤箱多为红外热辐射型，温度控制不精准，升温过慢过快，不能实时地达到设定的温度，导致烘焙失败。针对这些问题，本系统选用了PID温度控制器件。在现代工业技术中。PID 控制是现代工业技术最常用的技术之一，它的优点是控制的温差小、精度高、稳定可靠，利于调试。因此，研究设计出一种可准确设置温度，迅速控温的电烤箱的可行性较高，具有实际意义。

2 整体思路

电烤箱一般分为平炉和热风炉。平炉烤箱通过加热管加热，以热量传导的方式对烤箱内加温。通常平炉可以上下管加热，可以设定不同的温度，但温度上升较慢。风炉烤箱通过炉内热风传递热量，对食物进行加热烘焙。风炉特有的风道结构设计实现进风口与出风口的结合形成热风对流，让炉腔温度均匀，可以一次实现多层食物的烘焙烤制，还可以均匀上色，省时省力。

本烘焙系统所采用的是Arduino Nano 控制的风炉。Arduino Nano 是Arduino 单片机的迷你版本，他省去了电源插座以及标准USB 接口，Arduino Nano 尺寸非常小，可以灵活地安装在电气设备中，其处理器核心是ATmega328AVR 8 位微控制器，同时具有12路数字输入/输出口（其中6 路可作为PWM 输出），8 路模拟输入，一个16MHz 晶体振荡器，一个mini-B USB 口，一个ICSPheader和一个复位按钮。

2.1 烘焙原理

烘焙是一种食品成熟同时生产风味的过程。烘焙的过程中食品是跟随温度变化而发生改变的。所以，烘焙的过程也是对温度的控制过程。在食品的烘焙过程中会产生物理性、化学性两类反应。物理性反应大致分为：放入电烤箱的食品形状发生变化；水份从食品中游离出来并散逸出去；食品中的酒精等低沸点的物质蒸发。烘焙的化学性反应分为：面筋组织因水分被淀粉夺去，在70℃左右开始产生热凝固；随着烘焙的过程进行，表面部分超过160℃时，糖与氨基酸会发生梅拉德反应。糖类分解聚合形成焦糖、淀粉部分会变化成糊精。

2.2 烘焙阶段分析

为了方便温控我们把烘焙的过程分为3 个阶段：

（1）电烤箱温度未到70℃，此为水气、挥发物质的蒸发阶段，烘焙腔体中充斥着大量的水蒸气，湿度很大，这是一个大量吸收热量的阶段，应加大火力。

（2）电烤箱温度在70℃-150℃，实为食品成熟阶段，烘焙腔体中湿度变小，为了防止食品表面开裂需要放慢温升。

（3）电烤箱温度在155℃-160℃的梅拉德反应阶段，要基本暂停温升，降低食品表面热风的风量。

传统的烘焙工作中，上述的3 个阶段需要通过食品生产人员在经验的指导下手动调节烤箱温度实现。整个烘焙的过程需要生产人员时刻紧盯烤箱上温度显示器的变化和烤箱内食物状态的变化，这个过程需要生产人员集中注意力，不能出丝毫差错，否则可能会出现浪费粮食和浪费能源的情况。我们都希望每炉烘焙的食品出炉后都品相一致。烘焙过程对生产人员的经验要求和精力要求很高。本系统将通过PID温度控制和风量的自动控制来实现烘焙过程的自动化。食品的在上述3 个过程的烘焙所用的时间、温度、风速的相关数据可以给烘焙程序的设定提供依据，烘焙程序流程图如图1所示。

图1

2.3 电烤箱温度采集

温度采集模块是使用热电偶和热电偶ADC 的组合，热电偶发送所测物体温度的信号，再由相应采样率的ADC 芯片接收并处理转化成温度的数字信号。

2.3.1 热电偶

焊接在一起的两种材质特性不一致的半导体环路，半导体回路会因这两种半导体两端出现温度差而形成电流，温度差值决定电流的大小。热电偶是根据半导体的这种热电效应原理制作的温度传感器。本系统选用带有金属保护套的K 型热电偶，他在工业设备中使用量大，既廉价又稳定，测温范围是0 ～1300℃，K 型热电偶的热电势与温度的关系线性，精度一般，但完全适合烘焙对温度探测的要求。K 型热电偶的正极使用的是镍铬合金，负极是使用的镍硅合金。该热电偶可以在氧化性及惰性气体中持续测温，短期使用测温上限达到1200℃，长期使用温度上限是1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。首次用K 型热电偶应注意，根据温度计实际测得温度进行温度的校准，校准代码为：const double celsius = thermocouple->readCelsius()+(X);（其中X 为实际测得温度与Arduino Nano 输出的温度差值）

2.3.2 数模转换芯片

K 型热电偶的线性度优秀、物美价廉、有较大的量程，常用于工业设备的测温工作；但是K 型热电偶要使用复杂的电路对其冷端做补偿，电路调试工作用时较长。本系统选用的是由MAXIM 公司生产的低噪声、高精度12 位、可提供冷端补偿、线性校正和断线检测的K 型热电偶模数模转换芯片 MAX6675，它的温度分辨率为0.25 ℃，冷端补偿范围为-20 ～ + 80 ℃，工作电压为3.0 ～ 5.5V。MAX6675由于低噪电压放大器、电压跟随器、冷端温度补偿二极管、基准电压源、12 位AD 转换器、SPI 串行接口、模拟开关及数字控制器组成。引脚1 为接地，引脚2 为热电偶负极，引脚3 为热电偶正极，引脚4 为电源端，引脚5 串行始终输入，引脚6 为片选信号，引脚7 为串行输出。为了能更方便的感知电烤箱出风和食品的温差，本系统使用2 个温度采集通道，通道1 为出风口温度（进入的热空气温度），通道2 为食品的温度（目标期望温度）。

2.4 风机转速控制

大部分风炉都是使用交流风扇，为了节约成本，风扇保留使用，热风通过220V 交流热风风机鼓进烘焙腔体，随之扩散到烘焙食品表面，使产品加热，风速大小与风温高低直接影响着食品成熟的快慢。风量和风速是使用可控硅模块通过调压控制电机转速来实现的。可控硅也叫晶闸管，它是一种新型的半导体元器件，它的体积小、重量轻、效率高、寿命长、动作快、设置方便快捷，大部分的交流电机调压器都是使用的可控硅。用可控硅进行电机调速的优点有：可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以较小电流控制大电流，并且没有继电器那样控制时有火花产生；调速性能优秀，调速范围比较宽，从零速调速至预定速度，非常平滑顺畅，等同于无极调速；同时电机的启动、制动力矩大，易于快速启动和制动，尤其是低速启动效果非常好；抗过载能力强，可用于较为频繁、较大的冲击载荷工况。当可控硅的调速原理是：导通角等于180°时（如图2），负载端的电压波形时正弦波，此时电路为全导通状态。导通角小于180°时，此时电路为非全导通状态，电压的有效值减小；导通角增大，导通状态跟随变大，则电压有效值越大，磁场变大，电机的转速变高。使用可控硅调整电机电压，当电压偏低，电机处于低速时，电压和电流波形不连续，波形差，电机会出现明显的噪音变大，出现抖动的情况，在编写程序时应该避免出现可控硅输出电压过低的情况。

2.5 温度的PID控制

目前，工业技术中的温度控制多采用PID 控制技术。PID 控制的原理相对简单。系统标准输入y（dt）与输出y（dt）的偏差值影响着控制量。烘焙过程是一个离散的过程。为了能让数字化采样精度更高，需要选取更高的采样率。PID 需要用到的三个参数分别是比例系数Kp，微分系数Ki，积分系数Kd。比例控制是一种最简单的控制方式。控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，这样的PID 控制实现相对简单，效果佳。对于烘焙来说它需要的是实时性。传统的PID 控制的三个参数相对容易受到干扰。对于烘焙系统来说，需要对温度进行非线性的控制。传统的PID 控制理论是有缺点的，模糊PID 控制理论更适合烘焙的温度控制。模糊PID 控制是以模糊理论，模糊语言变量和模糊逻辑理推理为基础的一种智能控制方法[2]。模糊控制系统通常由5 个模块组成：模糊控制器、输入输出模块、控制执行模块、被控制对象、传感器[3]。烘焙3 个阶段的记录了数值，结合烘培温控的特点与模糊理论对数据处理，确定比例系数Kp，微分系数Ki，积分系数Kd 的修正值。在新的烘焙开始时，烘焙系统参照之前记录3 个阶段的各项温度数值，把温度误差和误差变化率发送到PID 控制器中，模糊化后的修正值再次处理，参数优化后，改进后温度控制更加稳定，反映更加迅速。

2.6 LED信息显示

烘焙设备的显示器采用了LCD2004 点阵字库液晶显示模块，它的体积小，重量轻，功耗低，显示内容丰富被广泛应用，此款LCD 控制器是HD44780。液晶显示模块只能显示数字和西文字符，不能显示汉字和图片，可显示4 行，每行20 个字符，共计80 个字符，可基本满足烘焙设备对于出风温度、食品温度、烘焙持续时间和风速等参数的显示。VL(V0)引脚是对比度调，RS 引脚为数据/命令选择，RW 引脚表示读写选择， EN 引脚为使能信号、D0-D7 是双向数据端。食品、出风口温度LED 屏显示程序所需要的库文件为：LiquidCrystal_I2C.h、Wire.h、MAX6675_Thermocouple.h。

3 结语

本文针对手动烘焙出现的问题，设计了基于PID 控制的烘焙系统，以较少的温度采集系统、可控硅调速控制等外围电路实现了复杂的自动烘焙工作。整个系统造价相对很低，稳定耐用，控制精准，可大大降低烘焙人员的体力消耗，具有一定的实用价值。本系统还有较大的改进空间。比如可改用交流风扇，降低能耗，减少调速时的噪音等。