自动设定加热时间的微波炉

刘志扬

随着现代人们生活节奏的加快，加热食品成为越来越多人的需求，微波炉也因此成了必不可少的家电。我有一次使用微波炉加热食物，误将加热时间设定过长，等加热结束，食物已被烤焦。这件事激发了我的灵感：能不能设计出一种无须手动调节加热时间，并且能够控制目标温度的微波炉。

开始动手制作之前，我对目前市场上的微波炉进行了调查，我发现大多数的微波炉都需要手动调节加热时间及火力，且加热温度不可控，使用时需要估计时间长短和火力大小，稍不注意就容易导致食物烤焦。据报道，每年因微波炉使用不当引起的火灾为数不少，严重影响人们的生命和财产安全。

为实现自动调节温度的功能，我要解决三个问题：一、确定食物的种类;二、测量食物的重量;三、综合数据计算出加热时间。

●炉体材料的选择及安放设计

我制作的微波炉，炉体外壳使用厚度为0.2mm的冷轧板，镀锌喷漆，其制造工艺成熟且性价比高，同时可减低炉体的锈蚀速度;食品容器使用PP聚丙烯，其材质熔点高，普遍用于制造食品加热容器。微波炉内部分为两个腔体，第一腔体（内胆）采用不锈钢制成，相比其他材料，具有隔绝微波、减少炉体锈蚀、延长炉体寿命等优势;第二腔体用聚氯乙烯（PVC）制成形似长方体状，用隔板;分为两部分，前端内置单片机，连接控制拨盘、继电器和传感器，后端内有电源接口及高压变压器，连接电动马达和磁控管，磁控管安放于两个腔體之间。材料组合性能达标且性价比高，装置安放合理，可以保证各项功能正常运行。

●称量食物重量

在设计过程中，为了使装置在可以感应到食物重量的同时，还能保证炉体的美观，我在托盘和转动装置下安装了压力传感器。容器放置在托盘上后，传感器会立刻获得食物的重量数据。由于盛装容器为定制，因此模块中的子程序会自动减去托盘、转动装置及容器的重量。托盘上刻有容器放置的位置，保证重心在支撑点正上方，使压力传感器可以正确获得食物的重量。压力传感器获得食物的重量后导出给单片机，即可计算出加热食物所需的时间。关闭炉门，转动装置的低速马达开始启动，托盘转动以使食物均匀接受微波加热。

●食物种类的选择

由于不同种类的食物比热容并不相同，因此我设定了选择食物种类的控制拨盘。其外形类似于传统微波炉拨盘，不同之处在于面板上不设时间选项，只有食物的种类。在将食物放入容器开始加热前，用户要先选择待加热食物的种类和预定温度（实验中设定为60℃），选项被传输给单片机，程序再根据选项对应的比热容，导入总公式计算该食物所需的加热时间。

●程序思路、算式设计与单片机的选用

程序使用Mixly（米思奇）编写，使用Arduino Nano板作为单片机进行运算和控制，安放在第二腔体前端。

程序的核心算式由我们熟知的物体比热容的算式与计算功率的公式改变而来：

[c=Q/mt0-tP/T=Q → T=mct0-t/P]

（其中，Q为热量，t为当前温度，[t0]为目标温度，P为加热功率，m为食物质量，T为加热时间，c为比热容）

●加热装置

将微波炉接上220V电源，经变压器与磁控管相连。磁控管启动后发射微波，微波经波导传至内胆。内胆由涂有非磁性材料的金属板制成，其在炉腔的左侧和顶部均开有通风孔。微波在腔壁内来回反射。内胆的边长为微波导波波长倍数的1/2，这样食物被加热时腔内能保持谐振，谐振范围适当变宽，利于穿过食物。

完成设计后，我制作了一系列样本，并对其工作性能进行了测试。测试使用生活中常见的不同种类的食物，从14℃左右开始加热至60℃左右。

[项目 初始温度 质量 加热结果 熟米饭 14.5℃ 40g 61℃ 熟猪肉 15.3℃ 40g 59℃ 熟鸡腿 13.8℃ 40g 57℃ 鸡汤 14.3℃ 200mL 63℃ ]

实验结果

结果显示，微波炉各项功能正常，达到了在选择食物的种类后测量食物的重量，进而计算出加热时间的目的，程序运行正常。由于保持了食物本身的大部分水分，食物口感还不错。（注：实验中的所有食品均已回收）。

与传统的微波炉相比，此新型微波炉在使用过程中无须手动设定加热时间，程序自动计算加热时间，使用起来更简便，也更安全（因为目标温度可控）。未来，我将进一步完善它，如：结合人工智能和大数据库，无需用户主动选择，当食物放入后微波炉即可自动识别食物类型;增加记忆功能，记录用户加热某种食物的习惯温度，以便直接加热，使得家庭生活更加安全、便利和智能。

（本作品获得第36届广西青少年科技创新大赛中学生科技创新成果竞赛二等奖、第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛广西区萌芽版“创新潜力奖” 指导老师：李玉华）