基于Arduino的微波超声波混合除冰机设计

林家锵，林梓健，黄家良，徐 静，毛晓敏

（新疆农业大学 计算机与信息工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 微波或超声波混合除冰机研究背景

1.1 研究目的及意义

当北方冬季到来时，降雪天气逐渐增多，道路结冰导致路面打滑就成了冬季引起交通事故的一大安全隐患。目前北方在寒冬下仍采用沙土和铲雪车为主、融雪剂为辅的方式清除路面冰雪，来保证交通的通畅，但效率较低。研究发现，融雪剂残留物会腐蚀路面和汽车橡胶轮胎。随着我国对环境保护的重视，传统的除冰方式已不能很好地协调其中各部分的问题，因此本文设计一个更绿色环保、高效的除冰机器，以解决传统扫雪方式带来的问题。

1.2 国内外研究现状

目前有一部分学者已经研究了微波或超声波单一作用下的除冰问题：

（1）1986年美国联邦公路局的SHRP中由Jack Monson[1]提出微波除冰机的设计方案，研究了高效除冰的方式。

（2）2003年北京交通大学的徐宇工教授等[2]使用微波炉研究了除冰方面的室内实验并发表两篇相关文章；2014年王升等[3]研究了路面除冰的机理。

（3）2013年黄力华[4]申请超声波除冰机专利。

1.3 本文主要完成的任务

（1）以Arduino单片机的二次开发产品为中央处理器，设计出该装置的基本电路。

（2）完成系统程序的编写，改善多作用效果下的除冰协调性，以求最优、最节能的实验参数。

（3）验证微波不会被冰层吸收的理论。

2 微波超声波混合除冰机控制器的设计

2.1 传感器选型

采用了两种不同波形的测距传感器来完成冰层厚度的测量，分别是超声波测距传感器以及红外线测距传感器。使用传感器的意义在于，把不同波形的发射口到地面或到冰面的距离转化成电信号，再由Arduino收集电信号进行计算处理，并选择在该冰层厚度下最优的微波及超声波频率发射方案来除冰，以达到节能的目的。

2.2 超声波除冰实验装置的选用

超声波除冰装置选用自杭州电子科技大学韩龙伸等[5]设计的超声波除冰装置，在改进后的试验装置上进行。该装置由超声波发生器、夹心式压电换能器、变幅杆和工具头组成。

2.3 微波发射装置的选用

微波除冰试验装置选用自中南大学学报刘俊良等人[6]自主设计的开放式微波发射系统，在改进后的试验装置上进行，该设备由磁控管、水冷装置、高度调节装置以及外接式微波操控箱等构成。

3 硬件设计与制作

3.1 采样电路的设计

采样电路主要是通过传感器对冰层底部及冰层表面的测距，以Arduino来控制整个装置。Arduino集接收电压信号处理信号以及控制微波发生装置和超声波发生装置为一体的控制。

3.2 Arduino控制电路设计原理

通过微波和超声波性质的不同，可以得到冰层的厚度，再将数据反馈给Arduino，Arduino根据反馈的冰层厚度数据进行功率的调节。在低功率的Arduino上控制高功率磁控管工作时使用磁控管，可以实现弱电控制强电来实现多档调控的功能。

4 软件设计

系统主流程如图1所示。通过传感器收集到的数据进行冰层厚度计算，当测算出冰层厚度小于0.5 cm时采用低挡位除冰，大于0.5 cm但小于1.5 cm时采用中档位除冰，大于1.5 cm时采用高档位。各个档位的转换通过控制磁控管的工作时间来实现。

图1 系统主流程

5 实验方案及结果

5.1 超声波除冰实验

通过参考杭州电子科技大学韩龙伸等人[5]设计的超声波除冰实验方案，可以看到通过不同的荷载压力对超声波除冰会产生不同的影响，其中，超声波除冰装置频率在28 kHz、15 kg的压力条件下，除冰速率最高且除冰厚度最大。

5.2 微波除冰实验

5.2.1 实验一：微波炉除冰实验

（1）实验目的：测试理论冰块是否不会吸收微波，微波会直接透过冰层到达水泥板一致。

（2）实验方案：在高火力加热档位条件下，加热实验1 min，再利用测温枪对水泥板进行测温。

（3）实验结果：会发现与水泥板接触的冰块开始融化但外表暂无明显融化，用红外测温枪测温发现水泥板有明显升温，表示理论与实际相符。

5.2.2 实验二：磁控管单独对实验

通过参考中南大学学报刘俊良等[6]机场混凝土道面除冰仿真与试验研究论文可以得出在5.8 GHz相较于2.45 GHz的微波频率拥有多约5倍的除冰效率，但穿透冰层的深度将会降低45%。实验表明，微波除冰的速率可根据微波频率改变，并且在相同频率下微波除冰的效率与作用的时间有关，在一定时间范围内，作用时间越长，除冰效率越高，也是本设计采用的变档方式。

5.3 模拟机实验方案

在Arduino的程序中设定一个按钮来模拟不同冰层厚度传回的数据，按下多次以切换磁控管接入的电压值以实现除冰机的不同档位调节。按下一次按钮，代表测量的冰层厚度较薄，从最低的电压开始接入灯泡；当再次按下按钮，代表测量到的冰层厚度增加，较薄冰层厚度所处的档位下的功率已经不能顺利除冰，电压增强；当第三次按下按钮，代表测量到的冰层厚度又一次增加，档位进一步提升。

5.4 机器基本电路构造

系统总设计如图2所示。在机器工作时，通过超声波和红外传感器收集距离信息，通过单片机进行处理，得出冰层的厚度。根据预设的档位要求，用控制继电器开关来控制磁控管的工作时间，并且在显示屏上显示相关的距离及当前除冰的档位信息。

图2 系统总设计

6 结语

本文通过研究Arduino、微波除冰装置和超声波除冰装置，对比其他除冰技术，设计出微波超声波混合除冰机。相较于传统单一作用下的除冰方式，混合作用除冰速率更高，应用前景更为广阔。实验结果与理论结果相同：在实验室条件下，冰层不会对微波的传播造成更多干扰，能直接透过冰层作用于水泥路面，可实现以“红外线测距-超声波测距”的方式来获取冰层的厚度。微波超声波混合除冰是一种更为省时、高效、环保且绿色的除冰方式，通过对比相关数据可以直接得出，在相同能源损耗的条件下，混合除冰的使用时间更长，效果更好。