- i - 基于 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能電飯煲功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 目 錄 前言 . 3 第 1 章 緒論 . 4 第 智能家電概述 . 4 第 本課題主要任務(wù) . 5 第 2 章 智能電飯煲整體設(shè)計(jì) . 6 第 硬件整體框架 . 6 第 軟件整體框架 . 7 第 3 章 智能電飯煲硬件部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) . 9 第 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) . 9 第 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) . 11 第 復(fù)位電路設(shè)計(jì) . 11 第 展電路設(shè)計(jì) . 12 第 顯示電路設(shè)計(jì) . 12 第 蜂鳴器電路設(shè)計(jì) . 13 第 鍵盤接口電路設(shè)計(jì) . 13 第 溫度傳感器電路設(shè)計(jì) . 14 第 4 章 智能電飯煲軟件部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) . 15 第 理想的最佳煮飯方法 . 15 第 煮飯功能模糊控制器 . 16 第 米量的模糊推理 . 18 第 副加熱盤的模糊控制 . 20 第 整體軟件流程圖 . 25 結(jié)論 . 32 參考文獻(xiàn) . 33 致謝 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄 . 34 整體電路圖 . 34 部分源程序 . 35 第 1 頁(yè) 基于 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能電飯煲功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 【 摘要 】 ： 電飯煲是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钇毡榈募矣?電器，隨著人們生活水平的提到，電飯煲也日趨智能化，本課題主要基于家電智能化的背景下，根據(jù)智能電飯煲的發(fā)展和現(xiàn)狀，探討智能電飯煲如何實(shí)現(xiàn)智能化的煮飯、預(yù)約、再加熱等功能。本文參考的是美的電飯煲，在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了其控制面板上的大部分功能，在討論炊 煮時(shí)溫度控制方面，本文主要采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其加熱溫度的控制 。 在硬件設(shè)計(jì)上，論文設(shè)計(jì)了以 司的 8052 單片機(jī)為核心的控制電路，包括復(fù)位電路、振蕩電路、 示電路、按鍵掃描電路、數(shù)字溫度傳感器電路、 展電路和時(shí)鐘電路。 在軟件設(shè)計(jì)上，首先根據(jù) 各個(gè)功能的典型最佳炊煮溫度曲線編寫出調(diào)試（測(cè)試）程序，通過調(diào)試程序找出針對(duì)產(chǎn)品的對(duì)應(yīng)各個(gè)功能的最佳炊煮溫度曲線。針對(duì)煮飯功能，提出了易于實(shí)現(xiàn)并且有效的米量與實(shí)時(shí)溫度控制的模糊控制理論，制定了不同的煮飯功能對(duì)應(yīng)的炊煮模糊控制方案。 【關(guān)鍵詞】： 電飯煲 ； 單片機(jī) ； 炊煮曲線 ； 模糊控制 ； : is in As is on of to of to of of of of to it is in 8052 is to of is to by to a of is of to in 第 2 頁(yè) 第 3 頁(yè) 前言 電飯煲因其安全、簡(jiǎn)便、實(shí)用而普及到千家萬(wàn)戶。隨著科技的不斷發(fā)展，這類小家電也在不斷的完善和提升自己，并向著智能化、節(jié)能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。本課題研究的是智能電飯煲的硬件和軟件的設(shè)計(jì)以及煮飯功能的實(shí)現(xiàn)過程。智能家用電器不僅僅實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的原始屬性，更融入了我們?nèi)祟惖闹腔劢Y(jié)晶。 隨著以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的信息 技術(shù)，特別是數(shù)字化技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能家電產(chǎn)業(yè)也在迅速崛起。世界著名的電腦和家電企業(yè)如 普、微軟、英特爾、松下、 芝等都大力開發(fā)研制自己的智能家電產(chǎn)品，我國(guó)的許多公司如聯(lián)想、長(zhǎng)虹、海信、 爾等也都投入到智能家電的開發(fā)工作。作為傳統(tǒng)家電代表，電飯煲也已融入到系統(tǒng)化的信息家電系統(tǒng)中，它的功能已不再只是單純的煮飯，功能齊全、操作簡(jiǎn)便、人性化的界面，烹調(diào)過程自動(dòng)化，甚至是網(wǎng)絡(luò)控制的信息化電飯煲已成為現(xiàn)代人的新需求。伴隨著生活水平的提高，電飯煲的智能化和網(wǎng)絡(luò)化將成為一種趨 勢(shì)，機(jī)械式飯煲必將退出市場(chǎng)舞臺(tái)。 第 4 頁(yè) 第 1章 緒論 第 智能家電概述 所謂智能化家電，是指運(yùn)用現(xiàn)代最新科技研制開發(fā)的新一代具有智能功能的家用電器。它所涉及的高新技術(shù)領(lǐng)域十分廣泛，其中包括：多媒體技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、模糊控制技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)、專家系統(tǒng)、人工智能、生物技術(shù)等。而人工智能的載體通過傳統(tǒng)的邏輯電路實(shí)現(xiàn)顯然是不現(xiàn)實(shí)的，而通過嵌入式系統(tǒng)就能輕松實(shí)現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)硬件和軟件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)專門的計(jì)算裝置，完成特定的功能和任務(wù)。在嵌入式系統(tǒng)中，單片機(jī)是最重要也是應(yīng)用最多的智能核心器件。從結(jié)構(gòu)的角度講，由于單片機(jī)是嵌 入家用電器內(nèi)部并作為核心部件，故智能家用電器的結(jié)構(gòu)體系很明顯就是一個(gè)嵌入式系統(tǒng) 4。 嵌入式家電的發(fā)展現(xiàn)狀 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到家用電器中，并作為核心控制部件，早已成為了一種歷史趨勢(shì)。在中國(guó)市場(chǎng)上銷售的家用電器，應(yīng)用了嵌入式微控系統(tǒng)的智能產(chǎn)品層出不窮。正是基于這一美好的前景，本課題將嵌入式微控制系統(tǒng)應(yīng)用到很常見的小家電 電飯煲之中。 嵌入式系統(tǒng)在小家電上的應(yīng)用遠(yuǎn)晚于其在黑色家電及其他大型家電上的應(yīng)用。日本、臺(tái)灣等地區(qū)對(duì)嵌入式小家電的研究及生產(chǎn)要早于其他地區(qū)。比較出色的公司主要集中在日本。雖然各個(gè)公司的產(chǎn)品各 有特色，但是從產(chǎn)品的電器性能來(lái)說(shuō)，都是應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)，使產(chǎn)品的功能智能化、人性化、小型化、節(jié)能化等。 當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展迅速，人們生活水平迅速提高，家用電器越來(lái)越受到人們的重視，許多家用電器制造商都投入大量的人力、資金進(jìn)行家電的升級(jí)和智能化。現(xiàn)在，歐洲、美國(guó)、日本和國(guó)內(nèi)的一些家電公司都已提出了智能家電的解決方案，并已實(shí)現(xiàn)成品化，盡管各方提出的方案不同，但都本著標(biāo)準(zhǔn)化、開放性、面向未來(lái)的宗旨，體現(xiàn)以人為本的設(shè)計(jì)思路，讓消費(fèi)者全方位的感受數(shù)字生活。 家電中的模糊控制技術(shù) 為了探索人工智能，使電腦模仿人腦，進(jìn)行更 多的智力勞動(dòng)，模糊數(shù)學(xué)便應(yīng)運(yùn)而生，1965 年美因著名系統(tǒng)及控制論專家、加州大學(xué)教授 立的模糊集合論，在電腦與人腦之間架起了一座橋梁 14。 與經(jīng)典控制技術(shù)、現(xiàn)代控制理論相比，模糊控制具有以下特點(diǎn)： (1)、 模糊控制是模擬人的直覺或經(jīng)驗(yàn)，用自然語(yǔ)言描寫被控對(duì)象的輸入、輸出關(guān)系以及凋節(jié)規(guī)則，避開了對(duì)被控對(duì)象建立數(shù)學(xué)模型的困難。 (2)、 對(duì)一些很難或根本無(wú)法建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)和長(zhǎng)時(shí)滯、非線性、多因素交互影響的時(shí)變系統(tǒng)，應(yīng)用模糊控制技術(shù)可對(duì)其實(shí)施有效的閉環(huán)控制。 (3)、 模糊控制具有很好的魯棒性，對(duì)參數(shù)的變化適應(yīng)性強(qiáng)，具 有較好的抗干擾能力，第 5 頁(yè) 消除了常規(guī)控制系統(tǒng)常存在的魯棒性與靈敏度之間的矛盾，提高了系統(tǒng)的可靠性。 (4)、 模糊控制器的設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短、成本低，用傳統(tǒng)控制方法需 才能完成的，控制目標(biāo)用一個(gè) 8 位單片機(jī)就可實(shí)現(xiàn)，因此它具有很強(qiáng)的滲透性，應(yīng)用前景十分廣泛。 當(dāng)前，模糊技術(shù)還處在發(fā)展階段，有待進(jìn)一步完善。但可以相信，它是一項(xiàng)控制工程領(lǐng)域的高新技術(shù)，有著誘人的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用天地。 第 本課題主要任務(wù) 本課題 主要闡述模糊控制在電飯煲中的具體實(shí)現(xiàn)，在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過對(duì)各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)和 分析，從而得到控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間的精確量來(lái)控制加熱盤功率以實(shí)現(xiàn)電飯煲通過模糊控制技術(shù)來(lái)煮飯的目的，使其達(dá)到智能化。 本課題主要任務(wù)及相關(guān)問題： 在硬件上的設(shè)計(jì)主要以 8052 單片機(jī)為主要控制芯片的功能電路，以模塊化的設(shè)計(jì)理念分別設(shè)計(jì)溫度傳感器電路、時(shí)鐘電路、 示電路、 展電路、蜂鳴器電路、按鍵電路和溫度采集電路。使其具備智能電飯煲基本功能。 在軟件上的實(shí)現(xiàn)預(yù)約、保溫、米量推算、智能炊煮和冷飯加熱等功能。其中智能炊煮、米量推算和保溫功能采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化煮飯，外加一些預(yù)約、聲音、燈光 提示等附加功能。 根據(jù)人們生活經(jīng)驗(yàn)中得到的最佳炊煮曲線中的溫度信息 值 與實(shí)際采集溫度進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過單片機(jī)的模糊推理后來(lái)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)煮飯的模糊化控制。 主要遇到問題是要實(shí)現(xiàn)智能電飯煲預(yù)約、炊煮功能所對(duì)應(yīng)的硬件電路該如何選擇，在整個(gè)炊煮過程中如何進(jìn)行相應(yīng)的模糊化控制。其中包括用何種方法進(jìn)行米量推算。在確定米量后如何進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度模糊化控制，此問題還包含有如何劃分模糊控制器輸入的量的隸屬度函數(shù)，采用何種方法計(jì)算控制量，這些問題也是本課題所要解決的。 第 6 頁(yè) 第 2章 智能電飯煲整體設(shè)計(jì) 智能電飯煲整體設(shè)計(jì)包含兩部 分：硬件的整體設(shè)計(jì)和軟件的整體設(shè)計(jì)，硬件的整體框架主要是以單片機(jī)為核心集合了顯示，提示音，溫控等功能的外圍模塊電路。軟件整體框架主要是以單片機(jī)實(shí)施模糊控制為主，實(shí)現(xiàn)此功能必需的溫度采集模塊、時(shí)鐘定時(shí)模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等 1。 第 硬件整體框架 硬件的整體框架包括 源、溫度傳感器、 示、 熱盤以及按鍵 9。如圖 2示。 圖 2件結(jié)構(gòu)框圖 各模塊介紹 (1)、 電源模塊 電源分為為加熱盤模塊提供 電的 220V 電源， 和 為溫 度傳感器模塊、按鍵模塊、顯示模塊和 塊 等 提供電 的 5V 電 源。 (2)、 按鍵模塊 按鍵采用獨(dú)立式按鍵接口，分為 6 個(gè)按鍵，分別對(duì)應(yīng)確認(rèn)、取消、預(yù)約、功能、時(shí)間加、時(shí)間減的功能。 (3)、 顯示模塊 采用 602 實(shí)現(xiàn)時(shí)間顯示，功能選擇，是此電飯煲的人機(jī)對(duì)話界面。 (4)、 溫度傳感器模塊 利用溫度傳感器 檢測(cè)溫度的變化從而使單片機(jī)進(jìn)行模糊控制。 (5)、 加熱盤模塊 與 220V 市電直接相連，分為主、副加熱盤，并且分別對(duì)其采用繼電器和可控硅來(lái)控按鍵 溫度傳感器 示 加熱盤 源 蜂鳴器 7 頁(yè) 制功率。 (6)、 時(shí)鐘模塊 提供單片機(jī)的工作時(shí)序，控制炊煮時(shí)間和預(yù)約功能的實(shí)現(xiàn)。 (7)、 塊 利用 展實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)斷電后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 (8)、 蜂鳴器模塊 炊煮結(jié)束后能提供音樂和燈光提示。 第 軟件整體框架 軟件整體框架包括溫度采集程序模塊、 鐘程序模塊、 模糊控制程序模塊、 示程序模塊、蜂鳴器程序模塊和 儲(chǔ)程序模塊。 圖 2件結(jié)構(gòu)框圖 各模塊主要功能 (1)、 溫度采集模塊 分為采集子程序和控制子程序，前者涉及定時(shí)器的定時(shí)、溫度對(duì)照等環(huán)節(jié)。后者是當(dāng)溫度采集值與設(shè)定值產(chǎn)生偏差時(shí)需要對(duì)加熱盤 功率進(jìn)行控制 2。 (2)、 時(shí)鐘模塊 利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器 0 作為時(shí)鐘定時(shí)，按鍵方式 1，每隔 100出中斷一次。 (3)、 糊控制模塊 此模塊是系統(tǒng)主要功能程序模塊，其中把上、下溫度傳感器的信號(hào)作為模糊推理米飯量的兩個(gè)輸入量，根據(jù)上、下兩溫度傳感器達(dá)到所設(shè)定溫度的時(shí)間差來(lái)進(jìn)行推 算 。 鍋身傳感器的溫度與預(yù)設(shè)溫度之間的偏差及其導(dǎo)數(shù)作為溫度模糊控制的兩個(gè)輸入量，通過溫控子程序進(jìn)行煮飯的各階段控制，每階段都有計(jì)時(shí) 3。 (4)、 附加功能 附加功能有冷飯?jiān)偌訜?、炊煮完成后的保溫子程序，這些功能用了簡(jiǎn)單的加熱器通斷溫度傳感器模塊 時(shí)鐘程序 顯示程序 糊控制 控制對(duì)象 附加功能 第 8 頁(yè) 功能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)生 活經(jīng)驗(yàn)，冷飯?jiān)偌訜嵋蟮氖强?，因?yàn)樾枰偌訜岬臇|西往往是熟的，且量也不會(huì)太多，只要達(dá)到適合使用的溫度即可，保溫功能也與其類似。 (5)、 其他 程序模塊 蜂鳴器程序主要功能是判斷煮飯過程是否結(jié)束，如結(jié)束，則發(fā)出聲音來(lái)提醒使用者煮飯過程已結(jié)束，同時(shí)小燈點(diǎn)亮進(jìn)入保溫狀態(tài)。 儲(chǔ)程序作用是當(dāng)接收到中斷信號(hào)后立即把單片機(jī)所執(zhí)行的所有數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器內(nèi)。 第 9 頁(yè) 第 3章 智能電飯煲硬件部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) 第 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 本課題所設(shè)計(jì)的智能電飯煲是以美的 參照，如圖 3示，實(shí)現(xiàn)其大部分功能，包括了開始、關(guān)、預(yù)約、功能、時(shí) 、分功能。 圖 3的 板 電源電路 該單元為本系統(tǒng)的其他電路提供工作所需要的電源。如圖 3由變壓器降壓后得到 20V 的交流電壓經(jīng)過全波整流電路和濾波電路變成 15V 左右的直流電壓，再經(jīng)過三固定輸出電壓的集成穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓輸出 5V 的穩(wěn)恒直流電源，為單片機(jī)及其周圍電路提供工作需要的電源 5。 源電路圖 (1)、 抗浪涌電路 壓敏電阻和 流熔斷絲（長(zhǎng)約 5箔）共同組成了抗浪涌電路當(dāng)有異常高電壓輸入時(shí)，壓敏電阻瞬間短路，這樣電源、壓敏電阻和 流熔斷絲（ 成的回路電流瞬間增大，當(dāng)電流尖峰值瞬間超過 流熔斷絲的電流容量， 流熔斷絲立即熔斷，從而保護(hù)了后面電路元件的安全。 電容 稱安規(guī)電容或者靜噪電容，一方面能夠抑制電網(wǎng)向電源電路傳導(dǎo)的騷擾，另一方面也降低了自身電路向電網(wǎng)傳導(dǎo)的騷擾。 第 10 頁(yè) 過零檢測(cè)電路 可控硅及繼電器的觸發(fā)信號(hào)需要對(duì)市電進(jìn)行過零檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)觸發(fā)脈沖的相位延時(shí)，該電路的目的是檢測(cè)交流 220V 電源信號(hào)，也可稱之為交流電過零點(diǎn)檢測(cè)電路。 如圖 3當(dāng)交流 220源開始工作時(shí)，由 C 點(diǎn)產(chǎn)生基本上與交流電源同 步的方波，這樣能產(chǎn)生周期性的中斷，從而在中斷程序中就可以處理一些與交流信號(hào)有關(guān)的控制，控制可控硅的觸發(fā)。 零檢測(cè) 電路圖 加熱盤電路 圖 3示是 加熱盤電路，主加熱器是電飯煲的基本加熱單元，是實(shí)現(xiàn)各種加熱功能的基礎(chǔ)，采用盤狀的外觀所以也被稱為加熱盤。加熱盤與電飯煲的內(nèi)膽（內(nèi)鍋）底部緊密接觸以便更高的利用加熱所產(chǎn)生的熱能，其中繼電器功能是在其選定工作模式或冷飯?jiān)偌訜釙r(shí)控制其加熱功率，單片機(jī)通過 對(duì)繼電器進(jìn)行控制。 副加熱盤電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制 6，單片機(jī)通過引腳 給可控硅發(fā)信號(hào)，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。 其中串聯(lián)在 繼電器 回路的熔點(diǎn)為 160的熱保險(xiǎn)絲，當(dāng)溫度達(dá)到 160時(shí)，熱保險(xiǎn)絲會(huì)熔斷，防止加熱盤干燒。 第 11 頁(yè) 熱盤電路 第 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路如圖 3示，采用的是系統(tǒng)振蕩為外部 蕩方式，單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 別是次放大器的輸入端和輸出端，把這兩個(gè)引腳與作為反饋元件的晶體諧振器連接。一般采用 12石英晶體和30電容作為系統(tǒng)時(shí)鐘，以減少寄生電容，更好保 證振蕩器的穩(wěn)定性 11。 鐘電路 第 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)要能長(zhǎng)時(shí)間可靠工作就離不開復(fù)位電路，復(fù)位電路可在單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)或進(jìn)入死循環(huán)時(shí)，通過復(fù)位使系統(tǒng)重新運(yùn)行。對(duì)于 51 單片機(jī)而言，只要 保持二個(gè)機(jī)器周期（ 24 個(gè)時(shí)鐘振蕩周期）的高電平即可硬件復(fù)位。考慮到從電源接通到電源電壓穩(wěn)定需要一第 12 頁(yè) 定的時(shí)間，故圖 3示 位時(shí)間一般均應(yīng)大于 10示復(fù)位電路是廣泛應(yīng)用的上電復(fù)位電路 12，典型取值為 R=1k C=22 位電路 第 展電路設(shè)計(jì) 本課題采用 展，如圖 3示，用 8052 的 模擬 線與 信連接電路圖，由于 漏極開路，圖中 上拉電阻（ 10K），2 和 址引腳均接地。串行時(shí)鐘 行數(shù)據(jù)，地址線 腳。 特性有：?jiǎn)坞娫垂╇?，工作電壓范圍寬?低功耗 術(shù)100 4005V）兼容，自定時(shí)寫周期（包含自動(dòng)擦除）、頁(yè)面寫周期的典型值為 2有硬件保護(hù) 18。 展電路 第 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示器件采用 晶顯示器，是目前最常用的顯示器件，其顯示容量為 16 2個(gè)字符，尺度為 合電飯煲時(shí)間和功能的字符顯示，如圖 3三個(gè)引腳分別為電源地、電源正極和液晶顯示偏壓。 R/W 為數(shù)據(jù) /命令選擇和讀 /寫選擇，引腳 15 和 16 分別是背光源正、負(fù)極。單片機(jī) 用于對(duì) 數(shù)據(jù)傳輸， 是作為控制端對(duì) 入讀 /寫數(shù)據(jù)信號(hào)，選擇數(shù)據(jù)寄存器或指令寄存器，以及是否進(jìn)行顯示 19。 第 13 頁(yè) 示電路 第 蜂鳴器電路 設(shè)計(jì) 蜂鳴器電路要求在炊煮結(jié)束時(shí)“奏出”出悅耳的提示音給使用者。選擇 動(dòng)蜂鳴器，并且只用 個(gè)引腳就可以了，這樣可以節(jié)省一個(gè) I/O 引腳，同時(shí) 出的信號(hào)頻率可以采用一個(gè)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)器控制 17，如圖 3示。 鳴器電路 第 鍵盤接口電路設(shè)計(jì) 獨(dú)立式鍵盤是直接用 I/O 口構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，如圖 3示 ，每根 I/O 口線上按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口的工作狀態(tài)，該電路屬于查詢方式電路，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)， 應(yīng)的 I/O 口由于有上拉電阻，其輸入為高電平；當(dāng)某按鍵按下后，對(duì) 應(yīng) I/時(shí)在 V 的情況下， I/O 輸出灌電流在 5右 16。 第 14 頁(yè) 鍵電路 第 溫度傳感器電路設(shè)計(jì) 本課題中溫度傳感器 用數(shù)據(jù)線供電方式，其工作電壓范圍在 3 度測(cè)量范圍在 125精度為 2，在 85范圍內(nèi)，其精度為 可編程為 9 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換精度 10。測(cè)溫分辨率可達(dá) 氏度，如圖 3示，為了保證 度變換的精確性，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)據(jù)線必須提供足夠功率，此時(shí)必須提供一個(gè)強(qiáng)上拉。該電路 通常要求外接一個(gè) 上拉電阻至電源 8。 )度傳感器電路 第 15 頁(yè) 第 4章 智能電飯煲軟件部分的詳細(xì)設(shè)計(jì) 電飯煲的基本功能就是煮飯，如何將米煮成香噴噴的米飯是電飯煲需要解決的主要問題。為了得到最佳的煮飯效果，可通過傳統(tǒng)的和科學(xué)的煮飯方法確定最佳的煮飯工藝流程即煮飯的過程控制，最后根據(jù)確定的煮飯流程編寫參數(shù)調(diào)試程序，從而得到最終的最佳煮飯流程和溫度控制曲線。 第 理想的最佳煮飯方法 生米煮成熟飯的過程是相當(dāng)復(fù)雜的生化轉(zhuǎn)化過程。在這一過程中，大米中的淀粉、葡萄糖等成份進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)化。影響轉(zhuǎn)化的最主要因素是 溫度及溫度的變化。鐵鍋柴灶煮飯時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的“巧婦”，在小知不覺中，運(yùn)用灶膛中火力大小，使飯鍋的溫度發(fā)生變化，滿足了大米的最佳轉(zhuǎn)化條件，從而蒸煮出香噴噴的米飯。這種溫度發(fā)生變化大致分為 5 個(gè)階段： (1)、 低溫吸水：讓大米在 3040的溫水中浸泡足夠時(shí)間，使米粒充分吸水膨脹，米粒內(nèi)外隨水溫慢慢升高至 60 70。 (2)、 快速升溫：當(dāng)米粒內(nèi)外溫度達(dá)到 70時(shí)，米粒將開始糊化，糊化首先發(fā)生在米粒表面。為了避免米粒表面糊化后不向內(nèi)部傳熱，這時(shí)應(yīng)快速升溫，使米粒內(nèi)外在極短時(shí)問內(nèi)，同時(shí)達(dá)到高溫，有利于米粒內(nèi)外同時(shí)糊化、熟化。 (3)、 高溫 沸騰：促使米粒內(nèi)外同時(shí)熟透，并蒸發(fā)掉鍋內(nèi)多余水分，避免米粒含水過多而稀化，也就是常說(shuō)的“爛飯”。 (4)、 烘飯：在高溫沸騰停止后，鍋內(nèi)的水蒸汽將冷卻液化，滴回米飯表面。為繼續(xù)蒸發(fā)掉表面多余水分，同時(shí)使米粒內(nèi)部水分進(jìn)一步排出，使米飯更松軟。 (5)、 燜飯：在熟飯后維持一定溫度，使米粒進(jìn)一步釋水松軟，靠鍋的米粒得熱較多而出現(xiàn)少許焦黃，整鍋米飯浸透燒香味。 日常使用的機(jī)械式電飯煲，利用磁鋼受熱后磁性減弱來(lái)控制加熱絲的通斷。電源一旦接通，就持續(xù)加熱。達(dá)到最高溫度后，開關(guān)自動(dòng)斷開，煮飯結(jié)束。這種電飯煲的煮飯過程中沒有也難以實(shí)現(xiàn)吸水和 燜飯過程，同時(shí)也不能準(zhǔn)確的控制各個(gè)階段的溫度以及溫度變化。因而米飯的口感和質(zhì)量較差，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)和用戶之間的交互以完成各種附加功能。如圖 4示為煮飯最佳曲線圖。 第 16 頁(yè) 圖 4飯最佳曲線 吸水階段使大米在一定的溫度下充分吸水，使大米含水率從 14%上升到 25%左右，以保證米粒在加熱過程中內(nèi)外均勻受熱，熱量透到大米的芯部，從而使之燒成柔軟鼓脹狀，但是，一旦水溫超過 70，米將變成糊狀。所以，一般將水溫控制在 60以下。 快速升溫階段把已吸足水分的米采 用大功率進(jìn)行加熱，迅速達(dá)到糊化溫度，如果不繼續(xù)迅速升溫的話，米粒將在此溫度下吸入大量水分并且米粒會(huì)達(dá)到半熟的狀態(tài)，此后無(wú)論采取何種措施，米飯都不會(huì)達(dá)到理想的炊煮效果。 沸騰階段是將米中不易溶于水、難以消化的淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡谒⒁子谙牡矸?，?yīng)保持一定的時(shí)間。沸騰階段電飯煲內(nèi)的溫度保持在 100的水平。大米充分吸水后，鍋內(nèi)的水逐漸減少，鍋底趨于干燥，當(dāng)鍋底的水分減少到一定程度后，米飯的溫度迅速上升進(jìn)入圖 4的烘飯階段，在該曲線圖中，烘飯包含在高溫沸騰的階段中。 沸騰結(jié)束后，進(jìn)入燜飯階段，在燜飯階段，使米 粒充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量趨于一致，燜飯階段還使大米外部的水分一部分滲透入米芯，促使內(nèi)部的成熟變化，另一部分蒸發(fā)掉，這樣就使得整粒米飯內(nèi)外一致。一般燜飯之后的米飯含水率在 69左右。在燜飯階段有一個(gè)間歇加熱的階段，目的是使煮熟的米飯產(chǎn)生少許的鍋巴，使整鍋的米飯更具米飯的香味，同時(shí)燜飯階段使得米飯無(wú)論在硬度上或黏度上都會(huì)另人滿意。 第 煮飯功能模糊控制器 模糊控制基本思想 模糊控制是一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，所以其控制系統(tǒng)框架同一般的數(shù)字控制系統(tǒng)一樣，烘飯 t/水 快速升溫 高溫沸騰 燜飯 保溫 米飯溫度 120 100 70 40 30 第 17 頁(yè) 只不過它的控制器是模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)的過程 中要經(jīng)過以下三個(gè)步驟：輸入量的模糊化、模糊推理和輸出量的解模糊。在模糊控制過程中，將測(cè)到的過程精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，再經(jīng)過根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的若干模糊規(guī)則和必要的模糊處理后，模糊判斷系統(tǒng)根據(jù)輸入的模糊信息按照控制規(guī)則和推理法則，做出模糊決策，然后輸出解模糊后的控制量并作用于執(zhí)行系統(tǒng)，完成控制動(dòng)作，且這種動(dòng)作足以精確量表現(xiàn)出來(lái)的 13。 (1)、 模糊化 模糊化是將模糊控制器輸入量的確切值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語(yǔ)言變量值的過程，此相應(yīng)語(yǔ)苦變量值均由對(duì)應(yīng)的隸屬度來(lái)定義。在實(shí)際應(yīng)用中，常常選擇三角形作為語(yǔ)言變量的隸屬度曲線。在模糊化的 過程中，一般利用最大隸屬度原則，即在語(yǔ)言集中選擇該元素對(duì)應(yīng)的隸屬度最大的語(yǔ)言變量，作為該項(xiàng)確切值的模糊子集。 (2)、 模糊推理 模糊推理包括三個(gè)組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個(gè)模糊條件語(yǔ)句，構(gòu)成規(guī)則庫(kù)：小前提是一個(gè)模糊判斷句，又稱事實(shí)。模糊推理就是以已知的規(guī)則庫(kù)和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程。 (3)、 解模糊 解模糊是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程。它的目標(biāo)是產(chǎn)化確切的控制動(dòng)作，應(yīng)該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動(dòng)作分配的可能性。常用的方法有最大隸屬度法、加 權(quán)平均法和重心法。 如圖 4示的模糊控制框架圖。 圖 4糊控制框圖 目前，實(shí)用模糊邏輯控制常用的方法有查表法和軟件模糊推理等。查表法是將輸入的u z y x e + r 識(shí)庫(kù) 模糊化 模糊 推理 清晰化 化 控制表 制對(duì)象 d/2 量化 第 18 頁(yè) 隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則和輸出隸屬度函數(shù)都用表格來(lái)表示，從輸入量的模糊化、模糊推理和模糊判決都通過查表來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判決三個(gè)過程都用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于本文研究的米量和加熱功率模糊推理機(jī)來(lái)說(shuō)，其推理過程是開環(huán)的，模糊推理機(jī)只包含輸入量的模糊化、利用規(guī)則的模糊推理及輸出量的解模糊 ，隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則可以用表格來(lái)表示，模糊推理機(jī)的最終輸出量為具體米量的值和加熱功率的值。 參數(shù)標(biāo)識(shí) 煮飯模糊控制器包括飯量的模糊推理，溫度的模糊控制量部分，為了便于接下來(lái)的模糊控制設(shè)計(jì)，故列出一系列相關(guān)標(biāo)識(shí)量。 (1)、 下傳感器預(yù)約溫度 初始值 ： 30 80 (2)、 上傳感器檢測(cè)到的蒸汽溫度 初始值 ： 60 90 (3)、 下傳感器米量判斷開始溫度 初始值 ： 50 70 (4)、 上傳感器防凝露控制溫度 初始值 ： 95 115 第 米量的模糊推理 電飯煲的結(jié)構(gòu)不允許采用重量傳感器等可以直接測(cè)量的方法，根據(jù)多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采用上、下溫度傳感器配合測(cè)出飯溫信號(hào)，利用模糊推理，組成測(cè)定飯量的軟傳感器，最后通過模糊決策來(lái)判斷米量的值是一種十分有效的、可行的方法。 模糊電飯煲實(shí)行模糊控制的關(guān)鍵是煮飯量的模糊測(cè)定，這一工作是在吸水階段進(jìn)行的。米量判斷過程是通過下傳感器達(dá)到統(tǒng)一的溫度值 (始計(jì)時(shí)，采用大功率持續(xù)加熱，直到上傳感器檢測(cè)到蒸汽溫度為止，根據(jù)多年的電飯煲開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，這是一種非常可靠的米量檢測(cè)方法，不 同米量的值，這個(gè)過程所需的時(shí)間不等，具有明顯的梯度，所以可以比較準(zhǔn)確的判斷出米量。米量的區(qū)分以電飯煲產(chǎn)品附帶的量杯為單位。 本項(xiàng)課題采用的方法是通過設(shè)定底部傳感器溫度值，當(dāng)?shù)撞繙刂蹬c設(shè)定值 (等時(shí)，取上傳感器一個(gè)適當(dāng)?shù)墓潭ǖ臏囟取?不同的米量加熱到電飯煲上傳感器達(dá)到這個(gè)溫度“ 時(shí)間 不同的。這樣，米量模糊控制器就可以看成輸入量為時(shí)間 出量為米量 Q 的一維模糊控制器。表 4 品的煮飯模式下，米量判斷時(shí)間 應(yīng)的米量判斷值 Q。通過米量 Q 的值來(lái) 判斷煮飯時(shí)各時(shí)間段的合理時(shí)間區(qū)間，得到相應(yīng)飯量的煮飯最佳曲線，表格中 時(shí)間段，比如美的 精煮功能， 值在 0 530時(shí)間段內(nèi)，得到的 Q 值為 0;值在 531 610時(shí)間段內(nèi)，得到的 Q 值為 1,依次類推，表中列出各個(gè)時(shí)間段的上限值。 第 19 頁(yè) 表 4米量判斷對(duì)應(yīng)表 精煮 煮 應(yīng)米量 少量米 應(yīng)米量 判定值 500 520 1 杯 340 0 550 600 420 1 杯 1 720 730 2 杯 500 2 810 830 640 2 杯 3 950 1000 3 杯 730 4 1050 1050 900 3 杯 5 1200 1220 4 杯 950 6 1250 1320 1120 4 杯 7 2000 2000 5 杯以上 2000 5 杯以上 8 加熱功率的模糊控制 通過以上米量的模糊推算，我們就可根據(jù)判定值 Q 來(lái)推斷主加熱盤應(yīng)該用何種加熱模式來(lái)進(jìn)行炊煮過程，這里利用加熱時(shí)間占空比參數(shù) 替代 過改變 而改變加熱盤的加熱功率 里取 32s 一個(gè)周期，通過調(diào)節(jié)這 32s 中主加熱盤的通斷來(lái)控制加熱功率 保證可以實(shí)現(xiàn)最佳加熱曲線的前提下，以簡(jiǎn)化算法，易于實(shí)現(xiàn)為原則，按下表4根據(jù) Q 值推算 值。 表 4加熱盤加熱模式表 模式 s) Q 精煮 快煮 少量米 0 11 13 8 1 12 14 10 2 13 16 12 3 14 18 15 4 16 20 17 5 18 22 19 6 20 24 21 7 23 26 23 8 25 28 25 通過控制主加熱盤的通斷，保證基本的煮飯功率，如表所示，之所以不能讓 全導(dǎo)通，一方面為了不讓鍋底過熱，導(dǎo)致鍋里的飯下面焦而上面未熟透，另一方面也為副加熱盤進(jìn)行模糊溫度控制從而更逼近最佳炊煮曲線提供了必要的初始、穩(wěn)定的溫度保障。 第 20 頁(yè) 第 副加熱盤的模糊控制 經(jīng)過先前的米量推算后，得到應(yīng)選用的煮飯模式，從而開始進(jìn)行煮飯溫度的模糊控制，這種控制主要的實(shí)施 器件是與加熱盤串連的可控硅，通過控制其導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制 21，具體方法： (1)、 根據(jù)鍋身溫度傳感器傳給單片機(jī)的實(shí)時(shí)的溫度信號(hào)，再對(duì)比同一時(shí)間最佳煮飯曲線所對(duì)應(yīng)的溫度值，得到傳感器現(xiàn)測(cè)溫度信號(hào)與預(yù)設(shè)溫度之間的誤差值 E 以及誤差值變化率 E，誤差 E 的范圍規(guī)定我 2。 (2)、 分別對(duì) E 和 E 進(jìn)行量化，并描述其隸屬度，列出隸屬度表，制定模糊控制規(guī)則表。 (3)、 進(jìn)行模糊推理，根據(jù) E 和 E 量化后的模糊集合 A 和 B 得出每條規(guī)則的模糊算子進(jìn)而求的輸出量的模糊集合 C。 (4)、 用所求得的輸出模糊集合進(jìn)行清晰化計(jì)算（用加權(quán)平均法）得到清晰的控制 量。基于模糊控制步驟：模糊化、規(guī)則庫(kù)建立、模糊推理、解模糊，對(duì)加熱盤的溫度模糊控制采用鍋身溫度傳感器的溫度信號(hào)作為系統(tǒng)輸入，晶閘管控制量作為系統(tǒng)輸