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电饭煲模糊控制板设计开发


随着电子技术的发展以及人民日益增长的需求,各种电子产品进入了大众生活,其中电饭煲是一个应用极为广泛的电子产品。传统的电饭煲可以基本实现煮饭的功能,但难以达到较好的烹饪效果。随着传感器技术以及智能控制技术的发展,基于单片机控制的电饭煲能够按照煮饭的工艺过程实现模糊控制的煮饭功能,达到较好的烹饪效果。本文应用MC68HC08JL3芯片作为控制芯片,实现了一款智能电饭煲的软硬件设计,使得该电饭煲具备:LCD显示、按键读取处理、ADC、模糊控制煮饭等功能。

一、电饭煲控制板设计思路

控制器的控制电路按照图1进行设计,电路包括7个部分:单片机、电源及稳压电路、键盘输入电路、蜂鸣报警电路、LED显示电路、温度检测电路及功驱动电路。在进行电路设计时,将电源处理、外部信号驱动和读取的电路做一块PCB板,将控制电路做一块PCB板。

本文使用68HC08JL3芯片作为控制芯片,实现控制板电路图设计。该控制板包括外部接口、LED显示、液晶显示、按键部分的电路、单片机工作电路。

图1图2 电饭煲控制电路框图

二、电饭煲模糊控制机理

机械式电饭煲由于没有温度传感器的探测,只能机械地将锅底温度加至103摄氏度左右之后就停止加热进入保温,虽然加热过程也能经历几个工艺阶段,但是由于缺乏时间的控制,无法做出很可口的米饭;模糊电饭煲可以实现吸水、加热、沸腾、焖饭、膨胀等多种功能,而这些功能都能取得理想效果。特别是,米饭的质量是关键的加热阶段所决定的,而在这一阶段还需要推算出米量。过去的电饭煲是难以实现的。本文着重介绍便于单片机系统编程实现、实际可行的模糊推理方法。

2.1电饭煲米饭量的模糊推理

在模糊控制的电饭煲中,控制过程的各阶段加热控制及加热时间是和米饭量有关的。因此,米饭量的测定是第一个关键步骤,其后的过程则依据米饭量进行相应的控制。在电饭煲工作的吸水阶段,由于初始条件的不确定,用户可能使用热水热锅,也可能使用冷水冷锅进行煮饭,使得在吸水阶段难以对米量进行测定,因此米饭量的测定只能是在加热阶段进行的。

如果用户是按照指定的刻度加水的,在加热阶段,如果锅内升温很快,则可以判定米量较少,如果锅内升温较慢,则可以判定米量较多。有两个热敏线可以进行锅内温度的读取,分别读取锅底和锅顶的温度,由于锅底温度相当于测定的是米的温度,米和水在加热时难以形成对流,温度交换较差,所以锅底的升温很快,比较难以反映整个锅体内的升温情况,而锅盖的温度则能直接反映锅内温度变化情况。因此,可以使用锅顶温度-时间曲线的斜率反映米量的多少,斜率较大的米量少,反之则米量多。推理规则如表1所示。

表 1 烧饭量模糊推理规则

在单片机编程当中,考虑到单片机的内存限制与计算速度的问题,可以按照以下步骤进行米饭量测定规则的设定:

(1)设定锅顶温度的低阈值Tmp_Low及高阈值Tmp_High,其中Tmp_Low的值不能低于使用热锅热水吸水阶段结束时锅顶温度的值,Tmp_High不能高于水沸腾时锅顶温度的值,这两个数值都需要试验之后确定,不同型号的电饭煲,由于结构的差异,所确定的阈值也不同。

(2)按照介于少米量与中米量之间的米量、介于中米量与多米量之间的米粮分别煮饭,计算锅顶温度由Tmp_Low升到Tmp_High所需要的时间,分别得到Time_Small和Time_Big。同样,存在结构差异的电饭煲,这两个量也是有所差异的。

(3)煮饭过程中,如果锅顶温度由Tmp_Low升到Tmp_High所需要的时间Time_Det,如果Time_Det<Tmp_Low,则判定当前煮饭量为少米量,如果Time_Det>Tmp_High,则判定当前煮饭量为多米量。否则为中米量。推理规则如表2所示。

表 2 烧饭量模糊推理规则

2.2电饭煲工作过程控制

煮饭的加热阶段测定了米量,则加热阶段的整体时间控制与沸腾和焖饭阶段的加热盘火力控制则由米量的多少决定。

前文提到加热阶段的时间控制在10分钟左右口感较好,实际加热中,按照一定的火力大小,当加热到水沸腾时,根据煲体的不同会有所区别,本文使用的电饭煲需要6-9分钟加热到水沸腾,米量多时需要的时间较长,米量少时需要的时间较短,为了基本满足10分钟的时间要求,最后剩余1-3分钟时间将停止底加热盘的加热,同时开启顶加热盘,加热至顶温为100度左右,一方面防止蒸发的水汽冷凝,另一方面为下一阶段整个煲体的均匀加热做准备。因此在加热阶段停止底加热盘加热时间根据米量不同,有所不同,对应关系见表3。

表 3 加热阶段停止底加热盘加热时间模糊推理

实际程序编写过程当中,也可以将加热阶段时间确定为10分钟,底加热盘加热时间与停止加热的时间累计为10分钟。

沸腾和焖饭阶段应当维持在20分钟左右,而焖饭阶段结束的条件是由温度来确定的,因此两个过程的时间把握则需依靠加热盘的火力大小控制。在这两个阶段,米量比较多时,应当采用大火力加热,米量比较少时,应当采用小火力加热,以确保两个阶段的累计时间约为20分钟。对应关系见表4。

表 4 沸腾和焖饭阶段火力控制模糊推理

2.3智能煮饭程序设计

按照煮饭的工艺过程,使用单片机控制的电饭煲可以将煮饭过程划分为几个阶段,不同阶段采用的加热方式不同。

在煮饭过程中,底温度随着煮饭过程阶段的变化,呈现出如图3的曲线,其中纵坐标为温度,横坐标为烹饪时间。智能煮饭过程中,几乎所有需要底加热盘加热的过程都需要使用间歇加热的方式进行加热,这是因为:

(1)底加热盘的加热功率较大,220V供电的情况下,一般达850W以上,连续加热极易使得锅底温度迅速升高。(2)煮饭时,是生米与水的混合物,其中生米接近锅底,水在米之上,加热时,靠近锅底的米升温较快,而与水不能形成对流,无法很好地交换温度,若底加热盘持续加热会导致米的温度升高很快,水的温度升高较慢,影响米的吸水,也不能使得整个锅体均匀加热。(3)根据不同烹饪功能的需要,所需要的加热火力有区别,通过控制加热占空比,可以控制加热盘的火力。

图 3 煮饭过程底温度曲线

因此,在进行智能煮饭时,需要对底加热盘的进行间歇式控制,采用一定的占空比控制加热的过程。相同时间长度的一个加热周期中,底加热盘开的时间越长,加热的火力越大,底加热盘开的时间越短,加热的火力越小。通常会采用20~30秒的加热周期,如果加热周期太短会使得继电器经常开开合合,缩短继电器的使用寿命。

三、电饭煲软件设计

如图4所示,主程序包括初始化程序和主循环程序。

图 4 电饭煲主程序流程图

(1)芯片初始化:对寄存器、输入输出端口、变量进行初始化;(2)读键及键处理:程序设定2ms读一次键;(3)蜂鸣器控制:使用无源蜂鸣器;(4)读AD:程序250ms读一次AD,并将其转换为锅盖、锅底温度;(5)烹饪控制程序:按照上节所述内容,对应各阶段控制要求,完成模糊煮饭功能,根据不同的执行阶段,确定底加热盘占空比以及确定侧加热盘、肩加热盘的加热标志,不直接处理输入输出端口;(6)显示数据控制:完成液晶显示内容的设置;(7)外时钟控制:提供秒平台、分钟平台,供阶段计时及占空比计时使用;(8)驱动控制:为下层控制程序根据占空比确定是否应当开底加热盘,设置底加热盘的标志位,也不直接处理端口,然后则根据上层烹饪控制程序得到的标志,进行端口的处理,控制加热盘工作与否;(9)定时器溢出中断程序:虽然在流程图中没有绘制,但实际作为单独的函数需要编程处理,完成蜂鸣器响声控制、2ms、250ms、1s计时,并处理相应标志位。

总结

通过机械式电饭煲和按照本文方法实现的模糊控制电饭煲的对比,可以发现相对于机械式电饭煲,模糊控制电饭煲所煮的饭口感更佳,而且饭煲各个部位的米饭口感都基本一致,不会像机械电饭煲一样,当煮的饭多时,煲体上侧的米饭与煲体下侧的米饭效果相差较远。

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