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客户成功故事与项目成功案例

电压力锅控制板设计开发


从电压力锅的结构上来说,它的发展从一般的简易式电加热高压锅开始,只是改变加热的方法,其控制不精良,也难实现自动控制,随着市场的需求,电压力锅在原来的结构基础上作了相当大的改变,出现了压紧式密封与浮动式密封的锅盖分离结构。在功能操作和技术应用方面,除传统的机械控制外,还增加了不少的电子控制方式,这大大提高了电压力锅的安全性、功能性及自动控制能力。

一、电压力锅的结构

电压力锅除了如图3-1所示的一些基本装置:密封装置,排气装置,控制电路,锁定装置,内胆,温控装置,电热装置,定时装置等,有的系统还会包括一些安全装置,如:开盖安全装置、泄压装置、合盖安全装置及其他软件实现的保护装置等,其中,开盖安全装置的作用是当压力锅内有一定压力时,无论什么原因,锅盖将无法打开,避免锅内压力伤人;合盖安全装置是在锅盖与锅身尚未完全扣合时,加热器应处于断开状态,避免压力上升造成爆锅;限压排气阀是烹饪过程中为使锅内压力保持在一定压力范围,软件控制排气阀的开关来控制压力达到最佳烹饪效果的装置;泄压装置是在限压排气阀失灵时,泄压装置可以手动进行泄压从而保证安全。

图 3-1 电压力锅内部结构图

二、电压力锅工作过程及功能设计

电压力锅工作过程为:使用者放入食物,合上盖(盖开关检测到已合上),得电,蜂鸣器长鸣一声,LED显示全8,电压力锅进入待机状态,此状态无显示,无报警,即不做任何动作;若选择功能键、选择保压时间、预约时间(可选),且按开始键,电压力锅开始工作:LED七段显示屏显示工作状态;上、下温度传感器检测温度,数据传送到CPU进行分析计算,以模糊神经网络为控制器,根据温度和压力的正比关系,同时以干簧管测得锅内压力值为依据;按相关专家炊煮工艺曲线控制温度及压力,控制温度的方式表现为通过单片机输出PWM波形控制继电器的通断,从而控制加热功率;控制压力的方式表现为控制电磁阀的通断来控制排气阀的开关。控制结束时在开盖前必须保证锅内气压在安全气压范围,否则机械电气互锁使盖无法打开,这时需要紧急手排气或手动排气,直至气压为低于0.05个大气压时方可开盖。除此之外,各种安全意外防范措施更是必不可少。

下面就整个过程实现的功能作如下说明:

(1)定时/预约功能:用户可以根据个人口感和爱好选择保压时间,如个人喜爱食物偏软即将保压时间调长,实现定时,最高定时时间为120分钟;用户可以根据自己日常作习预约开机及进行智能化动作的时间,如早上八点出门前预约下午5点开机,到预定时间电压力锅自动开机进行工作,实现预约功能。

(2)功能选择:可选择的功能有煮饭、粥、汤、牛羊肉、蹄筋、鸡鸭肉、鱼、鸡翅、蒸蛋、蛋糕、烙饼等,实现一锅多用。

(3)智能控制:设计者根据专家炊煮曲线,结合智能控制技术,来控制炊煮过程,使用者只需选择食物种类,后续工作完全由单片机控制,用户实现一键控制。

(4)故障检测:故障检测包括传感器开路、短路检测,无锅检测,欠压、过压检测(指电压),过流检测,超温检测,超压检测(指压力)及其他意外故障检测等。

(5)报警、提示功能:电压力锅自开机时,CPU检测并判断到有异常情况,或者电压力锅按用户的设置完成任务时,蜂鸣器及显示器会根据需要给予报警或提示。

(6)保护功能:开机后,CPU检测到故障时应做出动作,避免对器件造成损坏;设计者根据用户日常使用碰到的问题,如干烧等,在控制系统中加入防干烧功能,考虑到蒸汽压力带来的危害性,特加入多重保护如加热时间自动控制系统,异常压力排除系统,自动卸压系统,压力旋钮紧装置,这些系统保在在烹饪开始后,旋钮自动锁住锅盖,若未锁住或有异常情况,则系统自动进行卸压,从而保证压力锅的安全。

(7)关机处理:关机信号主要来自于键盘、故障及报警检测、定时时间到、其他外部中断及完成炊煮过程进入保温状态等。检测到关机信号即关闭所有控制。

三、控制系统功能实现硬件设计

电压力锅控制系统硬件设计结构框图如图3-2,其硬件系统主要分为电源板和控制板,电源板提供单片机供电电源+5V,提供电磁阀、继电器驱动电路及电源+15V等,控制板主要由单片机控制信号的输入与输出,并对采集的信息进行分析计算根据相关规则给出控制策略。下面我们就主要的功能结构分模块介绍。

图 3-2 电压力锅控制系统硬件设计结构框图

3.1单片机及其周边电路

(1)CPU:CPU是控制系统的硬件核心,单片机的选取尤为重要,我们以功能合适、稳定可靠且经济实惠为原则,选择在家用电器应用中已有一定地位的Holtek系列单片机。智能电压力锅对温度的控制要求较高,硬件方面要求检测具有较高的精度,这就对单片机的A/D转换精度提出一定要求,我们选取经济型A/D转换HT46F49单片机,如图3-3为单片机工作最小系统图。该单片机包含集成的4通道9 bit A/D转换器,两通道8位的脉冲宽度调制输出,23个I/O口。同时包含极强的内部特性,如内置晶体和RC振荡驱动电路(可根据需要自行选择)、具有PFD功能、暂停、唤醒功能、看门狗定时器、低电压监测自动复位、可编程分频器等,这种低功耗高性能的特性增强了单片机的使用灵活度,在实际应用时只需添加较少的外部器件,即而降低了整个产品的成本。

图 3-3 单片机工作最小系统图

(2)A/D转换:A/D转换的质量在电压力锅检测系统中起着至关重要的作用,检测系统结构框图如图3-4。

图3-4中传感器将采集的信息进行A/D转换,单片机将转换结果进行分析处理,然后传给执行机构,可见A/D转换的结果直接影响着检测量的准确度。HT46F49芯片具有4个A/D转换器输入,所有的模拟输入与PB口的I/O引脚共用。如果这些引脚被用来作为A/D输入而不是一般的I/O引脚,则A/D转换控制寄存器ADCR中相应的位必须被正确的设定。掩膜选项内不包含A/D功能,如果这些引脚作为I/O引脚使用,仍可以通过掩膜选项选择是否要接上拉电阻,然而如果作为A/D输入使用,则这些引脚上的上拉电阻会自动失效。

图 3-4 检测系统结构框图

(3)PWM:PWM寄存器为8位,表示输出波形中每个调制周期的占空比,通过给相应的PWM寄存器设置特定的值,PWM功能可提供占空比可调而频率固定的波形,为了提高PWM调制频率,每一个调制周期被调制两个或四个独立的调制子区段、。当使用PWM时,只要将所需的值写入相应的PWM寄存器内,单片机的内部硬件会自动地将波形细分为子调制周期。将原始调制周期分成2个或4个子周期的方法,使产生更高的PWM频率成为可能,只要产生的PWM脉冲周期小于负载的时间常数,PWM输出就比较合适,这是因为长时间常数负载将会平均PWM输出的脉冲。

3.2电源分配、加热盘功率驱动电路

图3-7中在进入安规电容CO及压敏电阻RZ之前串入保险丝防止电流过大烧坏电路,U、Q点因加入稳压管稳定在+15V,供给继电器电源,CD7805输入+5V电压供给单片机电源。

图 3-7 电源分配及加热盘控制电路

加热盘功率驱动的方式主要有两种,分别为继电器控制和晶闸管控制,采用晶闸管式驱动的优点是响应快且平滑,适宜频率高的系统,缺点是检测及连接不方便、不安全且电路复杂,虽然对系统工作无影响,但是在维修或用户私自拆卸时,极易造成危险,为了保证安全及从设计方便和成本方面考虑,我们选用继电器驱动方式,虽然其采用开关式控制,温度的平滑性相对不如晶闸管移相控制好,但安全。继电器的驱动电路由晶体管、电阻和继电器组成,PD1/PWM1输出PWM波形通过三极管控制继电器的开断。

3.3电磁阀控制电路

电磁阀处于锅顶部,所用的型号是D型框架式推拉式电磁铁。工作原理:得电时,电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起,推动阀门;失电时,电磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门回到原来位置,我们将该原理应用到设计中,电磁阀得电时,阀门前的触头向外推动排气阀,阀开,锅内气体向外排出,失电时,阀门触头回到原状态,排气阀关闭,锅内气体无法向外排出,实现了用电磁阀控制排气阀的开关,控制电路图如3-8所示,通过两个三极管的通断来控制电磁阀。具体的软件设置只需要设置pa5端口为输出,_pa5c=0;_pa5=1;得电阀开,延时一段时间后设置_pa5=0,失电阀关。

3.4温度检测电路设计

对于温度的测量技术,一般分为两种:接触式测温和非接触式测温。本系统由于测温物体的特殊性,采用非接触式测温,优点是对测温场无影响,可以测量区域的温度,缺点是测量存在很大误差,结构复杂,需要经过多次试验减小误差。NTC是负温度系数热敏电阻的缩写,是一种以过渡金属氧化物为主要原材料,采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件,这种元件的电阻值随温度的升高而降低,利用这一特性可制成测温,温度补偿和控温元件。

总结

本文分析了电压力锅的结构及工作原理,在原有电压力锅基础上进行改造,设计出安全且实用的功能模式,介绍了CPU的特性及相关硬件电路设计,包括电源模块、温度检测模块、电压检测模块、电磁阀、继电器驱动模块,掉电储存、按键显示报警模块等。

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