电饭煲单片机智能控制系统Word文档下载推荐.docx

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电饭煲是一种典型的模糊对象，其特性随着其装载物的量和种类的不同而大大不同，而煮饭功能则是电饭煲的主要功能，同时也是衡量电饭煲控制系统优劣的关键功能，因此，本文在控制系统的软件设计方面重点研究了电饭煲的煮饭功能。

准确地判断出米量是电饭煲能够实现最佳控制效果的重要保障。

所以，本文着重讨论了在电饭煲煮饭过程中，如何利用模糊推理法进行米量的判断。

首先通过大量的前期实验和测试，在具体了解米量的大小给系统的状态带来的影响的基础上，选用合适的输入变量用“试错法”设计了一种二维的模糊推理机，并详细讨论了其推理过程。

本文实际设计和实现了一种模糊电饭煲控制器。

在系统硬件方面，讨论了模糊电饭煲控制系统的硬件结构。

在软件方面，研究了模糊电饭煲控制系统的软件控制流程并给出其流程图，同时重点介绍了根据推理结果设计的米量判断程序的流程。

最后，本文针对模糊电饭煲设计和开发过程中参数调整的复杂性问题，提出了一种基于模糊电饭煲参数调整的专家系统。

由于在参数调整的过程中同样是利用了煮饭专家的经验，而这些经验是有规律可循的，可以用思路清晰的程序语言表达。

关键词:

电饭煲;

模糊推理;

试错法;

专家系统

ABSTRACT

Withthelivingqualityimproved,themicro-computercontrolledelectricalcookersaregettingmoreandmorepopular.Forpracticaluses,thedesignandapplicationofaelectricalcookercontrolsystembasedonfuzzycontroltechnologyisstudied,whichaimsatamoreeffectivecontrolstrategy.

Thispaperismainlyaboutthedesignofakindoftypicalfuzzyobject一electricalcooker,whosecharacteristicsnotonlyvarieswiththequantityofstuffinitbutalsovarieswithwhatkindofstuffitis.

Astheresulttoestimatetheamountofriceinroundiscrucialforcontrolstrategy.Thispaperdiscusseshowtojudgetheamountofriceinthecookeriftheelectricalcookeriscookingrice.Thedifferencesgeneratedbytheamountofricearefoundoutbylotsoftests.Twoappropriatevariablesareselectedastheinputofthefuzzyreasoningmachinetojudgetheamountofriceandthemethod"

tryanderror"

isapplied.Detailsoftheproceduresofreasoningaredisplayed.

Thecontrollerofthesystemofthefuzzycontrolledelectricalcookerissetup.Boththehardwareandthesoftwarearedescribedinthepaper.Themainstructureofthehardwareisdescribedindetailandforeachparts,asortofpopularcircuitmoduleisshown.Themainsoftwareflowchartisshowtoanalysishowthecookerworks.What'

smore,procedureofgettingthequantityofricebyreasoningiscontrivedandthemainflowchartisshown.

Withallofthesedone,thedesignofakingoffuzzycookerisstillsocomplicatedandhard,soanESisbroughtforwardinthelastchaptertousecomputersinsteadofengineerstodothe"

thing.TheESisestablishedontheexperienceoftheskilledelectricalcookerengineers,whichiscomplicatedbutwell-regulatedandcouldbewritenintoprograms.

Keywords:

electricalcooker;

fuzzycontrol;

tryanderror;

expertsystem

第1章绪论

1.1研究的目的和意义

在科学技术进步、日新月异的今天，节能、高效、环保的观念逐渐深入人心，人们对家电智能化的要求也越来越高。

本文研究的一种模糊控制的微电脑电饭煲正是智能化家电的典型代表。

基于模糊控制的电饭煲能够判断出米量的大小，并对不同的米量选择不同的加热方案，因此不但控制效果好，而且高效、节能。

微电脑控制的电饭煲还可以实现预约、记忆等功能，大大方便了人们的生活。

本文从实际工程出发，对模糊控制的微电脑电饭煲进行了深入的研究，主要讨论了一种准确判断米量的方法，真正实现了电饭煲的模糊控制。

这对电饭煲控制程序的研究将是很有意义的，将使之在高效、节能方面做得更好。

1.2国内外在模糊控制方面的研究及分析

1.2.1国外在模糊控制方面的研究现状

自从1965年美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论以来，将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展。

模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。

已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。

随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。

其实现方式也由最初在微型机（单片机）上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。

但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。

目前，最令模糊控制专家们感兴趣的是模糊逻辑同神经网络算法的结合。

神经网络在知识的获取方面表现卓越，它能够生成无须明确表现知识的规则和具有强大的自学习能力。

而模糊技术的优点在于可以用模糊性的自然语言表现知识，和可以用简单的max-min运算实现知识的推理，但在知识的获取方面十分脆弱。

模糊逻辑同神经网络算法互相结合，取长补短，可以通过学习自动地进行模糊规则的产生和修改，从而在智能控制方面产生强大的威力。

1.2.2国内发展状况分析

在我国，模糊控制技术的研究起步较晚，近年来，随着模糊家用电器的兴起，模糊控制在各个领域的应用获得了飞速的发展，同时培养了一大批进行模糊控制研究的优秀人才。

但总的来说，在我国，模糊控制的应用水平落后于模糊控制理论方面的研究。

这主要是因为研究者常常把模糊控制器的设计分成几个独立的部分来进行，如隶属度函数的确定，规则的获取，控制器的合成等。

这样做的好处是把问题简单化，便于初学者上手，快速进行问题的分析和解决。

但是这样做带来的问题是很难对设计好的系统进行理论分析和设计优化。

当然，在我国，也有一批学者走在了模糊控制理论研究的前列。

如，作为模糊论的创始人L.A.Zadeh的学生，香港科技大学的王立新教授，在模糊系统与模糊控制理论领域做出了很大贡献，给模糊系统与模糊控制理论带来了三个突破，具体是:

（1）证明了一类模糊系统是万能逼近器；

（2）发明了Wang-Mendel方法，实现从数据中获取模糊规则；

（3）提出了一种能够确保稳定的自适应模糊控制器的设计方法。

1.3国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望

在智能家电的研究方面，日本走在世界的前面。

资料统计表明，目前日本家用电器的单片机使用率在85%--94%之间，其中使用模糊控制的家电产品约占50%。

日本甚至在几乎所有的模糊控制应用领域都在世界上领先。

日本在九十年代初期就有模糊家电问世，而那时我国的模糊家电尚未起步。

现在，在家电控制器中应用模糊控制在我国受到普遍重视。

由于我国家电行业的飞速发展，模糊家电在我国大有可为。

目前看来，模糊家电的发展有三大发展动向:

（1）进一步扩大传感器的组合利用多个传感器的功能组合可以不断改进家电的控制技术，而对多个量采样后再进行综合判断正是模糊家电之所长。

（2）与AI（人工智能）和神经网络技术相结合如前所述，与AI（人工智能）和神经网络技术相结合将进一步提高模糊家电的智能化水平。

（3）模糊家电网络化随着网络经济的逐步发展，未来的家用电器必将改变目前这种单机运作的模式，而具有与Internet网通信的能力。

家用电器走网络化的道路，这也是当今家电产业发展的趋势之一。

1.4主要研究内容

本课题以单片机为主要手段，以电饭锅为控制对象，将模糊控制技术应用于电饭锅的开发方面，由于在电饭锅的模糊控制当中，许多前辈已经做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊电饭锅在市场上也是比比皆是。

本文在借鉴前人工作的基础上，研制出了一种模糊电饭煲控制系统，并重点研究了如下内容:

（1）在进行大量测试及实验之后，提出一种新的判断米量的方法，并取得良好的应用效果;

（2）研究了电饭煲硬件控制系统，重点研究了低成本化设计方法;

（3）根据新的米量判断方法，设计了相应的软件控制程序；

（4）提出一种基于模糊电饭锅参数整定的专家系统，以提高电饭锅设计开发的效率。

第2章电饭煲的模糊控制的设计

2.1引言

电饭锅作为一个模糊控制对象，其特性的影响因素是多方面的，如结构、材料、发热盘的形状、甚至是顶盖出气孔的大小对其吸热散热特性都有影响。

当然，在电饭锅煮饭的过程中，米量的大小对其吸热散热特性的影响是最大的。

米量的大小甚至影响到烹调的工艺过程。

换句话说，电饭锅必须对不同的米量采取相应的不同的控制方案和工艺过程，才能达到期望中的效果。

所以，在其它因素（如结构、材料、发热盘的形状、顶盖出气孔的大小等）一定的情况下，对米量进行模糊判断是决定控制效果好坏的关键.为了选取合适的输入量进行米量的判断，首先必须了解模糊电饭锅的煮饭工艺曲线.

2.2模糊电饭煲的工作过程

从煮饭专家的角度来看，米饭的成熟需要经过如下八个阶段:

稳定、吸水、集中加热、落水、沸腾、间歇加热、炯饭和保温。

在上述八个阶段中电饭锅底部温度曲线的变化过程如图2-1所示。

图2-1电饭煲底部温度曲线图

Fig.2-1Thetemperaturecurveofcooker

大量的实验研究表明，电饭煲中的米水混合物在经过下面的几个阶段后将能够最终成为无论硬度和戮度都令人满意的米饭。

以下对各阶段进行简要介绍。

（1）稳定阶段这一阶段的目的是对开始煮饭时电饭锅的初始状态进行判定。

开始煮饭时水和锅的状态并不一定是一致的，有可能是热锅冷水，或是热水冷锅。

这一阶段就是采用记时等待的办法，等待大约3,4分钟的时间，使锅和水的状态达到一致，以便对初始的煮饭状态做出准确的判断。

在稳定阶段结束的时候读出底部温度、顶部温度的值，值的高低，将对以后的过程产生不同的影响。

（2）吸水阶段大米在正常状态的含水量较低，吸水阶段的工作目的就是使大米的含水量升高，以便在加热阶段能够使大米的加热趋于均匀，热量透到大米的芯部，提高米饭的质量。

这一阶段的水温应该低于55℃，否则会使大米中的淀粉a化，影响吸水的效果。

（3）集中加热阶段和落水阶段集中加热阶段是对锅进行全功率的加热，使锅底的温度迅速上升，但在米量较大的情况下，锅内上表面的水温远远低于锅底的温度.落水阶段就是停止加热使锅内上部的水和下部的水形成充分的对流，使锅内上下温度基本达到一致，所有的米都能均匀受热。

在这个阶段中，大米继续吸收水分，并且在较高的温度下开始了淀粉的a化。

（4）沸腾阶段沸腾阶段使电饭锅内的温度保持在100℃的水平。

这个过程使大米做深度吸水，并且在较高的温度下促使大米中的淀粉a化。

大米充分吸水后，锅内的水进一步减少，锅底渐渐趋于干燥，当锅底的水分减少到一定程度，锅底温度就会迅速上升，这时沸腾过程结束。

（5）间歇加热和炯饭阶段炯饭阶段的目的就是使热量透到米饭的芯部，使之充分受热而内外质量趋于一致。

也就是使米芯的淀粉a化。

炯饭阶段还使大米外部的水分一部分深透入米芯，促使内部的成熟变化，另一部分蒸发掉。

这样就使得整粒米饭内外一样。

间歇加热的目的就是使锅内的温度达到炯饭的温度，当达到一定的温度时，停止加热或小功率加热，由饭锅利用余热对米饭进行热炯，炯饭结束后，米饭将完全成熟，无论硬度或薪度都令人满意。

（6）保温阶段保温阶段的目的是在人们尚未准备食用的情况下，将电饭锅中的米饭保持在72℃的水平。

实验研究表明，这样的一条曲线作为温度控制的标准可以煮出质量优良的米饭。

而这样一条曲线是机械式电饭锅不可能实现的，在电饭锅煮饭过程中实现这样一条曲线本身就是借鉴了煮饭专家的经验，模仿了人的行为，这本身就是智能化的，模糊化的。

2.3模糊控制的基本思想

模糊控制是一种计算机数字控制，所以其控制系统框架同一般的数字控制系统一样，只不过它的控制器是模糊控制器。

模糊控制器的控制规律由程序实现，在实现的过程中要经过以下三个步骤:

输入量的模糊化、模糊推理和输出量的解模糊。

在模糊控制过程中，将测到的过程精确量转化为模糊量，再经过根据经验总结成的若干模糊规则和必要的模糊处理后，模糊判断系统根据输入的模糊信息按照控制规则和推理法则，做出模糊决策，然后输出解模糊后的控制量并作用于执行系统，完成控制动作，且这种动作是以精确量表现出来的。

（1）模糊化

模糊化是将模糊控制器输入量的确切值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值均由对应的隶属度来定义。

在实际应用中，常常选择三角形作为语言变量的隶属度曲线。

在模糊化的过程中，一般利用最大隶属度原则，即在语言集中选择该元素对应的隶属度最大的语言变量，作为该项确切值的模糊子集。

（2）模糊推理

模糊推理包括三个组成部分:

大前提、小前提和结论。

大前提是多个模糊条件语句，构成规则库;

小前提是一个模糊判断句，又称事实。

模糊推理就是以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程。

（3）解模糊

解模糊是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程。

它的目标是产生确切的控制动作，应该能够最好的反映出推理出的模糊控制动作分配的可能性。

常用的方法有最大隶属度法、加权平均法和重心法。

目前，实用模糊逻辑控制常用的方法有查表法和软件模糊推理等。

查表法是将输入的隶属度函数、模糊控制规则和输出隶属度函数都用表格来表示，从输入量的模糊化、模糊推理和模糊判决都通过查表来实现。

软件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判决三个过程都用软件来实现。

对于本文研究的米量和加热功率模糊推理机来说，其推理过程是开环的，模糊推理机只包含输入量的模糊化、利用规则的模糊推理及输出量的解模糊，隶属度函数、模糊控制规则可以用表格来表示，模糊推理机的最终输出量为具体米量的值和加热功率的值。

2.3.1炊饭量的模糊推理

因为影响炊饭量检测的因素众多，所以不能采用称重传感器或其它直接测量的方法，而只能用温度传感器测出饭温信号，利用模糊推理，组成测定饭量的软传感器，最后通过模糊决策来判断米量的值。

其结构框图如图2.5所示。

图2-2饭量测量软传感器框图

通过实验和分析，发现几种有代表性的电饭煲均在预热段进行米量推理过程。

但是，若在预热段对米量进行推理，会受到初始水温和环境温度的严重影响，而难以得到准确的判断。

实验表明，当米水经过吸水阶段之后，锅内温度处于60℃左右，在此基础上再进行加热和推理，能排除初始水温不一致的影响，因此，控制器采用在加热阶段来进行米量的推理是更为可行的选择方案。

图2.3是在室温20℃下，采用DUT4000温度采集模块测量的电饭煲样品用标准煮饭模式炊煮3杯和10杯大米的温度曲线图，其中3杯、10杯表示米量的大小（每杯大米O.15Kg），a是3杯米底部温度曲线，b是10杯米底部温度曲线，c是3杯米顶部温度曲线，d是10杯米顶部温度曲线。

由图2.3可见，不同米量下的底部温度从60℃上升到100℃的时间差别并不是很大；

从底部温度60℃加热到顶部温度60℃在不同米量下的时间差别却很显著，当米量少（3杯）时，底部加热产生的热量很容易从底部渗透到液面的顶部，产生对流，底部温度到达100℃时顶部温度为40℃；

反之，当米量很大（10杯）时，热量很难从底部渗透到液面的顶部，底部温度到达100℃时顶部温度仅为30℃，从图2.3中还可以发现，当顶部温度在40℃到80℃之间的线性度比较好，而这个阶段对应着加热阶段的主上升期，所以，在加热阶段的主上升期来进行米量判断原则上比较合适。

图2.3实验用样品3、10杯大米温度曲线图

但通过研究发现，最终发现利用试错法对米量进行二维模糊控制来判断更为准确。

2.3.2二维模糊推理机的设计

模糊控制器的设计方法可以分为两类:

试错法（trial-and-errorapproach）和理论法（theoreticalapproach）。

在试错法中，首要任务是建立一个模糊IF-THEN规则集合，规则可以通过总结经验知识而得到，也可以通过精心组织的问卷向领域内专家请教而得到;

然后，基于这些模糊IF-THEN规则建立模糊控制器;

最后，在实际系统中检验模糊控制器，如果性能指标不满意，则对上述规则进行细微调整或通过反复用试错法进行再设计，直至效果达到指标要求为止。

用理论法进行设计，模糊控制器的结构和参数是以保证某一性能标准（如，稳定性）为设计原则的，显然，一种适合本文所述的模糊推理机的设计方法为试错法。

其设计方法可以概括为以下三步:

（1）分析实际系统并选择状态变量和控制变量。

状态变量应能描述系统关键特性，控制变量应该能够影响系统的状态。

状态变量是模糊系统的输入，控制变量是模糊系统的输出。

本质上说，这一步骤界定了模糊控制器的应用范围。

（2）推演连接状态变量与控制变量的模糊规则。

本文所使用的IF-THEN规则是自我总结归纳的经验并以语言表达出来。

（3）将推演出的模糊IF-THEN规则组合成模糊系统，并检验此模糊系统作为控制器的闭环系统。

机试运行带有模糊控制器的闭环系统，如果不满意其性能指标，则对其进行微调或再设计，并重复此过程，直至效果满意为止。

下面将对本文使用的，以试错法设计的米量模糊推理机的具体设计过程进行详细介绍。

2.3.3输入变量的选取

从理论上来说，模糊控制器的维数越高，控制越精细。

但是维数过高，模糊控制的规则将变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。

这也是人们普遍采用二维模糊控制器的原因。

本文采用的同样为二维的模糊控制器，这也是出于对控制效果及计算量的综合考虑.输出量是米量的大小，输入量是底部温度达到100℃时的顶部温度的值Tbot100和底部从50℃上升到100℃的时间长度t100.之所以选取Tbot100和t100作为米量的判断量，是因为米量的差异对这两个量的影响最大。

米量越大，t100越大而Tbot100越小。

在实际测试过程中发现Tbot100的变化相对更为显著。

图2-4为经过处理后的测试数据。

图2-4相同电压不同米量下顶、底温度图

图2-4中纵坐标为温度（单位为℃），横坐标为时间（单位为分钟）。

10cup,5cup,2cup表示米量的大小，分别表示十杯、五杯、二杯。

由图可见，不同米量下的温度从50℃上升到100℃的时间差别并不是很大;

反倒是底部温度到达95℃时的顶部温度在不同米量下差别更为显著。

当米量少时，底部加热产生的热量很容易从底部渗透到液面的顶部，米量为2杯米时，底部温度到达95℃时的顶部温度可高达80℃;

反之，当米量很大时，热量很难从底部渗透到液面的顶部，底部温度到达95℃时，顶部温度甚至可能维持初始水温不变.可以单纯地选取了集中加热时间t100作为米量的判断量，但由于当底部加热丝功率很高时，不同的米量带来的温度从50℃上升到100℃的时间的差别会比较小，从而导致判断不准确;

也可以单纯地选取Tbot100作为判断量，选择顶部温度作为判断量有其明显的优点，那就是分档值拉得很开（即其隶属度曲线可以相对很尖），在正常情况下判断准确，但顶盖温度容易受到初始水温的影响，同样导致判断不准确。

因此，本文综合了集中加热时间t100和顶温Tbot100为判断依据，进行米量的推理。

如前所述，在米量的推理过程中使用了二维模糊推理机，模糊推理机的结构示意图如图2-5所示。

图2-5模糊推理机的结构示意图

Fig.2-5Theconfigurationofthefuzzyinferenceengine

其中，INPUT1为顶温Tbot100,INPUT2为集中加热时间t100。

本文所述的米量推理机是严格按照模糊控制器的试错法来设计的。

下面将讲述其具体推理过程。

输入量和输出量的模糊语言描述顶部温度值Tbot100的大小分为六

档，语言描述为很高、较高、偏高、偏低、较低、很低，其对应的模糊子集为

{PB，PS,PO,NO,NS,NB}

量化为七个等级，则有

Tbot100={-3，-2，-1,0,1,2,3}

其对应的隶属度曲线选用三角形和Z形函数，主要是为了计算简单。

其语言变量的隶属度曲线图如图2-6。

图2-6Tbot100隶属度函数

选用这种形状的隶属度函数还是为了同MATLAH中的隶属度函数配合，后面将会提到，鉴于具体计算过程的复杂性，本文所述的模糊推理过程实际上是在MATLAB的FUZZYLOGIC工具箱下完成的。

因此，所选用的隶属度函数曲线实际上是MATLAB提供的曲线。

由图可得如表2-1