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智能电饭煲的设计学士学位论文
摘要
单片机技术将计算机控制与电子技术应用有机地结合为一个整体的应用领域。
近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、远程通信监控、智能楼宇自动化、家电等得到广泛应用和迅速发展。
单片机的应用深度和广度已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。
有专家预言：
后PC时代计算机应用的最重要领域是以单片机技术发展的“嵌入式系统”。
嵌入式家电不仅节约了厨房空间，又可以使得各种家电之间的组合排列更为合理、实用，实现厨房空间的最大可利用率及人们操作的便利性，符合现在人们对于生活高端、大气、上档次的生活要求。
嵌入式系统在电饭煲的应用使得电饭煲更加方便，给人们的生活带来极大的便利。
本论文主要研究51单片机控制下的电饭煲，用来实现电饭煲的智能化操作。
本次设计主要应用电子电路设计与制作电路板技术，以及功能来实现的单片机操作指令系统，最终实现单片机控制下的电饭煲蒸煮过程。
关键词：
电饭煲PCB设计；智能电饭煲；51单片机
Abstract
Single-chipmicrocomputertechnologytoapplycomputercontrolandelectronictechnologyapplicationfieldoforganicallycombinedasawhole.Inrecentyearsinindustrialintelligentinstrumentation,opticalequipment,automaticdetection,informationprocessing,remotecommunicationmonitoring,intelligentbuildingautomation,householdappliances,etcwidelyapplicationandrapiddevelopment.MCUapplicationbreadthanddepthhasbecomeameasureofanimportantsymbolofacountry'sindustrialdevelopment.Expertspredicted:
computerapplicationfieldofthemostimportantafterthePCerabasedonsinglechipmicrocomputertechnologytodevelop"embeddedsystem".
Electricricecooker,thisdissertationmainlystudies51underthecontrolofmicrocontroller,intelligentoperationusedtorealizeelectricricecooker.Thedesignofthemainapplicationofelectroniccircuitdesignandcircuitboardproductiontechnology,SCMoperationinstructionsystemandfunctiontoachieve,finallyrealizestheelectricricecookercookingprocessunderthecontrolofsinglechipmicrocomputer.
Embeddedappliancesnotonlysavethekitchenspace,andcanmakeallkindsofelectricalappliancesbetweenarrangementmorereasonableandpractical,andrealizethekitchenspaceofmaximumutilizationandthepeopletheconvenienceofoperation,forpeoplenowlivingtheliferequirementofhigh-end,atmosphereandgrade.Theapplicationofembeddedsysteminricecookermakesiteasiertoricecookerbringsgreatconveniencetopeople'slife.
Keywords:
51singlechipcomputer;cookerPCBdesignof;intelligentelectricricecooker
第1章绪论
1.1选题背景
随着电饭煲技术的发展，电饭煲的控制技术也经历了几个重要的阶段，首先是机械式控制，然后是电子式控制，再是微电脑控制，再是目前将要成为主流的电磁电饭煲和微压力电饭煲。
早在20世纪早期，电子智能控制技术就已经发展起来了，并最先被应用于工业生产中，其后随着控制理论、微电子技术和传感技术的发展，在操作复杂度、可控对象、稳定性、经济性等方面均得到了完善，目前电子智能控制技术在家用电器、汽车电子、智能电源保护、电力自动化和电动工具等领域得到很广泛应用，以促进产品智能化和信息化程度的提高。
今天，我们正经历着一个电脑技术迅速发展的时代，电脑芯片、网络技术已经开始成熟和普及，成本大幅的下降，这就为我们提供了一个绝好的平台和环境，我们应该有理由也有信心将包括电饭煲在内的所有智能家电控制技术作一次大的提升。
随着人们生活水平的提高，对电饭煲的要求也越来越高。
日后，煮出来的米饭的可口程度、营养以及是否多功能、是否节能这些因素将成为判断一个电饭煲好坏的标准。
1.2研究现状
目前，市场上的大部分采用机械式或者是采用固定功率的方式加热，能源利用率低，功能单一，难以满足人们日益增长的生活需求。
电饭煲从机械式原理到现在的智能电饭煲，期间经历了许多的阶段。
电饭煲发挥高新技术优势，以美味炊煮为主导，使产品更加丰富与时尚化，现已形成微电脑、电脑与机械三大类型、十大不同款式。
机械电饭煲虽然价格方面体现它的优势之外，其他方面就很难满足人们对现代生活高品质的需求。
微电脑或电脑控制的智能电饭煲符合现代人的要求，人性化的界面设计，使得人们一眼看出当前工作状态，让您更安心，各种烹调过程全部由电脑自动控制，这些特点符合现代人的省时、省力、耐用的观念。
1.3研究的目的及意义
早在20世纪早期，电子智能控制技术就已经发展起来了，并最先被应用于工业生产中，其后随着控制理论、微电子技术和传感技术的发展，在操作复杂度、可控对象、稳定性、经济性等方面均得到了完善，目前电子智能控制技术在家用电器、汽车电子、智能电源保护、电力自动化和电动工具等领域得到很广泛应用，以促进产品智能化和信息化程度的提高。
微电脑电饭煲不仅功能多、功耗低、保温性能好等特点，而且价格适中，是人们的理想选择。
一种产品是否能够生存，不仅看它能否给厂家带来利润，更重要的是看它有没有市场。
而今，智能电饭煲不仅在市场将占据主导地位，而且前景一片光明，因此我们选择智能电饭煲的开发
电饭煲是一种把电能转化成热能的新型多功能烹饪器具。
在科技发展日新月异的今天,电饭煲也同其它家用电器一样经历了从简单到复杂,从手动到半自动、全自动以及到现在的智能化产品的过程。
但因为价格较高,所以它不能为普通家庭所接受。
做出一种价格低廉、体积又小的人性化的电饭煲是市场所需求。
因此，开发功能齐全，安全可靠的微电脑智能电饭煲是非常用必要的。
第2章硬件电路设计
本章详细介绍了智能电饭煲的硬件设计，每个模块的电路都给出了详细的解释和分析，同时有的电路给出了方案的论证与选择。
在章节最后给出了整个智能电饭煲的电路图和PCB图。
2.1系统原理及框图
智能电饭煲能实现快煮，慢煮，预约定时，温度采集以及人机交互的显示多种功能。
每个功能可以分为一个模块，各个模块在单片机的控制下有序的工作。
图2-1为整个系统的框图。
图2-1系统的整体框图
系统的工作原理：
不同的按键对应不同的功能，有按键按下时对应不同的功能做出响应。
快煮，慢煮是根据功率不同实现的，当按下快煮按键时，单片机检测到按键的按下，对应的IO口控制相应的负载，负载的电流不同，输出的功率也就不同，从而实现快煮，慢煮的功能。
显示电路用液晶1602显示，用来显示电饭煲的温度，现在的时间，实现人机之间的交互。
电饭煲控制器的工作状态煮饭、焖饭、保温等最关键的控制因素就是温度，所以要求温度采集是实时的。
温度采集部分用温度传感器DS18B20对电饭煲当前温度进行采集。
采集之后的温度经相应的处理，根据得到的温度，单片机采取什么样的控制形式，从而实现不同的功能。
保温功能的实现就是通过温度的采集实现的，当温度低于特定温度，单片机做出相应去控制负载，从而使温度保持在特定的范围。
预约定时采用DS1302实现预约定时的功能。
负载控制采用继电器组成的相应电路进行控制，单片机IO口的输出控制继电器，继电器对负载电路进行控制，从而实现对负载的控制。
功能指示电路用发光二极管分别指示快煮、慢煮、定时时间功能。
2.2时钟电路设计
计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。
这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。
单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作，所以时钟电路对于单片机必不可少。
2.2.1外部时钟方式
此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。
HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同，HMOS型单片机（例如8051）外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1应接地。
由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上接电阻。
对于CHMOS型的单片机（例如80C51），因内部时钟发生器的信号取自反相器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方式为外时钟信号接到XTAL1而XTAL2悬空。
如下图2-2
图2-2外部时钟方式
2.2.2内部时钟方式
用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1（18脚）和XTAL2（19脚）两端接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一般选择为30PF左右；这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。
为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。
时钟、复位电路如图2-3所示，采用的是系统振荡为外部RC振荡方式，单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和TXAL2分别是次放大器的输入端和输出端，把这两个引脚与作为反馈元件的晶体谐振器连接。
一般采用12MHz的石英晶体和22PF的电容作为系统时钟，以减少寄生电容，更好保证振荡器的稳定性。
由于内部时钟的电路简单，不需要认为的加入时钟信号，所以一般采用内部时钟的工作方式。
我也采用内部时钟的工作方式，实现单片机的时钟电路设计。
图2-3内部时钟工作方式
2.3复位电路设计
复位是单片机的初始化操作。
单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
因而，复位是一个很重要的操作方式。
但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。
系统要能长时间可靠工作就离不开复位电路。
2.3.1上电复位电路
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
常用的上电复位电路如下图2-4所示。
图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。
上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图2-4图所示。
图2-4上电复位电路
2.3.2按键复位电路
按键复位的工作原理是在复位输入端RST处人为加入高电平。
为达到这一目的，一般情况下，我们在RST端与电源VCC之间加一个按钮，如下图所示。
当我们按下按钮时，RST端与VCC端之间接通，使RST端升为高电平，完成复位功能。
复位电路可在单片机运行出错或进入死机循环时，通过复位使系统重新运行。
对于51单片机而言，只要REST端保持二个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平即可硬件复位。
考虑到从电源接通到电源电压稳定需要一定的时间，故图2-5所示RC复位时间一般均应大于10ms，典型取值为R=1K、C=22uF。
由于按键复位电路包括上电复位电路，能实现随时复位。
所以在方案中选择按键复位电路方式。
图2-5按键复位电路
2.4显示电路设计
在智能电饭煲中，显示装置是一个重要组成部分，主要用来显示煮饭过程的状况与运行情况，以便于使用者方便的操作，是人机信息交换的主要窗口。
常用的显示器件有发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD等其他显示设备。
2.4.1数码管和液晶
LED数码管--由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。
在小型控制装置和数字化仪器仪表中，往往只要几个简单的数字显示或字符状态便可满足人机界面的需求，而显示数码的LED因其成本低廉、配置灵活，与计算机接口方便等特点在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用。
LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED常用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字符，所以也称为LED数码管，其外形如图2-6所示。
8段LED在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。
图2-6LED数码管
8段LED显示器的结构与工作原理如图2-7所示
图2-78段LED数码管结构原理
一个8段LED显示器的结构与工作原理如图2-7所示。
它是由8个发光二极管组成，各段依次记为a、b、c、d、e、f、g、dp，其中dp表示小数点（不带小数点的称为7段LED）。
8段LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，分别如图2-7（b）、（c）所示。
共阴极LED的所有发光管的阴极并接成公共端COM，而共阳极LED的所有发光管的阳极并接成公共端COM。
当共阴极LED的COM端接地，则某个发光二极管的阳极加上高电平时，则该管有电流流过因而点亮发光；当共阳极LED的COM端接高电平，则某个发光管的阴极加上低电平时，则该管有电流流过因而点亮发光。
LCD（液晶显示器LiquidCrystalDisplay的英文缩写）是借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。
液晶是一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相，在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性和光学特性。
液晶显示模块1602主要由行/列驱动器及16×02全点阵液晶显示器组成。
内部含有的ASCII字符集。
它与单片机的接口连线采用并行方式。
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2-1所示
表2-11602液晶接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
数据口
3
VO
对比度调节端
11
D4
数据口
4
RS
数据命令选择端
12
D5
数据口
5
R/W
读写选择端
13
D6
数据口
6
E
使能端
14
D7
数据口
7
D0
数据口
15
BLA
背光电源正极
8
D1
数据口
16
BLK
背光电源负极
由于1602LCD共占用单片机11个口线，相对于数码管，占用口线少，电路简单，无需外围驱动电路，占用PCB面积也较少，操作简单，此显示电路采用液晶方式显示，液晶模块选用1602液晶。
2.4.2显示电路具体连接
图2-8为液晶与单片机连接电路，其中P1为8*10k欧姆的排阻作为P0口的上拉电阻，液晶的4、5、6脚与单片机相连作为控制信号，7－14脚与单片机P0口相连作为数据信号传送。
前三个引脚分别为电源地、电源正极和液晶显示偏压。
RS和R/W为数据／命令选择和读／写选择，引脚15和16分别是背光源正、负极。
单片机P0口用于对LCD的数据传输，P2.5～P2.7都是作为控制端对LCD输入读／写数据信号，选择数据寄存器或指令寄存器，以及是否进行显示。
单片机采集温度信息，显示在1602液晶上，同时现在的时间也显示在液晶上。
单片机通过控制液晶的相应接口，对液晶实现操作，从而实现显示电路的设计。
图2-8液晶显示电路
2.5键盘接口电路设计
在智能电饭煲系统中，除了液晶显示进行信息传递的输出设备以外，还要有与操作人员进行信息交换的常规输入设备。
键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。
按键采用独立式按键接口，分为5个按键，分别对应快煮、慢煮、预约定时、时间加、时间减的功能。
独立式键盘是直接用IO口构成的单个按键电路，如图2-9所示，每根IO口线上按键的工作状态小会影响其他IO口的工作状态，该电路属于查询方式电路，当按键没有按下时，单片机IO口默认输出其为高电平；当某按键按下后，对应IO口变低电平，IO输出灌电流在5mA左右
图2-9按键电路
2.5.1按键的抖动
通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。
因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，按键的时序如下图2-10所示，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms～20ms。
图2-10按键开关的抖动特性
2.5.2按键消抖
按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被单片机误读几次。
为了使单片机能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动，去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。
1．硬件方法
硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。
图2-11是由R2和C组成的滤波延时消抖电路，设置在按键S与CPU数据线Di之间。
按键S未按下时，电容两端电压为0，即与非门输入Vi为0，输出Vo为1。
当S按下时，由于C两端电压不能突变，充电电压Vi在充电时间内未达到与非门的开启电压，门的输出Vo将不会改变，直到充电电压Vi大于门的开启电压时，与非门的输出Vo才变为0。
这段充电延迟时间取决于R1、R2和C值的大小，电路设计时只要使之大于或等于100ms即可避开按键抖动的影响。
同理，按键S断开时，即使出现抖动，由于C的放电延迟过程，也会消除按键抖动的影响。
图中，V1是未施加滤波电路含有前沿抖动、后沿抖动的波形，V2是施加滤波电路后消除抖动的波形。
图2-11滤波延时消抖电路
2．软件方法
软件方法是指编制一段时间大于10ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。
同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。
由于软件方法去抖的方法容易实现，同时节约了硬件资源，是硬件电路体积减小，器件减少，可靠性提高，本课题采用软件消抖的方式。
2.6温度采集电路设计
美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持"单总线"接口的温度传感器。
全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。
一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
现在，新一代的DS18B20体积更小、更经济、更灵活。
本课题利用温度传感器DSl8B20来检测温度的变化从而使单片机进行控制，实现多种功能。
2.6.1DS18B20的控制方式
在具体硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDDGND接地，I/O接单片机I/O。
无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线接一个4.7KΩ左右的上拉电阻即可。
DS18B20有六条控制命令，如下表2-2所示。
表2-2DS18B20控制命令
指令
约定码
操作说明
温度转换
44H
启动DS18B20进行温度转换
读暂存器
BEH
读暂存器9个字节内容
写暂存器
4EH
将数据写入暂存器的TH、TL字节
复制暂存器
48H
把暂存器的TH、TL字节写到E2PROM中
重新调E2PROM
B8H
把E2PROM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节
读电源供电方式
B4H
启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU
CPU对DS18B20的访问流程是：
先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。
DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信协议。
如CPU控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
引脚排序如图2-12所示，引脚说明如表2-3
图2-12DS18B20引脚图
表2-3DS18B20引脚说明
序号
引脚名称
引脚功能描述
1
GND
电源地
2
IO
数据输入/输出引脚
3
VDD
电源端
2.6.2DS18B20具体连接
温度传感器DSl8B20采用数据线供电方式，其工作电压范围在3～5.5V，温度测量范围在-55℃～125℃精度为±2℃，在-10℃～85℃范围内，其精度为±05℃，可编程为9～12位A/D转换精度。
测温分辨率可达0．0625摄氏度，如图2-13所示，为了保证DSl8B20温度变换的精确性，当温度转换时，数据线必须提供足够功率，此时必须提供一个强上拉。
该电路通常要求外接一个4.7K的上拉电阻至电源。
图2-13DS18B20与单片机连接
2.7预约定时电路设计
智能电饭煲实现预约定时的功能，定时的功能实现方法有很多种，本文采用DS1302实现预约定时的功能。
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
并且具有具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。
2.7.1DS1302接口分析
DS1302的引脚排列,其中Vcc2为主电源，VCC1为后备电源。
在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc2大于Vcc
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