基于51单片机的智能电饭锅控制器设计论文.docx
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基于51单片机的智能电饭锅控制器设计论文
摘要
本课题以AT89C51单片机为核心器件，设计了智能电饭煲控制系统，并在PROTEUS环境中对设计进行了仿真验证。
首先，对电饭煲的发展状况进行了阐述，分析了电饭煲的发展趋势，以及智能电饭煲的发展优势。
在此基础上，对智能电饭煲控制系统整体设计方案进行了论证，并确定了本课题智能电饭煲控制系统整体设计方案。
其次，从实用性、智能化、节约成本、环保节能等角度出发，对智能电饭煲控制系统的硬件、软件进行了详细设计。
按照实现功能对硬件、软件进行了功能划分，并对各部分的原理、实现方法进行了详细说明。
最后，在PROTEUS仿真环境中对该设计进行了仿真验证。
仿真结果表明，基于单片机的智能电饭煲控制系统整体设计方案的可行性，软件和硬件设计的正确性，整体效果较为满意。
关键词：
智能控制，电饭煲，单片机，Proteus
Abstract
AT89C51MCUwaschosenasthecore,componenttocompletetheintelligentelectriccookercontrolsystemdesign,andvalidatedviasimulationinthePROTEUSenvironmentis.
Firstly,thecurrentsituationofthedevelopmentofelectricricecookerisaddressed,andelectricricecookerdevelopmenttrend,andthedevelopmentadvantageofintelligentelectriccookerareanalyzed.Onthisbasis,theintelligentelectriccookercontrolsystemoveralldesignschemeisdiscussed,andconfirmedthistopicintelligentelectriccookercontrolsystemoveralldesignschemeconfirmed.
Secondly,inviewofpractice,intelligence,costsaving,environmentalprotectionandenergyconservation,thedetaileddesignoftheintelligentelectriccookercontrolsystemhardwareandsoftwareweregiven.Accordingtothefunctions,hardwareandsoftwareofthesystemwasdivided,andprinciple,realizationmethodwasdescribedindetail.
Finally,inthePROTEUSsimulationenvironmentthedesignwasverifiedbysimulation.Thesimulationresultsshowthattheintelligentcontrolschemebasedonsinglechipmicrocomputerfortheelectriccookerisfeasible,softwareandhardwaredesigniscorrect,andtheoverallperformanceissatisfactory.
Keywords:
Intelligentcontrol;Electriccooker;Singlechipmicrocomputer;Proteus
3.1.1AT89C51单片机的引脚及其排列4
3.2.2电源电路设计11
3.3按键输入电路11
3.3.1按键分类11
3.4温度传感器电路13
3.4.1DS18B20简介13
3.4.2DS18B20的使用方法14
3.4.3温度传感器电路设计16
3.5LED状态指示电路16
3.5.1LED简介16
3.5.2状态指示电路设计17
3.6.1LCD-1602简介18
3.6.2LCD显示电路设计18
3.7电饭锅加热电路19
3.8本章小结20
第四章智能电饭煲控制系统软件设计21
4.1软件整体结构设计21
4.2子程序设计22
4.2.1系统工作模式控制流程22
4.2.2定时功能控制流程23
4.2.3加热功能控制流程25
4.3本章小结26
第五章智能电饭煲控制系统的仿真验证27
5.1本章小结30
结束语31
致谢32
参考文献33
附录34
附录1：
智能电饭煲控制系统电路原理图34
附录2：
智能电饭煲控制系统软件源程序清单35
第一章绪论
1.1背景及发展
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。
在今天，电饭煲已经成了家庭必备的电器之一。
电饭煲最初是机械式控制，这种控制方式具有结构简单、技术门槛低、价格便宜等优点，但同时也有功能单一、控制方式不灵活等不足之处。
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，在近年得到了迅速的发展。
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。
近年来，随着电子技术的发展，元器件的制造成本不断下降，电饭煲也迎来了智能化的春天。
智能电饭煲修改过去功能简单的煮饭模式，将煮食这一事件细分为煮饭、煲汤、煮粥等多种任务模式，此外还具有预约定时，自动保温等功能，提升了产品的人性化设计，使得煮食过程更加方便、快捷，满足了人们的需求。
1.2课题任务及意义
本课题是以AT89C51单片机为核心控制器件，对智能电饭煲控制系统进行了设计，并在PROTEUS环境中对设计进行了仿真验证。
本设计将电饭煲的煮食这一过程细分为煮饭、煲汤、保温等多种工作模式。
控制系统可对电饭煲的温度进行实时监测，并以此灵活调节火力大小，自动完成煮食过程。
控制系统支持对煮饭时间进行提前预约，定时时间到后自动进行煮饭，煮饭结束后自动转入保温模式。
此系统提高了电饭煲煮食自动化水平，提升了产品的人性化设计，使电饭煲具有“煮饭好吃、预约定时、多种功能”三大特点，满足了人们不断增长的物质文化需求。
第二章智能电饭煲控制系统整体设计方案
2.1智能电饭煲控制系统简介
该控制系统是以单片机为核心控制器件，结合按键、温度传感器等输入电路，以及加热、状态指示等输出电路，实现对电饭煲的智能控制。
该系统可使电饭煲工作在“保温”、“煲汤”、“煮饭”三种工作模式，每种工作模式下，控制系统结合盖顶温度传感器，自动调整火力大小，并将电饭煲限制在设定的最高温度之内，煮饭结束后自动转入保温状态。
控制系统结合单片机的定时功能，可对煮食时间进行预约设定，设定时间到后自动转入预定的工作模式进行煮饭。
控制系统可结合LED实时指示电饭煲工作状态，结合LCE液晶显示器可显示更多信息。
包括定时时间、工作状态、故障报警等信息。
智能电饭煲控制系统控制面板设计如图2-1所示，主要包括显示屏、状态指示、输入按键等几部分。
该控制系统使电饭煲提高了自动化、智能化、人性化设计水平，具有操作方便，安全可靠的特点。
图2-1智能电饭煲控制系统操作面板效果图
2.2智能电饭煲控制系统电路组成
该控制系统主要由电源电路、单片机输入电路、单片机输出电路三类电路组成，如图2-2所示。
电源电路将220V交流电转为直流5V，作为控制系统的电源。
单片机输入电路有按键输入电路、顶盖温度传感器输入电路、复位电路以及时钟电路。
单片机输出电路包括LCD显示电路、LED工作状态指示电路以及用于电饭煲加热的加热电路。
图2-2智能电饭煲控制系统组成结构图
2.3本章小结
本章从整体出发，首先确定电饭煲的模糊智能控制系统由单片机为核心控制器件，结合按键，温度传感控制器等硬件设计电饭煲实现“保温”、“煲汤”、“煮饭”等功能。
第三章智能电饭煲控制系统硬件设计
智能电饭煲控制系统硬件电路按照功能可划分为七个组成部分，即控制系统单片机最小系统工作电路、控制系统电源电路、按键输入电路、温度传感器电路、LED状态指示电路、LCD显示电路以及电饭锅加热电路。
3.1控制系统单片机最小系统工作电路
本设计选用AT89C51单片机作为核心控制芯片。
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，因此AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
本设计选择AT89C51单片机作为智能电饭煲控制系统核心控制芯片，兼顾了经济性和实用性的需求。
3.1.1AT89C51单片机的引脚及其排列
AT89C51具有40只引脚，其中32个是可编程输入输出口。
AT89C51有三种封装形式，即PLCC、TQFP和PDIP三种。
其中最为常见的封装是PDIP，其外形及引脚配置如图3-1所示。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每引脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，
图3-1AT89C51PDIP封装外形及其引脚
输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
当P2口用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个有内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器有效，不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器有效。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入到内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
3.1.2AT89C51单片机时钟电路
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入接至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
电路结构如图3-2所示。
XTAL2
XTAL1
AT89C51
C1
C2
CYS
XTAL2
XTAL1
AT89C51
+5V
VSS
TTL
外部时钟源
图3-2AT89C51时钟电路
3.1.3AT89C51单片机复位电路
AT89C51单片机的复位引脚为施密特出发输入。
当振荡器起振以后，在RST引脚上输入连续两个机器周期的高电平，器件便进入复位状态。
根据AT89C51的复位特性，设计复位电路如图3-3所示。
图3-3AT89C51单片机复位电路
电路中将C1、R1串联后接入RST引脚，在上电之初，电容通过电阻充电，在复位引脚上出现充电的正脉冲，只要正脉冲宽度足够宽，就可以使单片机复位。
本设计中单片机选用24M晶振，故复位电路中选用10uf电容和10K电阻可以满足AT89C51的复位要求。
3.1.4控制系统单片机最小系统电路设计
根据以上分析，本设计中单片机最小系统如图3-4所示。
复位电路采用较为常用且结构简单的阻容复位电路，可为AT89C51单片机提供大于10ms的高电平复位脉冲。
时钟电路采用外接晶振方式，由一只24M晶振和2只30pf电容组成的振荡电路。
由于P0口的特殊结构，本电路中PO口中部分接口线是用于数据输出，故本设计中采用10K电阻作为上拉电阻。
图3-4智能电饭煲控制系统单片机最小系统电路
3.2控制系统电源电路
智能电饭煲控制系统需要5V直流供电电源。
本设计中，5V电源由220V交流电源变压、整流、稳压后得到。
其中，核心期间为三端稳压器件78L05。
3.2.1稳压器件78L05简介
7805是常用的三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5V，7805输出波纹很小，其输出电源品质能满足大多数器件需求。
稳压器的工作指标是指稳压器能够正常工作的工作区域，以及保证正常工作所必须的工作条件，这些工作参数取决于构成稳压器的组件性能。
（1）、输出电压范围
符合稳压器工作条件情况下，稳压器能够正常工作的输出电压范围，该指标的上限是由最大输入电压和最小输入-输出电压差所规定，而其下限由稳压器内部的基准电压值决定。
（2）、最大输入-输出电压差
该指标表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所允许的最大输入－输出之间的电压差值，其差值主要取决于于稳压器内部调整晶体管的耐压指标。
（3）、最小输入-输出电压差
该指标表征在保证稳压器正常工作条件下，稳压器所需的最小输入－输出之间的电压差值。
（4）、输出负载电流范围
输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，稳压器应能保证符合指标规范征所给出的指标。
三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是CW7800/CW7900系列。
W7800系列输出正电压，其输出电压有5、6、7、8、9、10、12、15、18、20和24V共11个档次。
该系列的输出电流分5档，7800系列是1.5A，78M00是0.5A，78L00和是0.1A，78T00是3A，78H00是5A。
W7900系列与W7800系列所不同的是输出电压为负值。
三端稳压器的工作原理与前述串联反馈式稳压电源的工作原理基本相同，只有三个引出端子：
输入、输出和公共端。
输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公共端接输入、输出的公共连接点。
为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间并接一个电容。
使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电流。
7805的典型应用电路如图3-5所示。
在其输入端口和输出端口分别有0.33uf、0.1uf的无极性电容，以优化输出电源品质。
图3-57805典型应用电路
3.2.2电源电路设计
本设计中，控制系统电源电路设计如图3-6所示。
220V交流电源由J1接入电路，后经变压器T1将220V降压为8.5V交流电压，该低交流电压经N1进行全波整流，变为脉动直流，最后，该脉动直流经过低压差稳压芯片78L05稳定为纹波系数较小的5V直流电源。
图3-6控制系统电源电路
3.3按键输入电路
3.3.1按键分类
按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。
前者造价低，后者寿命长。
目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。
本设计中采用触点式开关按键，其电路原理图常见符号如图3-7所示。
图3-7触点式开关按键
3.3.2按键结构与特点
键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。
也就是说，它能提供标准的TTL逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。
机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。
其抖动过程如下图所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。
图3-8为触点式按键开关机械抖动示意图。
图3-8触点式按键开关机械抖动示意图
在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。
为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。
这一点可从硬件、软件两方面予以考虑。
在键数较少时，可采用硬件去抖，当按键数较多时，采用软件去抖。
单片机工作时有外接键盘输入信号，当检测到有哪一个键被按下时，单片机内部执行相应的工作程序。
3.3.3按键输入电路设计
该系统的键盘由5个独立键盘构成，包括一个中断键盘单元。
来完成智能电饭煲的手动控制。
键盘的一脚接在单片机的p1.0至p1.5脚上，另外一脚接在电源地上，当有键盘按下时对应的键盘就会有一低电平送进单片机内部。
为消除触点式按键开关的机械抖动，单片机内部有程序进行消抖处理，然后确定那一个键盘被按下后来执行程序完成该系统的指定工作。
该控制系统键盘接入电路如图3-9所示。
图3-9控制系统键盘输入电路
3.4温度传感器电路
3.4.1DS18B20简介
DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1－Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。
因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。
DS18B20是一款功能独特的产品，其特点如下：
（1）、只要求一个端口即可实现通信。
（2）、在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。
（3）、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。
（4）、测量温度范围在－55。
C到＋125。
C之间。
（5）、数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。
（6）、内部有温度上、下限告警设置。
DS18B20有两种封装形式，即TO－92封装和8-pinSOIC封装。
每种封装的样式及引脚排列见图3-10，其引脚功能描述见表3-1。
图3-10DS18B20的引脚排列
表3-1DS18B20详细引脚功能描述
序号
名称
引脚功能描述
1
GND
地信号
2
DQ
数据输入/输出引脚。
开漏单总线接口引脚。
当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。
3
VDD
可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
3.4.2DS18B20的使用方法
由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线里实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。
由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。
DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。
该协议定义了几种信号的时序：
初始化时序、读时序、写时序。
所有时序都是将主机作为主设备，单总线器件作为从设备。
而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读时序完成数据接收。
数据和命令的传输都是低位在先。
（1）、DS18B20的复位时序如图3-11所示
图3-11DS18B20的复位时序
（2）、DS18B20的读时序如图3-12所示
对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。
对于DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15秒之内就得释放单总线，以让DS18B20把数据传输到单总线上。
DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。
图3-12DS18B20的读时序
（3）、DS18B20的写时序
对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程，如图3-13所示。
图3-13DS18B20的写时序
对于DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。
3.4.3温度传感器电路设计
根据DS18B20温度传感器的特点，本设计中将温度传感器电路设计为图3-14样式。
采用电源直接为DS18B20供电的方式，为增强对DS18B20的读写能力，减少通信传输错误，设置R7作为上拉电阻。
图3-14温度传感器电路
3.5LED状态指示电路
本设计中，LED状态指示电路用于实时指示智能电饭煲的工作状态。
3.5.1LED简介
LED，亦即发光二极管，是利用化合物材料制成PN结的光电器件。
它具有PN结结型器件的电学特性，即I-V特性。
I-V特性是表征LED芯片PN结制备性能主要参数。
LED的I-V特性具有非线性、整流性质，单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之
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