智能电饭煲的设计.docx

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智能电饭煲的设计

1.智能电饭煲的设计

智能电饭煲的设计

摘要：

本文主要介绍单片机在智能电饭煲中的应用的实现。

智能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。

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，并且大多的智能电饭煲采用太空“黑晶”内胆，超硬耐磨，恒久美观，所有的这些特点符合现代人的省时、省力、耐用的观念做出一种价格低廉、体积又小的人性化的电饭煲是市场所需求的。

本设计以美国Atmel公司生产的8位单片机AT89C52为核心。

该电饭煲控制器模拟煮饭专家加热曲线对煮饭过程进行控制,具有多种煮饭模式,并实现了智能控制功能。

该设计的电路结构简单,所用器件较少，达到了减小体积，节约成本的目的，实现了电饭煲的低成本、高性能。

AT89C52良好的性能和合理的资源非常适合于智能电饭煲。

关键词：

智能电饭煲；Atmel公司；AT89C52；控制系统；单片机

Designofintelligentelectricricecooker

Abstract:

Thispapermainlyintroducestheapplicationofmicrocomputerintherealizationofintelligentelectriccooker.electriccookerisakindofenergyintoheatofnew-typemulti-functionalcookingutensils.Intechnologydevelopmentfast-changingtoday,electriccookerarewithotherhouseholdelectricalappliancesasexperiencedfromsimpletocomplex,frommanualtoautomaticandsemi-automatic,untilnowtheprocessoftheintelligentproduct.Butbecausethepriceishigher,soitcannotbeacceptedforordinaryfamilies.Microcomputerorcomputercontrolconformstomodernpeople'srequirementofintelligentelectriccooker,humaninterfacedesign,makepeopleseethecurrentworkofthestate,makeyoumoresecure,variouscookingprocessbyallthecomputerautomaticcontrol,andmostintelligentelectriccookerusingspace"blackcrystal"bladder,superhardwear-resisting,enduringbeautiful,allofthesefeaturesconformstomodernpeople'ssavetime,energy,anddurableideamadealowprice,volumeandsmallhumanizedelectriccookerismarketdemand.

Thedesignofsunplustechnologycompanyinthe8-bitmicrocontrollerAT89C52asthecore.Theelectriccookercontrollersimulationcurveofcookcooksexpertsheatingprocesscontrol,hasavarietyofcookingmode,andrealizedtheintelligentcontrolfunction.Thedesignofthecircuitstructureissimple,USESthedeviceless,reached&reducevolumeandcostobjective,realizedthelow-cost,high-performanceelectric.AT89C52goodperformanceandreasonableresourcesisverysuitableforintelligentelectriccooker.

Keywords:

Intelligentelectriccooker；Atmelcompany；AT89C52;controlsystem；MCU

一绪论

智能电饭煲的研究背景

科技的革新、时代的进步和经济的飞速发展使得人们的生活水平不断提高，人们对日常生活中所使用的各种类型产品的要求也逐渐升高，特别是对那些与日常生活密切相关的蒸煮类电子产品——因为人们每天的起居饮食都离不开这类产品。

电饭煲以其方便快捷逐渐成为了人们日常生活必不可少的产品,这类电子产品须同时具有特定的使用功能及相应的审美形式,即具有物质功能和文化功能双重属性。

而在当代激烈竞争的市场上，产品日新月异。

为了提高企业的经济效益，就必须依据市场的变化情况,大力改善产品设计工作，迅速提高产品设计水平。

为此，则需要根据用户的需要，在产品设计过程中进行技术经济分析，确定最适宜的产品功能,合理的技术参数，选择适当的结构和材料，降低产品的成本,使产品达到物美价廉。

进行产品设计技术经济分析，实际上就是要对产品设计中如何达到技术上先进、经济上又合理的设计分析方法进行分析与讨论.总之，产品设计技术经济分析是集市场、顾客、技术、经济、创新等重要因素为一体的综合集成的系统方法[1]。

只有在产品设计中多角度全方位地考虑各种因素，才有助于产品的设计开发更加科学、合理，从而提高新产品设计开发的成功率,降低风险,进而增强企业的市场竞争力。

随着以计算机技术为核心的信息技术，特别是数字化技术、多媒体技术和网络技术的高速发展，智能家电产业正在迅速崛起。

世界著名的电脑和家电企业如IBM、夏普、微软、英特尔、松卜、NEC、东芝等都大力研发自己的智能家电产品，我国的许多公司如联想、长虹、海信、TCL、海尔等也都投入到智能家电的开发工作。

作为传统家电代表，电饭煲也已融入到系统化的信息家电系统中，它的功能已不再只是单纯的煮饭，功能齐全、操作简便、人性化的界面，烹调过程自动化，甚至是网络控制的信息化电饭煲已成为现代人的新需求。

伴随着生活水平的提高，电饭煲的智能化和网络化将成为一种趋势，机械电饭煲必将退出市场历史舞台。

以人为本，是设计中的永恒主题。

人与产品的多重关系决定产品必将服务于人，而人必将为产品的设计明确方向和意图。

简洁、实用、安全、绿色、科技感强的清洁工具近几年不断涌现，人们对清洁工具的使用过程、使用效果更为看重。

完美产品不需太多烦乱的操作——简约而不简单[5]。

智能家电概述

所谓智能化家电，是指运用现代最新科技研制研发的新一代具有智能功能的家用电器[6]。

它所涉及的高新技术领域十分广泛，其中包括：

多媒体技术、数字技术、模糊控制技术、太阳能技术、专家系统、人工智能、生物技术等。

而人工智能的载体通过传统的逻辑电路实现显然是不现实的，而通过嵌入式系统就能轻松实现。

嵌入式系统是将计算机硬件和软件结合起来，构成一个专门的计算装置，完成特定的功能和任务。

在嵌入式系统中，单片机是最重要也是应用最多的智能核心器件。

从结构的角度讲，由于单片机是嵌入家用电器内部并作为核心部件，故智能家用电器的结构体系很明显就是一个嵌入式系统。

嵌入式系统应用到家用电器中，并作为核心控制部件，早已成为了一种历史趋势。

早在一九九九年三月，美国微软公司懂事长兼首席执行官比尔．盖茨在深圳发布和演示了该公司为中困市场丌发的产品“维纳斯计划”。

“维纳斯计划”向中国的老百姓展示了未来“网络化生活”的美好前景，掀起了中国信息家电产业化的序幕。

这也预示着电脑、电信、电器三电一体化所引发的信息电器化革命将为未来几年内世界信息电子和消费电子两大行业最主要的发展方向。

近年来，在中国市场上销售的家用电器，应用了嵌入式微控系统的智能产品层出不穷。

正是基于这一美好盼前景，本课题将嵌入式微控制系统应用到很常见的小家电—电饭煲之中。

嵌入式系统在小家电上的应用远晚于其在黑色家电及其他大型家电上的应用。

日本、台湾等地区对嵌入式小家电的研究及生产要早于其他地区。

比较出色的公司主要集中在日本。

如日本的三洋、松下、东芝、象印、虎牌、三菱等大型跨国公司，他们的产品遍布世界各地。

虽然各个公司的产品各有特色，但是从产品的电器性能来说，都是应用了嵌入式系统，使产品的功能智能化、人性化、小型化、节能化等。

当今社会科技发展迅速，人们生活水平迅速提高，家用电器越来越受到人们的重视，许多家用电器制造商都投入大量的人力、资金进行家电的升级和智能化。

目前，在智能家电研究方面已取得很大的进展，出现了一些功能各异、形式多样的智能家电。

例如具有智能功能的洗衣机，这种洗衣机运用模糊控制技术，使洗衣机能够自动完成从注水、加洗涤剂、洗涤、烘干、关机等过程，即将要洗的衣服放入洗衣机内后不用管理便可自动操作运行。

多媒体技术给智能家电提供越来越齐全的功能，现在的很多家电都有了声音、视频功能，能非常好的完成与用户的交互。

智能家电的智能功能还表现在家电具有自动识别和调节功能。

例如智能空调，它通过众多的传感器及控制系统，根据室内温度自动调节使之始终保持在最佳温度左右。

现代人工智能和专家系统在家用电器中的应用也越来越广泛。

如在厨房家电中出现了智能微波炉、智能面包机等。

运用语音识别技术的声控家电近年来发展也很快，出现了声控电话机和声控电视等。

还有智能冰箱，可实现多个温区的精确控温，通过LCD提示工作状态和温度数据，智能提示食品的最佳存储温度和保存期，并可自由设定存储同期，如食品到期未食用，将进行提示。

智能微波炉不但具有语音功能，还可以根据食品上的条形码信息来决定加热食品的时间和烹饪的温度。

现在，欧洲、美国、日本和国内的一些家电公司都已提出了智能家电的解决方案，并已实现成品化，尽管各方提出的方案不同，但都本着标准化、开放性、面向未来的宗旨，体现以人为本的设计思路，让消费者全方位的感受数字生活。

1.3智能电饭煲的发展现状

电饭煲的基本功能就是煮饭、煮粥和煲汤，如何将米煮成香喷喷的米饭是电饭煲需要解决的主要问题。

随着计算机技术不断地向非计算机领域的渗透，嵌入式系统已经渗透到我们生活的方方面面，并已应用到工业、交通、通讯、医疗以及家电等领域当中。

嵌入式家用电器不仅仪实现了产品的原始属性，更融入了我们人类的智慧结晶，使产品更智能化、系统化、人性化。

嵌入式系统在电饭煲中的应用——智能电饭煲具有煮饭、蒸煮、煲粥、煲汤以及烤蛋糕等功能，并在此基础上衍生出相应更细化、人性化的功能。

现在，欧洲、美国、同本和国内的一些家电公司都已提出了智能家电的解决方案，并已实现成品化，尽管各方提出的方案不同，但都本着标准化、开放性、面向未来的宗旨，体现以人为本的设计思路，让消费者全方位的感受数字生活。

目前，我国电饭煲行业也已进入了由“机械电饭煲”向“智能电饭煲”升级的关键时期。

而这种趋势的原因是：

普通的机械电饭煲的缺点：

1、机械电饭煲的功能太少，不能实现消费者除了煮饭外的其他生活必须的功能。

例如做寿司、蛋糕、煮婴儿杂粮饭等等

2、机械电饭煲在煮饭的过程中，米在蒸煮过程中不能充分吸水，内部干涩，热量无法渗透，米饭煮出来就容易出现夹生的现象，影响了口感和营养。

3、普通的机械电饭煲也缺乏预约定时功能，已经越来越无法满足现代快节奏生活的需要。

4、普通的机械电饭煲使用底盘加热在煮熟饭后易产生冷凝水，保温过程会出现冷凝水滴落泡白米饭现象。

而智能电饭煲在这方面解决了传统电饭煲的大部分遗留问题，所以说未来是智能电饭煲的时代。

目前，在智能家电研究方面已取得很大的进展，出现了一些功能各异、形式多样的智能家电。

例如具有智能功能的洗衣机，这种洗衣机运用模糊控制技术，使洗衣机能够自动完成从注水、加洗涤剂、沈涤、烘干、关机等过程，即将要洗的衣服放入洗衣机内后不用管理便可自动操作运行。

多媒体技术给智能家咆提供越来越齐全的功能，现在的很多家电都有了声音、视频功能，能非常好的完成与用户的交互。

智能家电的智能功能还表现在家电具有自动识别和调节功能。

例如智能空调，它通过众多的传感器及控制系统，根据室内温度自动调节使之始终保持在最佳温度左右。

现代人工智能和专家系统在家用电器中的应用也越来越广泛。

如在厨房家电中出现了智能微波炉、智能面包机等。

运用语音识别技术的声控家电近年来发展也很快，出现了声控电话机和声控电视等。

还有智能冰箱，可实现多个温区的精确控温，通过LCD提示工作状态和温度数据，智能提示食品的最佳存储温度和保存期，并可自由设定存储同期，如食品到期未食用，将进行提示。

智能微波炉不但具有语音功能，还可以根据食品上的条形码信息来决定加热食品的时间和烹饪的温度。

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。

电饭煲的功能现在已经开发到了一个比较成熟的阶段，已经出现了各种各样的智能电饭煲，电饭煲也进如了自动化，智能化，美观化，营养化及环保化的发展趋势。

而随之功能的逐渐完善，智能电饭煲的价格要比普通电饭煲高出几倍，在中国，大多数人喜欢在新的一年各厂家的各种促销之际更换电器，价格过高的智能电饭煲大多数家庭没有适用，所以如何开发出一款物美价廉的智能电饭煲，便是占据市场的一个新的契机。

1.4本文研究的具体内容

本文以智能电饭煲为研究对象,研究了智能电饭煲的控制策略,同时利用PROTUES进行了一系列的仿真研究及探讨。

我的工作主要体现在以下几个方面：

【1】借鉴他人研究的智能电饭煲的工作原理以及设计要求，对控制流程进行了初步的分析和研究，确定了智能电饭煲控制系统的设计方案。

【2】对控制系统的硬件和软件进行了深入的分析和研究，设计了智能电饭煲控制系统的主电路和控制电路。

【3】根据智能电饭煲控制原理建立了基于PROTUES软件的智能电饭煲控制的仿真模型图，得到仿真结果，并分析仿真结果，通过仿真结果来分析控制理论，总结和分析控制中的一些问题。

2硬件电路设计

复位电路设计

复位电路的作用

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：

这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。

无论用户使用哪种类型的单片机，总要涉及到单片机复位电路的设计。

而单片机复位电路设计的好坏，直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象，这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

基本的复位方式

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位

（1）手动按钮复位

手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平（图2-1）。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

图2-1手动复位按钮

（2）上电复位

AT89C52的上电复位电路如图2-2所示，只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。

对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1µF。

上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。

上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms。

在图2的复位电路中，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。

另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”态。

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。

图2-2上电复位电路

（3）积分型上电复位

常用的上电或开关复位电路如图2-3所示。

上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。

当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

图3积分型上电复位电路

晶振电路

单片机晶振是单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率的部件，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振有一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

系统振荡可以采用外部RC振荡方式，在OSC与VSS之间需要接一个外部电阻，这是一种低成本的方案，但是，振荡频率会随着VDD、温度和芯片自身参数的漂移而产生误差。

而在实际编程过程中，两个定时计数器都会使用，其中TMRO必须选择系统时钟作为振荡源，同时编程过程中采用一定的循环指令作为短时问的准确定时也是十分方便的，所以要求系统的振荡频率要非常准确，如图2-4为晶振电路。

HALT模式会停止系统振荡器，但是32768Hz的晶体振荡在HALT模式下仍会继续作用，可以选择32768Hz的晶体振荡做为内部计数器的时钟源如RTC、时基、WDT等，这样当单片机进入HALT省电模式时，使一个内部计数器产生周期性中断而刷新LCD显示，从而实现HALT状态的时钟显示。

所以，振荡电路采用4MHz的石英振荡器作为系统振荡，采用32768晶体振荡器作为RTC振荡，如图2．4所示。

图2-4单片机晶振电路

按键扫描电路设计

电饭煲里面的单片机需要时时刻刻扫描是否有相应的功能按键按下，当检测到某个功能按键按下时就必须执行这个功能，所以电饭煲功能按键的扫描非常重要，如图2-5所示的按键图。

图2-5功能按键扫描电路

按键抖动问题

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。

其抖动过程如图2-6所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms，如图2-6所示的按键操作和抖动。

图2-6按键操作和抖动

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，而当键数较多时，采用软件去抖。

在硬件上可采用在键输出端加R-S触发器（双稳态触发器）或单稳态触发器构成去抖动电路。

图2-7是一种由R-S触发器构成的去抖动电路，当触发器一旦翻转，触点抖动不会对其产生任何影响。

图2-7硬件消抖电路

软件上采取的措施是：

在检测到有按键按下时，执行一个10ms左右（具体时间应视所使用的按键进行调整）的延时程序后，再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，若仍保持闭合状态电平，则确认该键处于闭合状态。

同理，在检测到该键释放后，也应采用相同的步骤进行确认，从而可消除抖动的影响。

按键分类及扫描方式

（1）独立式按键

单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

（2）矩阵式键盘

矩阵式按键：

I/O端线分为行线和列线，按键跨接在行线和列线上，按键按下时，行线与列线发生短路。

特点：

①占用I/O端线较少；②软件结构复杂。

适用于按键较多的场合。

（3）键盘扫描控制方式

A、程序控制扫描方式。

键处理程序固定在主程序的某个程序段。

特点：

对CPU工作影响小，但应考虑键盘处理程序的运行间隔周期不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。

B、定时控制扫描方式。

利用定时/计数器每隔一段时间产生定时中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描。

特点：

与程序控制扫描方式的区别是，在扫描间隔时间内，前者用CPU工作程序填充，后者用定时/计数器定时控制。

定时控制扫描方式也应考虑定时时间不能太长，否则会影响对键输入响应的及时性。

C、中断控制方式

中断控制方式是利用外部中断源，响应键输入信号。

特点：

克服了前两种控制方式可能产生的空扫描和不能及时响应键输入的缺点，既能及时处理键输入，又能提高CPU运行效率，但要占用一个宝贵的中断资源。

按键及其接口电路

（1）独立式接口，按键直接与I/O口连接

图2-8独立式按键接口

（2）矩阵式按键接口