基于51单片机实现智能电饭煲功能的设计与实现 学位论文.docx

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基于51单片机实现智能电饭煲功能的设计与实现学位论文

基于51单片机实现智能电饭煲功能的设计与实现

基于51单片机实现智能电饭煲功能的设计与实现

【摘要】：

电饭煲是人们日常生活中最普遍的家用电器，随着人们生活水平的提到，电饭煲也日趋智能化，本课题主要基于家电智能化的背景下，根据智能电饭煲的发展和现状，探讨智能电饭煲如何实现智能化的煮饭、预约、再加热等功能。

本文参考的是美的电饭煲，在本设计中实现了其控制面板上的大部分功能，在讨论炊煮时温度控制方面，本文主要采用模糊控制技术实现其加热温度的控制。

在硬件设计上，论文设计了以INTEL公司的8052单片机为核心的控制电路，包括复位电路、振荡电路、LCD显示电路、按键扫描电路、数字温度传感器电路、EEPROM扩展电路和时钟电路。

在软件设计上，首先根据各个功能的典型最佳炊煮温度曲线编写出调试（测试）程序，通过调试程序找出针对产品的对应各个功能的最佳炊煮温度曲线。

针对煮饭功能，提出了易于实现并且有效的米量与实时温度控制的模糊控制理论，制定了不同的煮饭功能对应的炊煮模糊控制方案。

【关键词】：

电饭煲；单片机；炊煮曲线；模糊控制；

[Abstract]:

Ricecookeristhemostcommonhouseholdelectricalappliancesindailylife.Aspeoplelifestandardmotioned,ricecookerhasbecomemoreandmoreintelligent.Thistopicisbasedonthebackgroundofhomeapplianceintelligent,accordingtothedevelopmentandstatusofintelligentricecooker.Discussinghowtorealizetheintelligencefunctionofcookingrice,bookingandreheating.ThistopicreferenceofMidearicecooker.Realizingmostoffunctionfromthecontrolpanel.Whenthediscussionoftemperaturecontrolofboils.Thistopicmainlyadoptsthefuzzycontroltechnologytoachieveitsheatingtemperaturecontrol.

Aboutthehardware．itisdesignedindetailthatincludesthecontrollingcircuitsthatarebasedonMCU．8052．whichismadeinUSA．Theperipheralcircuitsincluderesetcircuit,oscillationcircuit,keyscanningcircuit，LCDdrivecircuitandINTlcircuit（powerdetectingcircuit）．

Aboutthesoftware．accordingtothetypicalandbestcookingcurvesofeachfunction，thedebuggingprogramisprogrammedfirstly．Then，thebestcookingcurves，thatareapplicabletothericecooker，arefoundoutbythedebuggingprogram．Accordingtocookingricemethod．aone-dimensionfuzzycontrollerthatcancalculatetheweightofriceandtheheatingpowermoreeasilyisdesigned．DifferentkindsoffuzzycontrolwaysthatcorrespondtodifferentcookingfunctionsareprovidedinthePaper．

[Keywords]:

Ricecooker；MCU；Cookingcurves；Fuzzycontroller；

前言

电饭煲因其安全、简便、实用而普及到千家万户。

随着科技的不断发展，这类小家电也在不断的完善和提升自己，并向着智能化、节能化、网络化的方向发展。

本课题研究的是智能电饭煲的硬件和软件的设计以及煮饭功能的实现过程。

智能家用电器不仅仅实现了产品的原始属性，更融入了我们人类的智慧结晶。

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飞速发展，智能家电产业也在迅速崛起。

世界著名的电脑和家电企业如IBM、夏普、微软、英特尔、松下、NEC、东芝等都大力开发研制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，机械式饭煲必将退出市场舞台。

第1章绪论

第1.1节智能家电概述

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

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[4]。

1.1.1.嵌入式家电的发展现状

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。

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。

正是基于这一美好的前景，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。

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。

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。

1.1.2.家电中的模糊控制技术

为了探索人工智能，使电脑模仿人脑，进行更多的智力劳动，模糊数学便应运而生，1965年美因著名系统及控制论专家、加州大学教授Zandeh创立的模糊集合论，在电脑与人脑之间架起了一座桥梁[14]。

与经典控制技术、现代控制理论相比，模糊控制具有以下特点：

（1）、模糊控制是模拟人的直觉或经验，用自然语言描写被控对象的输入、输出关系以及凋节规则，避开了对被控对象建立数学模型的困难。

（2）、对一些很难或根本无法建立数学模型的复杂系统和长时滞、非线性、多因素交互影响的时变系统，应用模糊控制技术可对其实施有效的闭环控制。

（3）、模糊控制具有很好的鲁棒性，对参数的变化适应性强，具有较好的抗干扰能力，消除了常规控制系统常存在的鲁棒性与灵敏度之间的矛盾，提高了系统的可靠性。

（4）、模糊控制器的设计相对较简单，开发周期短、成本低，用传统控制方法需PC机才能完成的，控制目标用一个8位单片机就可实现，因此它具有很强的渗透性，应用前景十分广泛。

当前，模糊技术还处在发展阶段，有待进一步完善。

但可以相信，它是一项控制工程领域的高新技术，有着诱人的发展前景和广阔的应用天地。

第1.2节本课题主要任务

本课题主要阐述模糊控制在电饭煲中的具体实现，在硬件电路设计的基础上，通过对各功能模块的软件设计，实现对温度的检测和分析，从而得到控制可控硅的导通时间的精确量来控制加热盘功率以实现电饭煲通过模糊控制技术来煮饭的目的，使其达到智能化。

本课题主要任务及相关问题：

♦在硬件上的设计主要以8052单片机为主要控制芯片的功能电路，以模块化的设计理念分别设计温度传感器电路、时钟电路、LCD显示电路、EEPROM扩展电路、蜂鸣器电路、按键电路和温度采集电路。

使其具备智能电饭煲基本功能。

♦在软件上的实现预约、保温、米量推算、智能炊煮和冷饭加热等功能。

其中智能炊煮、米量推算和保温功能采用模糊控制技术实现智能化煮饭，外加一些预约、声音、灯光提示等附加功能。

♦根据人们生活经验中得到的最佳炊煮曲线中的温度信息值与实际采集温度进行对比，经过单片机的模糊推理后来控制可控硅的导通时间，从而实现煮饭的模糊化控制。

♦主要遇到问题是要实现智能电饭煲预约、炊煮功能所对应的硬件电路该如何选择，在整个炊煮过程中如何进行相应的模糊化控制。

其中包括用何种方法进行米量推算。

在确定米量后如何进行实时的温度模糊化控制，此问题还包含有如何划分模糊控制器输入的量的隶属度函数，采用何种方法计算控制量，这些问题也是本课题所要解决的。

第2章智能电饭煲整体设计

智能电饭煲整体设计包含两部分：

硬件的整体设计和软件的整体设计，硬件的整体框架主要是以单片机为核心集合了显示，提示音，温控等功能的外围模块电路。

软件整体框架主要是以单片机实施模糊控制为主，实现此功能必需的温度采集模块、时钟定时模块、数据存储模块等[1]。

第2.1节硬件整体框架

硬件的整体框架包括MCU、电源、温度传感器、LCD显示、EEPROM、RTC、加热盘以及按键[9]。

如图2-1所示。

图2-1硬件结构框图

2.1.1.各模块介绍

（1）、电源模块

电源分为为加热盘模块提供电的220V电源，和为温度传感器模块、按键模块、显示模块和EEPROM模块等提供电的5V电源。

（2）、按键模块

按键采用独立式按键接口，分为6个按键，分别对应确认、取消、预约、功能、时间加、时间减的功能。

（3）、显示模块

采用LCD1602实现时间显示，功能选择，是此电饭煲的人机对话界面。

（4）、温度传感器模块

利用温度传感器DS18B20来检测温度的变化从而使单片机进行模糊控制。

（5）、加热盘模块

与220V市电直接相连，分为主、副加热盘，并且分别对其采用继电器和可控硅来控制功率。

（6）、时钟模块

提供单片机的工作时序，控制炊煮时间和预约功能的实现。

（7）、EEPROM模块

利用EEPROMAT24C16扩展实现对系统断电后的数据存储。

（8）、蜂鸣器模块

炊煮结束后能提供音乐和灯光提示。

第2.2节软件整体框架

软件整体框架包括温度采集程序模块、RTC时钟程序模块、MCU的模糊控制程序模块、LCD显示程序模块、蜂鸣器程序模块和EEPROM存储程序模块。

图2-2软件结构框图

2.2.1.各模块主要功能

（1）、温度采集模块

分为采集子程序和控制子程序，前者涉及定时器的定时、温度对照等环节。

后者是当温度采集值与设定值产生偏差时需要对加热盘功率进行控制[2]。

（2）、时钟模块

利用单片机内部定时器0作为时钟定时，按键方式1，每隔100ms溢出中断一次。

（3）、MCU模糊控制模块

此模块是系统主要功能程序模块，其中把上、下温度传感器的信号作为模糊推理米饭量的两个输入量，根据上、下两温度传感器达到所设定温度的时间差来进行推算。

锅身传感器的温度与预设温度之间的偏差及其导数作为温度模糊控制的两个输入量，通过温控子程序进行煮饭的各阶段控制，每阶段都有计时[3]。

（4）、附加功能

附加功能有冷饭再加热、炊煮完成后的保温子程序，这些功能用了简单的加热器通断功能实现，根据生活经验，冷饭再加热要求的是快，因为需要再加热的东西往往是熟的，且量也不会太多，只要达到适合使用的温度即可，保温功能也与其类似。

（5）、其他程序模块

蜂鸣器程序主要功能是判断煮饭过程是否结束，如结束，则发出声音来提醒使用者煮饭过程已结束，同时小灯点亮进入保温状态。

EEPROM存储程序作用是当接收到中断信号后立即把单片机所执行的所有数据存入存储器内。

第3章智能电饭煲硬件部分的详细设计

第3.1节单片机外围电路设计

本课题所设计的智能电饭煲是以美的FS406为参照，如图3-1所示，实现其大部分功能，包括了开始、关、预约、功能、时、分功能。

图3-1美的FS406面板

3.1.1.电源电路

该单元为本系统的其他电路提供工作所需要的电源。

如图3-2，它由变压器降压后得到20V的交流电压经过全波整流电路和滤波电路变成15V左右的直流电压，再经过三固定输出电压的集成稳压电路的稳压输出5V的稳恒直流电源，为单片机及其周围电路提供工作需要的电源[5]。

图3-2电源电路图

（1）、抗浪涌电路

压敏电阻和PCB电流熔断丝（长约ｌ5mm很细的PCB铜箔）共同组成了抗浪涌电路当有异常高电压输入时，压敏电阻瞬间短路，这样电源、压敏电阻和PCB电流熔断丝（PARTTERN--FUSE）构成的回路电流瞬间增大，当电流尖峰值瞬间超过PCB电流熔断丝的电流容量，PCB电流熔断丝立即熔断，从而保护了后面电路元件的安全。

电容C1又称安规电容或者静噪电容，一方面能够抑制电网向电源电路传导的骚扰，另一方面也降低了自身电路向电网传导的骚扰。

3.1.2.过零检测电路

可控硅及继电器的触发信号需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时，该电路的目的是检测交流220V电源信号，也可称之为交流电过零点检测电路。

如图3-3所示，当交流220VAC电源开始工作时，由C点产生基本上与交流电源同步的方波，这样INTl就能产生周期性的中断，从而在中断程序中就可以处理一些与交流信号有关的控制，控制可控硅的触发。

图3-3过零检测电路图

3.1.3.加热盘电路

图3-4所示是加热盘电路，主加热器是电饭煲的基本加热单元，是实现各种加热功能的基础，采用盘状的外观所以也被称为加热盘。

加热盘与电饭煲的内胆（内锅）底部紧密接触以便更高的利用加热所产生的热能，其中继电器功能是在其选定工作模式或冷饭再加热时控制其加热功率，单片机通过P2.1口对继电器进行控制。

副加热盘电热丝的加热功率由双向可控硅控制[6]，单片机通过引脚P2.2口给可控硅发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。

其中串联在继电器回路的熔点为160℃的热保险丝，当温度达到160℃时，热保险丝会熔断，防止加热盘干烧。

图3-4加热盘电路

第3.2节时钟电路设计

时钟电路如图3-5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30PF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[11]。

图3-5时钟电路

第3.3节复位电路设计

系统要能长时间可靠工作就离不开复位电路，复位电路可在单片机运行出错或进入死循环时，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3-6所示RC复位时间一般均应大于10ms，图示复位电路是广泛应用的上电复位电路[12]，典型取值为R=1kC=22PF。

图3-6复位电路

第3.4节EEPROM扩展电路设计

本课题采用AT24C16的EEPROM扩展，如图3-7所示，用8052的P2口模拟I2C总线与EEPROM通信连接电路图，由于AT24C16是漏极开路，图中R1，R2为上拉电阻（10K），A0~A2和VCC地址引脚均接地。

串行时钟SCC接P2.4串行数据，地址线SDA接P2.3引脚。

AT24C16的特性有：

单电源供电，工作电压范围宽（1.8~5.5V），低功耗CMOS技术100KHZ（2.5V）和400KHZ（5V）兼容，自定时写周期（包含自动擦除）、页面写周期的典型值为2ns，具有硬件保护[18]。

图3-7EEPROM扩展电路

第3.5节显示电路设计

显示器件采用LCD1602液晶显示器，是目前最常用的显示器件，其显示容量为16×2个字符，尺度为2.95×4.35mm，适合电饭煲时间和功能的字符显示，如图3-8，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[19]。

图3-8LCD显示电路

第3.6节蜂鸣器电路设计

蜂鸣器电路要求在炊煮结束时“奏出”出悦耳的提示音给使用者。

选择PFD驱动蜂鸣器，并且只用P2.2一个引脚就可以了，这样可以节省一个I/O引脚，同时PFD输出的信号频率可以采用一个内部定时计数器控制[17]，如图3-9所示。

图3-9蜂鸣器电路

第3.7节键盘接口电路设计

独立式键盘是直接用I/O口构成的单个按键电路，如图3-10所示，每根I/O口线上按键的工作状态不会影响其他I/O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，CPU对应的I/O口由于有上拉电阻，其输入为高电平；当某按键按下后，对应I/O口变低电平，同时在VCC=5V的情况下，I/O输出灌电流在5mA左右[16]。

图3-10按键电路

第3.8节温度传感器电路设计

本课题中温度传感器DS18B20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±0.5℃，可编程为9～12位A/D转换精度[10]。

测温分辨率可达0.0625摄氏度，如图3-11所示，为了保证DS18B20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[8]。

图3-11温度传感器电路

第4章智能电饭煲软件部分的详细设计

电饭煲的基本功能就是煮饭，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。

为了得到最佳的煮饭效果，可通过传统的和科学的煮饭方法确定最佳的煮饭工艺流程即煮饭的过程控制，最后根据确定的煮饭流程编写参数调试程序，从而得到最终的最佳煮饭流程和温度控制曲线。

第4.1节理想的最佳煮饭方法

生米煮成熟饭的过程是相当复杂的生化转化过程。

在这一过程中，大米中的淀粉、葡萄糖等成份进行一系列的转化。

影响转化的最主要因素是温度及温度的变化。

铁锅柴灶煮饭时，有经验的“巧妇”，在小知不觉中，运用灶膛中火力大小，使饭锅的温度发生变化，满足了大米的最佳转化条件，从而蒸煮出香喷喷的米饭。

这种温度发生变化大致分为5个阶段：

（1）、低温吸水：

让大米在30~40℃的温水中浸泡足够时间，使米粒充分吸水膨胀，米粒内外随水温慢慢升高至60℃~70℃。

（2）、快速升温：

当米粒内外温度达到70℃时，米粒将开始糊化，糊化首先发生在米粒表面。

为了避免米粒表面糊化后不向内部传热，这时应快速升温，使米粒内外在极短时问内，同时达到高温，有利于米粒内外同时糊化、熟化。

（3）、高温沸腾：

促使米粒内外同时熟透，并蒸发掉锅内多余水分，避免米粒含水过多而稀化，也就是常说的“烂饭”。

（4）、烘饭：

在高温沸腾停止后，锅内的水蒸汽将冷却液化，滴回米饭表面。

为继续蒸发掉表面多余水分，同时使米粒内部水分进一步排出，使米饭更松软。

（5）、焖饭：

在熟饭后维持一定温度，使米粒进一步释水松软，靠锅的米粒得热较多而出现少许焦黄，整锅米饭浸透烧香味。

日常使用的机械式电饭煲，利用磁钢受热后磁性减弱来控制加热丝的通断。

电源一旦接通，就持续加热。

达到最高温度后，开关自动断开，煮饭结束。

这种电饭煲的煮饭过程中没有也难以实现吸水和焖饭过程，同时也不能准确的控制各个阶段的温度以及温度变化。

因而米饭的口感和质量较差，同时无法实现和用户之间的交互以完成各种附加功能。

如图4-2所示为煮饭最佳曲线图。

图4-1煮饭最佳曲线

吸水阶段使大米在一定的温度下充分吸水，使大米含水率从14%上升到25%左右，以保证米粒在加热过程中内外均匀受热，热量透到大米的芯部，从而使之烧成柔软鼓胀状，但是，一旦水温超过70℃，米将变成糊状。

所以，一般将水温控制在60℃以下。

快速升温阶段把已吸足水分的米采用大功率进行加热，迅速达到糊化温度，如果不继续迅速升温的话，米粒将在此温度下吸入大量水分并且米粒会达到半熟的状态，此后无论采取何种措施，米饭都不会达到理想的炊煮效果。

沸腾阶段是将米中不易溶于水、难以消化的淀粉转变为易溶于水、易于消化的淀粉，应保持一定的时间。

沸腾阶段电饭煲内的温度保持在100℃的水平。

大米充分吸水后，锅内的水逐渐减少，锅底趋于干燥，当锅底的水分减少到一定程度后，米饭的温度迅速上升进入图4-1中的烘饭阶段，在该曲线图中，烘饭包含在高温沸腾的阶段中。

沸腾结束后，进入焖饭阶段，在焖饭阶段，使米粒充分受热而内外质量趋于一致，焖饭阶段还使大米外部的水分一部分渗透入米芯，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致。

一般焖饭之后的米饭含水率在69％左右。

在焖饭阶段有一个间歇加热的阶段，目的是使煮熟的米饭产生少许的锅巴，使整锅的米饭更具米饭的香味，同时焖饭阶段使得米饭无论在硬度上或黏度上都会另人满意。

第4.2节煮饭功能模糊控制器

4.2.1.模糊控制基本思想

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，且这种动作足以精确量表现出来的[13]。

（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，此相应语苦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