智能模糊電飯煲控制系統(tǒng)設(shè)計樣本

資料內(nèi)容僅供您學(xué)習(xí)參考，如有不當(dāng)或者侵權(quán)，請聯(lián)系改正或者刪除。摘要信息家電是21世紀(jì)家用電器發(fā)展的主流方向。論文經(jīng)過探討信息家電的發(fā)展和技術(shù)要點(diǎn),從實(shí)際工程出發(fā),對傳統(tǒng)家用電飯煲進(jìn)行深入細(xì)致研究,實(shí)現(xiàn)電飯煲智能化控制設(shè)計。針對電飯煲的加熱控制方法和電飯煲炊煮的最佳炊制加溫曲線進(jìn)行理論研究,提出了一種電飯煲炊煮工藝流程的設(shè)計方案,詳盡分析炊煮流程的各個階段和異常處理對策。針對炊煮流程,研制了一個易于實(shí)現(xiàn)的米量推算和加熱功率的一維模糊控制器。定制了不同煮飯模式、不同米種、不同米量的炊煮模糊控制和保溫、煲粥、蒸煮等狀態(tài)的加熱控制方案,并給出在炊煮各個階段的參數(shù)。論文分析了模糊電飯煲控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計。本文重點(diǎn)研究了HT46R47單片機(jī)在硬件設(shè)計過程中的低成本設(shè)計方法。在軟件方面,研究了模糊電飯煲控制系統(tǒng)的軟件控制流程并給出其流程圖,同時重點(diǎn)介紹了根據(jù)推理結(jié)果設(shè)計的米量判斷程序的流程。關(guān)鍵詞:電飯煲HT46R47模糊控制AbstractTheinformationappliancesisthemainproductsoftheappliancesinthe21thcentury.Thepaperdiscussesthecoretechniqueandthedevelopmentoftheinformationappliances.Accordingtothepracticalproject,theresearchonthetraditionalelectronicricecookerhasbeenmadeandtheapplicationofthenetworkandintelligencetechniqueontheelectronicricecookerisrealized.Accordingtotheheatingcontrolrulesandthebestheatingcurveoftheelectronicricecooker,thepaperputsforwardanewcookingprocessofthecooker,analysesallthestepsofthecookingprocessandtheexceptionsatlarge.Withthenewcookingprocess,aone-dimensionfuzzycontrollerthatcancalculatetheweightofriceandtheheatingpowermoreeasilyisdesigned.Inthepaper,thefuzzycontrolwayfordifferentcookingmodes,differentkindsofriceanddifferentweightofriceisprovidedoThepaperalsoprovidestheheatingcontrolrulesandtheparametersinthestatusofheatpreservation,cookingconjee,steamingetc.Thepaperanalysesthedesignofthefuzzyricecookerformofthehardware'scontrolcircuitandthesoftwaresystem.TheemphasisoftheintroductionisHT46R47MCU.Themainsoftwareflowchartisshowtoanalysishowthecookerworks.What'smore,procedureofgettingthequantityofricebyreasoningiscontrivedandthemainflowchartisshown.Keywords:ElectricalCooker;HT46R47;FuzzyControl目錄TOC\o"1-3"\u第一章緒論 77663\h11.1研究的目的和意義及課題來源 77664\h11.2國內(nèi)外在模糊控制方面的研究及分析 77665\h11.2.1國外在模糊控制方面的研究現(xiàn)狀 77666\h11.2.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r分析 77667\h21.3國內(nèi)外在模糊家電方面的狀況分析及發(fā)展展望 77668\h21.4主要研究內(nèi)容 77669\h2第二章智能化電飯煲的設(shè)計 77670\h42.1電飯煲工作流程設(shè)計 77671\h42.2電飯煲模糊控制器設(shè)計 77672\h92.2.1模糊控制的基本思想 77673\h102.2.2炊飯量的模糊推理 77674\h112.2.3加熱功率的模糊控制 77675\h13第三章電飯煲控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 77676\h153.1電飯煲硬件系統(tǒng)構(gòu)成 77677\h153.2HT46R47單片機(jī)介紹 77678\h163.2.1HT46R47引腳配置圖 77679\h163.2.2HT46R47/HT46C47主要特性 77680\h163.2.3HT46R47/HT46C47引腳說明 77681\h173.3電飯煲各部分硬件電路設(shè)計 77682\h18第四章電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 234.1模糊電飯煲控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 234.2模糊電飯煲模糊控制軟件設(shè)計 24結(jié)論 26參考文獻(xiàn) 28致謝 29附錄一:電路原理圖 30第一章緒論1.1研究的目的和意義及課題來源在科學(xué)技術(shù)進(jìn)步、日新月異的今天,節(jié)能、高效、環(huán)保的觀念逐漸深入人心,人們對家電智能化的要求也越來越高。本文研究的一種模糊控制的微電腦電飯煲正是智能化家電的典型代表?；谀：刂频碾婏堨夷軌蚺袛喑雒琢康拇笮?并對不同的米量選擇不同的加熱方案,因此不但控制效果好,而且高效、節(jié)能。微電腦控制的電飯煲還能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)約、記憶等功能,大大方便了人們的生活。本文從實(shí)際工程出發(fā),對模糊控制的微電腦電飯煲進(jìn)行了深入的研究,主要討論了一種準(zhǔn)確判斷米量的方法,真正實(shí)現(xiàn)了電飯煲的模糊控制。這對電飯煲控制程序的研究將是很有意義的,將使之在高效、節(jié)能方面做得更好。1.2國內(nèi)外在模糊控制方面的研究及分析1.2.1國外在模糊控制方面的研究現(xiàn)狀自從1965年美國的控制論專家L.A.Zadeh教授創(chuàng)立了模糊集合論以來,將模糊集合理論運(yùn)用于自動控制而形成的模糊控制理論,在近年來得到了迅速的發(fā)展。模糊控制作為智能領(lǐng)域中最具有實(shí)際意義的一種控制方法,已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域,家用電器自動化領(lǐng)域和其它很多行業(yè)中解決了傳統(tǒng)控制方法無法或者是難以解決的問題,取得了令人矚目的成效。已經(jīng)引起了越來越多的控制理論的研究人員和相關(guān)領(lǐng)域的廣大工程技術(shù)人員的極大興趣。隨著計算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,模糊控制也由最初的經(jīng)典模糊控制發(fā)展到自適應(yīng)模糊控制、專家模糊控制和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)模糊控制。其實(shí)現(xiàn)方式也由最初在微型機(jī)(單片機(jī))上用軟件方法實(shí)現(xiàn)發(fā)展到應(yīng)用模糊控制開發(fā)出模糊計算機(jī)進(jìn)行直接控制?？墒俏覀円矐?yīng)該看到,模糊控制的理論和應(yīng)用雖然已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展,可是就當(dāng)前的狀況來看,尚缺乏重大的突破,因此模糊控制無論在理論和應(yīng)用上都有待于進(jìn)一步的深入研究和探討。當(dāng)前,最令模糊控制專家們感興趣的是模糊邏輯同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在知識的獲取方面表現(xiàn)卓越,它能夠生成無須明確表現(xiàn)知識的規(guī)則和具有強(qiáng)大的自學(xué)習(xí)能力。而模糊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠用模糊性的自然語言表現(xiàn)知識,和能夠用簡單的max-min運(yùn)算實(shí)現(xiàn)知識的推理,但在知識的獲取方面十分脆弱。模糊邏輯同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法互相結(jié)合,取長補(bǔ)短,能夠經(jīng)過學(xué)習(xí)自動地進(jìn)行模糊規(guī)則的產(chǎn)生和修改,從而在智能控制方面產(chǎn)生強(qiáng)大的威力。1.2.2國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r分析在中國,模糊控制技術(shù)的研究起步較晚,近年來,隨著模糊家用電器的興起,模糊控制在各個領(lǐng)域的應(yīng)用獲得了飛速的發(fā)展,同時培養(yǎng)了一大批進(jìn)行模糊控制研究的優(yōu)秀人才。但總的來說,在中國,模糊控制的應(yīng)用水平落后于模糊控制理論方面的研究。這主要是因?yàn)檠芯空叱３０涯：刂破鞯脑O(shè)計分成幾個獨(dú)立的部分來進(jìn)行,如隸屬度函數(shù)的確定,規(guī)則的獲取,控制器的合成等。這樣做的好處是把問題簡單化,便于初學(xué)者上手,快速進(jìn)行問題的分析和解決?？墒沁@樣做帶來的問題是很難對設(shè)計好的系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和設(shè)計優(yōu)化。當(dāng)然,在中國,也有一批學(xué)者走在了模糊控制理論研究的前列。如,作為模糊論的創(chuàng)始人L.A.Zadeh的學(xué)生,香港科技大學(xué)的王立新教授,在模糊系統(tǒng)與模糊控制理論領(lǐng)域做出了很大貢獻(xiàn),給模糊系統(tǒng)與模糊控制理論帶來了三個突破,具體是:(1)證明了一類模糊系統(tǒng)是萬能逼近器;(2)創(chuàng)造了Wang-Mendel方法,實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)中獲取模糊規(guī)則;(3)提出了一種能夠確保穩(wěn)定的自適應(yīng)模糊控制器的設(shè)計方法。1.3國內(nèi)外在模糊家電方面的狀況分析及發(fā)展展望在智能家電的研究方面,日本走在世界的前面。資料統(tǒng)計表明,當(dāng)前日本家用電器的單片機(jī)使用率在85%--94%之間,其中使用模糊控制的家電產(chǎn)品約占50%。日本甚至在幾乎所有的模糊控制應(yīng)用領(lǐng)域都在世界上領(lǐng)先。日本在九十年代初期就有模糊家電問世,而那時中國的模糊家電尚未起步?，F(xiàn)在,在家電控制器中應(yīng)用模糊控制在中國受到普遍重視。由于中國家電行業(yè)的飛速發(fā)展,模糊家電在中國大有可為。當(dāng)前看來,模糊家電的發(fā)展有三大發(fā)展動向:(1)進(jìn)一步擴(kuò)大傳感器的組合利用多個傳感器的功能組合能夠不斷改進(jìn)家電的控制技術(shù),而對多個量采樣后再進(jìn)行綜合判斷正是模糊家電之所長。(2)與AI(人工智能)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合如前所述,與AI(人工智能)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合將進(jìn)一步提高模糊家電的智能化水平。(3)模糊家電網(wǎng)絡(luò)化隨著網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)的逐步發(fā)展,未來的家用電器必將改變當(dāng)前這種單機(jī)運(yùn)作的模式,而具有與Internet網(wǎng)通信的能力。家用電器走網(wǎng)絡(luò)化的道路,這也是當(dāng)今家電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢之一。1.4主要研究內(nèi)容本課題以單片機(jī)為主要手段,以電飯煲為控制對象,將模糊控制技術(shù)應(yīng)用于電飯煲的控制當(dāng)中。由于在模糊電飯煲的開發(fā)方面,許多前輩已經(jīng)做了大量卓有成效的工作,即使在今天,模糊電飯煲在市場上也是比比皆是。本文在借鑒前人工作的基礎(chǔ)上,研制出了一種模糊電飯煲控制系統(tǒng),并重點(diǎn)研究了如下內(nèi)容:(1)在進(jìn)行大量測試及實(shí)驗(yàn)之后,提出一種新的判斷米量的方法,并取得良好的應(yīng)用效果;(2)研究了電飯煲硬件控制系統(tǒng),重點(diǎn)研究了低成本化設(shè)計方法;(3)對硬件系統(tǒng)的各單元電路設(shè)計詳細(xì)的進(jìn)行了敘述;(4)根據(jù)新的米量判斷方法,設(shè)計了相應(yīng)的軟模糊控制流程及模糊電飯煲控制軟件流程,并給出了相應(yīng)的程序源代碼。第二章智能化電飯煲的設(shè)計為了得到最佳的炊煮質(zhì)量,電飯煲炊煮過程中,需要解決的主要問題往往是確定合理的炊煮工藝流程設(shè)計方案,找到一個易于實(shí)現(xiàn)的控制方法,同時對異常處理采取的何種策略,最終實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確推算炊煮量和最佳的升溫控制過程。當(dāng)前的模糊控制電飯煲普遍采用二維控制器,雖然能夠較準(zhǔn)確的推算出米量,但由于算法復(fù)雜和存儲空間限制等原因,致使米量不能細(xì)致劃分,影響米飯的煮出效果,而且限制了其智能化功能的擴(kuò)展。2.1電飯煲工作流程設(shè)計要想做出松軟香滑的米飯,必須掌握加熱對象的性質(zhì)及詳細(xì)的加熱過程,只有這樣,才能夠?qū)⒚字胁灰兹苡谒?、難以消化的β淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡谒⒁子谙摩恋矸?。電飯煲作為加熱對?其特性的影響因素是多方面的,如結(jié)構(gòu)、材料、發(fā)熱盤的形狀、甚至是頂蓋出氣孔的大小對其吸熱散熱都有影響。當(dāng)然,在電飯煲煮飯的過程中,米量的大小對其吸熱散熱特性的影響是最大的,米量的大小甚至影響到烹調(diào)的工藝過程。換句話說,電飯煲必須對不同的米量采取相應(yīng)的不同的控制方案和工藝過程,才能達(dá)到期望中的效果。因此,在其它因素(如結(jié)構(gòu)、材料、發(fā)熱盤的形狀、頂蓋出氣孔的大小等)一定的情況下,對米量進(jìn)行模糊判斷是決定控制效果好壞的關(guān)鍵。為了選取合適的輸入量進(jìn)行米量的估算,首先必須確定電飯煲的炊煮工藝。圖2.1為最佳米飯炊制底部升溫曲線。圖中顯示出,米飯的炊制過程大致分為吸水、加熱、沸騰、燜飯和保溫五個階段。圖2.1最佳米飯炊制升溫曲線(1)吸水階段(t0一t1)吸水階段的作用是在對大米進(jìn)行加熱之前,使大米在一定的溫度下充分吸水,使大米含水率從14%上升到25%左右,以保證米粒在加熱過程中內(nèi)外均勻受熱,熱量透到大米的芯部,從而使之燒成柔軟鼓脹狀。可是,一旦水溫超過60℃,米中含有的β淀粉開始轉(zhuǎn)化為α淀粉,米將變成糊狀。因此,一般將水溫控制在60℃以下。(2)加熱階段(t1一t2)加熱升溫階段把已吸足水份的米采用大功率進(jìn)行加熱。這樣,米、水的溫度迅速升高,將較快的達(dá)到沸點(diǎn)。而且隨著水的對流,米被均勻加熱。在此階段,必須完成米量的判別工作,根據(jù)投入米量的多少以及溫度的變化來調(diào)節(jié)加熱功率。(3)沸騰階段(t2一t3)沸騰階段是促成米粒由β淀粉轉(zhuǎn)化為α淀粉的主要階段,應(yīng)保持一定的時間。沸騰階段電飯煲內(nèi)的溫度保持在100℃的水平。大米充分吸水后,鍋內(nèi)的水逐漸減少,鍋底趨于干燥,當(dāng)鍋底的水份減少到一定程度后,鍋底溫度就會迅速上升,這時沸騰過程結(jié)束。由圖2.1可見,在沸騰階段的最后部分使鍋底溫度上沖,升高到125℃左右,一般根據(jù)飯量不同,控制沸騰階段的時間和鍋底部上沖溫度也不同。(4)燜飯階段(t3一t4)燜飯階段是為了讓熱量透到米飯的芯部,使之充分受熱而內(nèi)外質(zhì)量趨于一致,也就是使米芯的淀粉α化。燜飯階段還使大米外部的水份一部分滲透入米芯,促使內(nèi)部的成熟變化,另一部分蒸發(fā)掉,這樣就使得整粒米飯內(nèi)外一致。一般燜飯之后的米飯含水率在69%左右。在燜飯階段一般可采用間歇加熱,目的是使鍋內(nèi)的溫度達(dá)到燜飯的溫度,當(dāng)達(dá)到一定的溫度時,停止加熱或小功率加熱,由飯鍋利用余熱對米飯進(jìn)行熱燜,燜飯結(jié)束后,米飯將完全成熟,無論硬度或黏度都會令人滿意。(5)保溫階段(大于t4)保溫階段可使米飯維持在70℃左右等待食用。日常使用的機(jī)械式電飯煲,利用磁鋼受熱后磁性減弱來控制加熱絲的通斷。電源一旦接通,就持續(xù)加熱。達(dá)到最高溫度后,開關(guān)自動斷開,結(jié)束煮飯。這種電飯煲無法實(shí)現(xiàn)吸水和保溫過程,因而不可能實(shí)現(xiàn)圖2.1所示的煮飯過程,使得米飯的口感和質(zhì)量較差,也無法實(shí)現(xiàn)和用戶之間的交互以完成各種附加功能。普通電腦式電飯煲,一般都能夠?qū)崿F(xiàn)上述工藝曲線。但也存在不少質(zhì)量問題:例如,在低電壓下,煮飯米多時,表面夾生;在高電壓下,底部燒焦現(xiàn)象比較嚴(yán)重,且快速煮飯時有米湯溢出情況;煮粥過程中,由于擔(dān)心沸騰后米湯溢出,普遍保守地采用過小的火力煮粥,在水多時,造成粥始終不沸騰,或沸騰時間極短,煮成清水粥;和用戶的交互性差,實(shí)現(xiàn)的功能少,使用時不方便;還有就是不能區(qū)分米種,由于各個米種在吸水性等指標(biāo)上的區(qū)別,若統(tǒng)一用一個固定的加熱火力來進(jìn)行,同樣會造成米飯夾生、燒焦,甚至根本無法煮熟(例如什錦米)。主要解決的方法是增加內(nèi)鍋厚度和采用三維立體加熱模式,這都會使米飯的加熱更加均勻,避免燒焦和夾生等情況的發(fā)生。另外,基于專家經(jīng)驗(yàn),采用模糊控制算法準(zhǔn)確的判斷炊煮的米量,找出在炊煮過程中出現(xiàn)的異常問題的處理對策,針對不同的米種會實(shí)施不同的加熱火力,都是解決上述問題的關(guān)鍵。圖2.2是一種國外三維立體加熱式電飯煲的煮飯過程頂?shù)诇囟惹€,圖2.3是它的煲粥、煲湯、蒸煮過程頂?shù)诇囟惹€。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),由于它的內(nèi)鍋較厚而且采用三維立體式加熱,因此在煮飯和煲粥的過程中火力比較均勻,煮出的米飯和粥口感較好,而且未出現(xiàn)燒焦、夾生等情況。在程序中使用模糊控制算法,即所謂的”模糊控制電飯煲”與普通電腦式電飯煲不同之處在于控制中運(yùn)用了模糊控制技術(shù)。傳統(tǒng)控制方式中,控制效果的好壞取決于是否知道受控對象的精確數(shù)學(xué)模型,而在電飯煲的控制中,隨著烹煮的米量和水量的不同,受控對象的數(shù)學(xué)模型變化是很大的。初始水溫、環(huán)境溫度和電飯煲頂蓋的密封程度等參數(shù)對控制效果也有較大影響,很難用一個精確的數(shù)學(xué)模型來描述受控對象。另外,煮飯工藝曲線的各個過程,控制目標(biāo)也不相同,這是傳統(tǒng)控制方法用于煮飯和煮粥等功能的困難之處。特別是在煮粥的過程中,由于米量和水量的不同和半導(dǎo)體熱敏電阻的誤差,當(dāng)鍋內(nèi)水沸騰時,鍋底溫度的差異可能達(dá)到10℃左右。而火力稍大一點(diǎn),要溢出;火力小一點(diǎn),水不開鍋。要在煮粥的lh~6h之內(nèi),保持最短約40min的沸騰狀態(tài)而不溢出,是一件相當(dāng)困難的事情。因此,即使是已經(jīng)采用模糊邏輯控制的電飯煲,如果不對模糊控制策略和規(guī)則進(jìn)行精心調(diào)整,也難于達(dá)到滿意的控制效果。圖2.2三維立體加熱式電飯煲的煮飯?zhí)匦詧D圖2.3三維立體加熱式電飯煲的煲粥、煲湯、蒸煮特性圖電飯煲的炊煮流程和模糊控制策略是密切相關(guān)的,在設(shè)計炊煮流程的過程中要考慮模糊控制策略。不但如此,由于電飯煲是一個家庭日用品,因此要考慮到各種異常情況的發(fā)生,炊煮流程中要有這些異常情況的對策。經(jīng)過對各種電腦式電飯煲進(jìn)行測量分析,結(jié)合己有的一些經(jīng)驗(yàn),本著控制算法易于在程序中實(shí)現(xiàn)的原則,針對炊煮模式,確定出炊煮流程如圖2.4所示。圖2.4電飯煲煮飯流程圖在此流程中有以下異常情況的對策:(1)用熱水煮飯,即”熱水冷鍋”(2)做完飯后,又馬上做第二鍋飯,即”熱鍋冷水”(3)加熱盤上有米(4)做飯過程中開頂蓋(5)水量過多(6)水燒干在本流程中,相對于傳統(tǒng)的炊煮流程增加了等待階段,目的是對開始煮飯時電飯煲的初始狀態(tài)進(jìn)行判定。開始煮飯時水和鍋的狀態(tài)并不一定是一致的,有可能是”熱鍋冷水”,或是”熱水冷鍋”。這一階段就是采用計時等待的辦法,等待大約3min的時間,使鍋和水的狀態(tài)達(dá)到一致,以便對初始的煮飯狀態(tài)做出準(zhǔn)確的判斷。若3min后,不滿足等待階段跳轉(zhuǎn)條件,則可斷定是”熱水冷鍋”,直接跳入加熱階段,禁止米量的判定。若是在3min之內(nèi),滿足跳轉(zhuǎn)條件,則能夠認(rèn)定為”熱鍋冷水”或是”冷水冷鍋”。能夠把傳統(tǒng)流程的吸水階段細(xì)化為三個階段。預(yù)熱階段1是全速加熱,使加熱對象快速進(jìn)入吸水狀態(tài),從而縮短總體煮飯時間。預(yù)熱階段2是使加熱對象進(jìn)入吸水階段時的慣性小一些,便于恒定溫度控制。在吸水階段,主要是進(jìn)行恒溫控制。不同的米種在吸水階段的吸水時間和吸水溫度是不同的,這主要取決于米種的吸水特性。一般說來,米種的吸水特性越好,它的所需吸水時間越短,吸水溫度越低。不同的煮飯模式在吸水階段的吸水時間和吸水溫度也是不同的,這主要取決于各種功能下加熱模式對米種含水量的要求,具體的吸水參數(shù)如表2.1所示。表2.1吸水時間和溫度特性表在加熱階段要完成米量的判斷工作,由于采用到達(dá)頂部某一溫度所需時間來判斷米量,因此在加熱階段前頂部加熱器一直是關(guān)閉的。當(dāng)加熱盤上有米粒時,內(nèi)鍋的鍋底和底部加熱盤之間不完全接觸,加熱盤的熱量沒有被內(nèi)鍋很好的吸收,造成熱量的大量集聚,這就使得底部傳感器的溫度迅速升高,造成異常。當(dāng)?shù)撞繙囟却笥赥3時,進(jìn)入異常模式,禁止米量的判斷,4min后緩和進(jìn)入沸騰狀態(tài)。若在煮飯的過程中頂蓋處于未關(guān)合狀態(tài),此時鍋內(nèi)的蒸汽不會影響頂部傳感器的溫度,頂部永遠(yuǎn)不會達(dá)到T2溫度,這樣經(jīng)過21min后,禁止米量判斷,進(jìn)入沸騰狀態(tài)。沸騰階段的主要作用是完成鍋內(nèi)剩余水份的吸收。不同的米量,不同的米種以及不同的煮飯模式要采用不同的加熱功率。對于加熱階段中禁止米量判斷的情況,能夠默認(rèn)為它的米量為”較大”,這樣在沸騰中會采取一種比較溫和的方式進(jìn)行加熱,來保證米飯的質(zhì)量。對于什錦米,它的沸騰維持階段較為復(fù)雜一些,因?yàn)樗切∶住⒀帑?、黑米、糙米、高粱米、珍珠米、小麥等米種的組合,而以上這些米的吸水特性都很差。如果進(jìn)入沸騰階段之后立即開始對其進(jìn)行加熱,由于它的吸水不夠充分,鍋內(nèi)溫度會升高很快,當(dāng)鍋底溫度大于T3時,進(jìn)入燜飯階段。它的沸騰維持是不充分的,往往會造成米飯夾生,或者根本未被煮熟。因此,什錦米沸騰維持要分若干個階段,本著邊吸水邊沸騰的原則,才能使米飯煮出的效果較好。從什錦米的煮出效果來看,沸騰維持階段對其的影響是最大的。還有一點(diǎn)需要說明的是,如果在初始煮飯時刻水量添加過多,在沸騰維持階段有可能很長時間內(nèi)都無法將鍋內(nèi)剩余水份吸收,這樣25min過后,會進(jìn)入附加沸騰維持階段,直至鍋內(nèi)的水份被完全的吸收。為了避免這種情況多次發(fā)生,要進(jìn)行米水配比實(shí)驗(yàn),定出最佳水位線。燜飯分3個階段,根據(jù)米量、米種、煮飯模式的不同,各個階段的時間和加熱功率都是不同的,燜飯時間結(jié)束后進(jìn)入保溫狀態(tài)。在沸騰、燜飯及保溫階段,要采用統(tǒng)一的上蓋控制,防止鍋內(nèi)的水蒸汽在鍋頂蓋凝結(jié)成水。在所有以上流程中,都有水燒干的防護(hù)措施。一旦水燒干,鍋底溫度迅速升高,電飯煲會進(jìn)行報警和自動斷電,以免發(fā)生危險。2.2電飯煲模糊控制器設(shè)計模糊控制器的設(shè)計方法能夠分為兩類:試錯法(Trial-and-errorApproach)和理論法(TheoreticalApproach)。在試錯法中,首要任務(wù)是建立一個模糊IF-THEN規(guī)則集合,規(guī)則能夠經(jīng)過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)知識而得到,也能夠經(jīng)過精心組織的問卷向領(lǐng)域內(nèi)專家請教而得到;然后,基于這些模糊IF-THEN規(guī)則建立模糊控制器;最后,在實(shí)際系統(tǒng)中檢驗(yàn)?zāi)：刂破?如果性能指標(biāo)不滿意,則對上述規(guī)則進(jìn)行細(xì)微調(diào)整或經(jīng)過重復(fù)用試錯法進(jìn)行再設(shè)計,直至效果達(dá)到指標(biāo)要求為止。用理論法進(jìn)行設(shè)計,模糊控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)是以保證某一性能標(biāo)準(zhǔn)為設(shè)計原則的。本文所采用的模糊控制器的設(shè)計方法為試錯法。其設(shè)計方法能夠概括為以下三步:(1)分析實(shí)際系統(tǒng)并選擇狀態(tài)變量和控制變量。狀態(tài)變量應(yīng)能描述系統(tǒng)關(guān)鍵特性,控制變量應(yīng)該能夠影響系統(tǒng)的狀態(tài).狀態(tài)變量是模糊系統(tǒng)的輸入,控制變量是模糊系統(tǒng)的輸出。(2)推演連接狀態(tài)變量與控制變量的模糊規(guī)則。(3)將推演出的模糊IF-THEN規(guī)則組合成模糊系統(tǒng),并檢驗(yàn)此模糊系統(tǒng)作為控制器的閉環(huán)系統(tǒng)。機(jī)試運(yùn)行帶有模糊控制器的閉環(huán)系統(tǒng),如果不滿意其性能指標(biāo),則對其進(jìn)行微調(diào)或再設(shè)計,并重復(fù)此過程,直至效果滿意為止。2.2.1模糊控制的基本思想模糊控制是一種計算機(jī)數(shù)字控制,因此其控制系統(tǒng)框架同一般的數(shù)字控制系統(tǒng)一樣,只不過它的控制器是模糊控制器。模糊控制器的控制規(guī)律由程序?qū)崿F(xiàn),在實(shí)現(xiàn)的過程中要經(jīng)過以下三個步驟:輸入量的模糊化、模糊推理和輸出量的解模糊。在模糊控制過程中,將測到的過程精確量轉(zhuǎn)化為模糊量,再經(jīng)過根據(jù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成的若干模糊規(guī)則和必要的模糊處理后,模糊判斷系統(tǒng)根據(jù)輸入的模糊信息按照控制規(guī)則和推理法則,做出模糊決策,然后輸出解模糊后的控制量并作用于執(zhí)行系統(tǒng),完成控制動作,且這種動作是以精確量表現(xiàn)出來的。(1)模糊化模糊化是將模糊控制器輸入量的確切值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模糊語言變量值的過程,此相應(yīng)語言變量值均由對應(yīng)的隸屬度來定義。在實(shí)際應(yīng)用中,常常選擇三角形作為語言變量的隸屬度曲線。在模糊化的過程中,一般利用最大隸屬度原則,即在語言集中選擇該元素對應(yīng)的隸屬度最大的語言變量,作為該項(xiàng)確切值的模糊子集。(2)模糊推理模糊推理包括三個組成部分:大前提、小前提和結(jié)論。大前提是多個模糊條件語句,構(gòu)成規(guī)則庫;小前提是一個模糊判斷句,又稱事實(shí)。模糊推理就是以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù),基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程。(3)解模糊解模糊是將模糊推理后得到的模糊集轉(zhuǎn)換為用作控制的數(shù)字值的過程。它的目標(biāo)是產(chǎn)生確切的控制動作,應(yīng)該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動作分配的可能性。常見的方法有最大隸屬度法、加權(quán)平均法和重心法。當(dāng)前,實(shí)用模糊邏輯控制常見的方法有查表法和軟件模糊推理等。查表法是將輸入的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則和輸出隸屬度函數(shù)都用表格來表示,從輸入量的模糊化、模糊推理和模糊判決都經(jīng)過查表來實(shí)現(xiàn)。軟件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判決三個過程都用軟件來實(shí)現(xiàn)。對于本文研究的米量和加熱功率模糊推理機(jī)來說,其推理過程是開環(huán)的,模糊推理機(jī)只包含輸入量的模糊化、利用規(guī)則的模糊推理及輸出量的解模糊,隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則能夠用表格來表示,模糊推理機(jī)的最終輸出量為具體米量的值和加熱功率的值。2.2.2炊飯量的模糊推理因?yàn)橛绊懘讹埩繖z測的因素眾多,因此不能采用稱重傳感器或其它直接側(cè)量的方法,而只能用溫度傳感器測出飯溫信號,利用模糊推理,組成測定飯量的軟傳感器,最后經(jīng)過模糊決策來判斷米量的值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和分析,發(fā)現(xiàn)幾種有代表性的電飯煲均在預(yù)熱段進(jìn)行米量推理過程。可是,若在預(yù)熱段對米量進(jìn)行推理,會受到初始水溫和環(huán)境溫度的嚴(yán)重影響,而難以得到準(zhǔn)確的判斷。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)米水經(jīng)過吸水階段之后,鍋內(nèi)溫度處于60℃左右,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行加熱和推理,能排除初始水溫不一致的影響,因此,控制器采用在加熱階段來進(jìn)行米量的推理是更為可行的選擇方案。圖2.6是在室溫20℃下,采用DUT4000溫度采集模塊測量的電飯煲樣品用標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式炊煮3杯和10杯大米的溫度曲線圖,其中3杯、10杯表示米量的大小(每杯大米O.15Kg),a是3杯米底部溫度曲線,b是10杯米底部溫度曲線,c是3杯米頂部溫度曲線,d是10杯米頂部溫度曲線。由圖2.6可見,不同米量下的底部溫度從60℃上升到100℃的時間差別并不是很大;從底部溫度60℃加熱到頂部溫度60℃在不同米量下的時間差別卻很顯著。當(dāng)米量少3杯時,底部加熱產(chǎn)生的熱量很容易從底部滲透到液面的頂部,產(chǎn)生對流,底部溫度到達(dá)100℃時頂部溫度為400C;反之,當(dāng)米量很大10杯時,熱量很難從底部滲透到液面的頂部,底部溫度到達(dá)100℃時頂部溫度僅為300C。從圖2.6中還能夠發(fā)現(xiàn),當(dāng)頂部溫度在40℃到80℃之間的線性度比較好,而這個階段對應(yīng)著加熱階段的主上升期,因此,在加熱階段的主上升期來進(jìn)行米量判斷是一個最為合適的選擇。從理論上來說,模糊控制器的維數(shù)越高,控制越精細(xì)。可是維數(shù)過高,模糊控制的規(guī)則將變得過于復(fù)雜,控制算法的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)困難。因此,在電飯煲中普遍采用二維模糊控制器,能較準(zhǔn)確的判斷出米量。這種控制器的輸入變量往往選用鍋底部溫差、鍋底溫差變化率或者頂蓋溫度、頂蓋溫度增量。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),如果等待階段中,在頂蓋溫度和初始水溫異常時禁止米量判斷,那么單純的選取進(jìn)入加熱階段開始到頂部溫度達(dá)到一固定溫度T2(400C<T2<8000C)的時間差作為判斷量,一樣能夠取得滿意的效果。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),在進(jìn)入加熱階段時,由于吸水階段溫度的波動,可能導(dǎo)致進(jìn)入加熱階段時底部溫度不一致,這會增加米量的判斷誤差,因此,能夠采用當(dāng)?shù)撞繙囟冗_(dá)到一致時再進(jìn)行米量判斷的計時。米量判斷的這種方案,簡化了控制算法,易于在程序中實(shí)現(xiàn),經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)證明,推算的米量偏差在0.5杯米之內(nèi),同樣達(dá)到了二維控制器的控制效果,下面將講述其具體推理過程。(1)輸入輸出變量的模糊化經(jīng)過上述對電飯煲炊飯過程的機(jī)理分析可知,在加熱階段電飯煲底部溫度相同時,取頂部一個適當(dāng)?shù)墓潭ǖ臏囟萒2,不同的米量加熱到電飯煲頂部達(dá)到這個溫度T2的時間Trx是不同的。這樣,米量模糊控制器就能夠看成輸入量為時間Trx,輸出量為米量的一維模糊控制器。在采用CRI推理方法時,若連續(xù)域圖2.6實(shí)驗(yàn)用樣品3,10杯大米溫度曲線圖的范圍是XL表示下限值,XH表示上限值。量化因子可表示為:(2-1)對于X論域的清晰量a,對應(yīng)離散論域中的元素b為:(2-2)經(jīng)過這樣的量化,就轉(zhuǎn)換成離散論域N={-n,-n+1,…,-1,0,1,…n-1,n}這樣,就能夠在離散論域中對語言變量進(jìn)行分檔,每一檔成為語言變量的語言值,這些語言變量值能夠用圖或表來表示。輸入變量的模糊化,n=9,則N={-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9},構(gòu)成含19個整數(shù)元素的離散集合。設(shè)當(dāng)鍋底溫度一致時,達(dá)到頂部溫度T2所用時間T,}的論域?yàn)閇420s,840s],則量化因子:(2-3)定義:”非常小(ES)”、”很小(VS)”、”小(S)”、”較小(OS)”、”較大(OB)”、”大(B)”、”很大(VB)”、”非常大(EB)”為Q的語言值。Trx和Q的隸屬度u的曲線如圖2.7所示:圖2.7輸入變量大二和輸出變量口的隸屬度曲線在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),中間米量(2.5杯一5.0杯)對沸騰階段的加熱功率最為敏感,因此在設(shè)定米量Q的語言值時,需要在中間米量劃分的較為精細(xì)。(2)模糊控制規(guī)則構(gòu)成米量的模糊推理是在加熱階段主上升期進(jìn)行的。能夠在鍋底溫度達(dá)到60℃時開始計時,當(dāng)鍋頂溫度達(dá)到T2時停止計時,這個時間就是Trx,而后經(jīng)過應(yīng)用模糊推理判斷出鍋內(nèi)米量。模糊推理的規(guī)則,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和對系統(tǒng)的觀察測量數(shù)據(jù)生成。由于所設(shè)計電飯煲在炊煮時有標(biāo)準(zhǔn)、精煮、少量米、高速、稍硬等9種工作模式,而且操作的米種還有5種不同的選擇,模糊規(guī)則生成時要考慮不同模式、不同米種、不同水量、不同米量、不同電源電壓等因素,編程階段中程序存在的任何隱患和錯誤以及電飯煲模具結(jié)構(gòu)上的問題也會造成大量的重復(fù)實(shí)驗(yàn),因此,規(guī)則的生成所需實(shí)驗(yàn)周期很長。在這里,給出4種米(不包含什錦米)標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式和大米8種煮飯模式(不包含少量米模式)的米量推理規(guī)則,見表2.2。模糊控制規(guī)則表能夠由模糊控制規(guī)則直接導(dǎo)出,這里不再另行列出。2.2.3加熱功率的模糊控制模糊控制電飯煲加熱控制是逼近最佳加熱曲線進(jìn)行的,在沸騰階段的加熱功率Pw直接影響著米飯的質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中,利用加熱時間占空比參數(shù)Tp來替代Pw。經(jīng)過改變Tp,可改變熱元件上的有效電壓Ue,從而改變熱元件的加熱功率Pw。這里取32s為一個周期(在小段時間內(nèi)能夠取16s為一個周期),經(jīng)過調(diào)節(jié)這32s中主輔加熱器的通斷來控制電飯煲加熱的功率Pw。綜上所述,在沸騰階段,不同的米量要采用不同的底部Pw,這是建立以米量Q為輸入,底部Tp為輸出,實(shí)現(xiàn)對Pw控制的一維模糊推理過程原因所在。表2.2各種米標(biāo)準(zhǔn)煮飯模式及大米各種煮飯模式控制規(guī)則在保證能夠?qū)崿F(xiàn)最佳加熱曲線的前提下,以簡化算法,易于實(shí)現(xiàn)為原則,能夠設(shè)計一個一維的模糊控制器,其輸入是米水總量Q,輸出為底部加熱器的TP。根據(jù)Q的模糊化,將輸出變量的隸屬度函數(shù)。定義為單點(diǎn),底部加熱器Tp的單點(diǎn)隸屬度函數(shù)如圖2.8所示。圖2.8輸出變量的單點(diǎn)隸屬度函數(shù)曲線第三章電飯煲控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計前兩章給出了電飯煲的炊煮工藝流程和模糊控制器的設(shè)計,這一章將重點(diǎn)闡述電飯煲控制系統(tǒng)的的硬件實(shí)現(xiàn)。由于電飯煲屬于一種家電產(chǎn)品,因此,在硬件實(shí)現(xiàn)時要充分考慮到成本、易用性等因素。3.1電飯煲硬件系統(tǒng)構(gòu)成電飯煲工作原理如圖3.1所示。上電后,系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),此時系統(tǒng)可接受用戶的功能選擇,用戶所選功能經(jīng)過顯示電路顯示出來,當(dāng)用戶按下相應(yīng)按鍵時,MCU能夠?qū)囟冗M(jìn)行檢測,對各種功能進(jìn)行相應(yīng)的加熱控制。各種功能結(jié)束時,會發(fā)出相應(yīng)的報警提示。具體電路原理框圖如圖3.1所示:過零檢測電路過零檢測電路時鐘與復(fù)位電路電源供電電路聲音報警電路顯示及按鍵電路加熱執(zhí)行電路MCU測溫電路圖3.1電飯煲硬件原理圖HT46R47/HT46C47是8位高性能、高效益的RISC結(jié)構(gòu)單片機(jī),用于直接處理模擬信號,例如直接連接傳感器。該系列單片機(jī)包含一個集成的多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器,以及一個或多個脈沖寬度調(diào)制輸出。同時也增強(qiáng)了單片機(jī)的其它內(nèi)部特性,如暫停、喚醒功能、振蕩器選擇和可編程分頻器等,增加了單片機(jī)的使用靈活度,而這些特性也同時保證實(shí)際應(yīng)用時只需要最少的外部器件,進(jìn)而降低了整個產(chǎn)品的成本。有了集成的A/D和PWM功能的優(yōu)勢,再加上低功耗、高性能、靈活控制的輸入/輸出和低成本等特性,此系列單片機(jī)廣泛被應(yīng)用在傳感器信號處理、馬達(dá)驅(qū)動、工業(yè)控制、消費(fèi)性產(chǎn)品和子系統(tǒng)控制器等場合。HT46R47屬于一次可編程(One-TimeProgrammable,OTP)單片機(jī),當(dāng)配合使用盛群半導(dǎo)體的程序開發(fā)工具時,可簡單有效的更新程序,這提供了設(shè)計者快速有效的開發(fā)途徑。3.2HT46R47單片機(jī)介紹3.2.1HT46R47引腳配置圖HT46R47引腳配置圖如圖3.2所示:圖3.2HT46R47引腳配置圖3.2.2HT46R47/HT46C47主要特性(一)技術(shù)特性:高性能RISC結(jié)構(gòu)低功率完全靜態(tài)CMOS設(shè)計工作電壓:在4MHz下,由2.2V到5.5V在8MHz下,由3.3V到5.5V功率損耗:在5V/4MHz下,典型值為2mA(針對ADC除能時的晶體振蕩器)不使用看門狗定時器時,3V下靜態(tài)(standby)電流小于1μA溫度范圍:工作溫度.40°C到85°C(工業(yè)級規(guī)格)儲存溫度.50°C到125°C(二)內(nèi)核特性程序存儲器2K×14OTP/MaskROM數(shù)據(jù)存儲器64×8SRAM表格讀取功能多層硬件堆棧6-level直接和間接數(shù)據(jù)尋址模式位操作指令63條強(qiáng)大的指令大多數(shù)指令執(zhí)行時間只需要一個指令周期(三)周邊特性13個具有上拉功能的雙向輸入輸出口9位多通道A/D轉(zhuǎn)換器脈沖寬度調(diào)制輸出PA端口具有喚醒功能外部中斷輸入事件計數(shù)輸入具有預(yù)分頻器(Prescaler)及中斷功能的定時器看門狗定時器(WDT)暫停與喚醒特性能夠節(jié)省功耗PFD輸出芯片內(nèi)置晶體及電阻電容振蕩器具有低電壓復(fù)位(LVR)特性具有燒錄電路接口及程序代碼保護(hù)功能掩膜版單片機(jī)適用于大量生產(chǎn)提供高效的軟硬支持工具3.2.3HT46R47/HT46C47引腳說明表3-1HT46R47/HT46C47引腳說明引腳名稱I/O掩膜選項(xiàng)說明PA0~PA2PA3/PFDPA4/TMRPA5/PA6~PA7I/OPull-highWake-upPA3orPFD8位雙向輸入/輸出口,每個位可由掩膜選項(xiàng)設(shè)置成喚醒輸入。軟件指令決定引腳是CMOS輸出或斯密特觸發(fā)器輸入掩膜選項(xiàng)決定端口上哪個位帶上拉電阻。PA3、PA4和PA5分別與PFD、TMR和引腳共用。PB0/AN0PB1/AN1PB2/AN2PB3/AN3I/OPull-high4位雙向輸入/輸出口。軟件指令決定引腳是CMOS輸出或斯密特觸發(fā)器輸入。掩膜選項(xiàng)決定端口上哪個位帶上拉電阻。PB和A/D輸入引腳共用。A/D輸入經(jīng)過軟件指令選擇,一但被選擇作為A/D輸入,I/O功能和上拉電阻功能將自動無效。PD0/PWMI/OPull-highI/OorPWM1位雙向輸入/輸出口。軟件指令決定引腳是CMOS輸出或斯密特觸發(fā)器輸入。掩膜選項(xiàng)決定此引腳是否帶上拉電阻經(jīng)過掩膜選項(xiàng)選擇PWM輸出,PWM輸出與PD0引腳共用。OSC1OSC2I/OCrystalorRCOSC1、OSC2連接外部RC電路或晶體振蕩器(由掩膜選項(xiàng)決定)作為內(nèi)部系統(tǒng)時鐘。在RC模式下,OSC2的輸出端信號是系統(tǒng)時鐘四分頻。I/O斯密特觸發(fā)器復(fù)位輸入。低電平有效。VDD正電源供應(yīng)VSS負(fù)電源供應(yīng),接地。3.3電飯煲各部分硬件電路設(shè)計(1)電源/電池供電電路電源/電池供電電路如圖3.3所示。帶中心抽頭的變壓器和整流二極管D4,D5構(gòu)成了全波整流電路,C3和C4為濾波電容。當(dāng)交流電源供電時,經(jīng)過對分流電阻R2和限流電阻R3的適當(dāng)取值,使三級管Ql飽和導(dǎo)通,這樣使VDD接V1。而VDD經(jīng)過負(fù)載作用于Q2的發(fā)射極,經(jīng)過估算知,Q2處于放大狀態(tài),VDD比Q2發(fā)射極電壓高出約3V,Q2的發(fā)射極構(gòu)成了數(shù)字地。二極管D6處于截止?fàn)顟B(tài),電池電路斷路。當(dāng)電源掉電,電池供電時,Q1和Q2都截止,D6導(dǎo)通,VDD對數(shù)字地約等于電池電壓3.5V,此時V1懸空。圖中有兩個保險絲,一個是限流保險絲,另一個是熱保險絲。當(dāng)鍋底溫度過高時,熱保險絲會自動熔斷,起保護(hù)作用。圖3.3電源供電原理圖(2)時鐘與復(fù)位電路系統(tǒng)采用4MHz晶振作為系統(tǒng)時鐘振蕩器,復(fù)位電路由C1和C2還有電阻R構(gòu)成RC電路.圖3.4時鐘與復(fù)位電路圖(3)聲音報警電路聲音報警采用蜂鳴器,報警頻率由MCU的PA3輸出進(jìn)行控制,經(jīng)過設(shè)置定時/計數(shù)器0中的TMROL,TMROH,TMROC,PFD在PA3以頻率f輸出,f可由下式得出:(3-1)公式3-1中,fPFD為系統(tǒng)時鐘。能夠經(jīng)過調(diào)節(jié)計數(shù)初值而得到不同頻率的聲音,系統(tǒng)中分為音樂聲音和報警聲音兩類。(4)測溫電路測溫元件是準(zhǔn)確檢測溫度的關(guān)鍵,采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻PXN-51E。電飯煲中有頂部和底部兩路溫度檢測,能夠隨時監(jiān)測頂部和底部的溫度。溫度檢測模塊將溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓變化,經(jīng)單片機(jī)PB0-PB1引腳輸入,經(jīng)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù),單片機(jī)根據(jù)鍋底溫度,采用模糊推理對鍋內(nèi)飯量進(jìn)行模糊識別,并根據(jù)不同的米量選擇炊煮選項(xiàng),執(zhí)行相應(yīng)的加熱控制程序。電路圖如下圖所示:圖3.5測溫電路(5)加熱執(zhí)行電路為了更加均勻的加熱,電飯煲中安裝了3個加熱器:頂部加熱器、底部加熱器、側(cè)面加熱器。其中底部加熱器為主加熱器,由一個繼電器控制。頂部和側(cè)面加熱器為輔加熱器,由另外兩個繼電器控制。三個繼電器分別由單片機(jī)的PA0-PA2來進(jìn)行控制。圖3.6加熱執(zhí)行電路(6)顯示/按鍵電路顯示電路:顯示電路由R17~R20、LED1~LED10、Q1~Q3、R3~R5、DS1~DDS2等組成。用來指示設(shè)定的工作模式(選中時長亮,運(yùn)行時閃亮),DS1~DDS2運(yùn)行時顯示計時,定時狀態(tài)顯示剩余時間;LED1~LED10用來作為顯示電飯煲各種功能的。單片機(jī)的輸出引腳PD0、PA7經(jīng)過74LS164芯片用于控制二個7段數(shù)碼管得顯示字型,輸出引腳PB3、PA4、PA6用于提供二個數(shù)碼管的位選信號和控制10個發(fā)光二極管的亮/滅。圖3.7顯示電路按鍵輸入電路:按鍵輸入電路由SW1~SW5及R1~R2、R15、R16等組成。按下不同的鍵,U1的(6)腳接入的分壓電阻不同,輸入電壓也不同,U1根據(jù)(6)腳輸入的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,確定所按的鍵,并執(zhí)行相應(yīng)的指令。各鍵功能如下:SW1(WARM)為保溫模式選擇;SW2(SELECT)為模式設(shè)定鍵,可進(jìn)入炊煮菜單及定時時間調(diào)整狀態(tài),在各種功能之間進(jìn)行循環(huán);SW3(TIME+)用來增加預(yù)置的定時時間;SW4(TIME-)用來減少預(yù)置的定時時間;SW5(START)用于啟動或終止設(shè)置的模式選項(xiàng)。圖3.8按鍵電路(7)過零檢測電路過零檢測電路:過零檢測電路由Q4、R5~R7、C8、C9等組成過零檢測信號取自交流降壓后的全波整流電路,市電以10ms為周期的過零信號加在Q4的基極,當(dāng)輸入電壓高于0.7V時,Q4導(dǎo)通,的腳變低平,輸入電壓低于0.7V時,Q4截止,的腳為高電平,中斷有效,即每10ms單片機(jī)產(chǎn)生一次外中斷,保證了系統(tǒng)計時的準(zhǔn)確性,在用可控硅進(jìn)行溫度控制時,可保證可控過零觸發(fā)。圖3.6過零比較電路

第四章電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1模糊電飯煲控制系統(tǒng)軟件設(shè)計模糊電飯煲控制系統(tǒng)的軟件框圖如圖4.1所示。在程序中,為了節(jié)省空間,提高運(yùn)行效率,編制了大量的子程序,共分為9類,分別是顯示子函數(shù)、定時器子函數(shù)、A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)、加熱器控制輸出子函數(shù)、LED控制輸出/閃爍子函數(shù)、鍵盤檢測子函數(shù)、蜂鳴器鳴叫子函數(shù)、米飯控制子函數(shù)、其它子函數(shù)。按鍵檢測部分檢測用戶輸入的鍵值,并分析該鍵值是否為有效鍵,如是,則執(zhí)行相應(yīng)的按鍵子程序;A/D采樣及分析部分采集溫度信號,以備后續(xù)程序確定系統(tǒng)當(dāng)前應(yīng)該處于何種工作狀態(tài),如果采集到的A/D信號有誤,則執(zhí)行相應(yīng)的報警程序并返回待機(jī)狀態(tài);接下來程序分析當(dāng)前正在執(zhí)行何種功能程序并執(zhí)行之;輸出控制部分受控于功能子程序,顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)并決定當(dāng)前繼電器是否工作等。圖4.1模糊電飯煲控制軟件流程圖4.2模糊電飯煲模糊控制軟件設(shè)計模糊控制的軟件流程如圖4.2所示。(a)模糊測米量(b)模糊測沸騰(c)模糊功率控制單元圖4.2模糊控制軟件流程圖在圖4.2中,t1,t2,t3,t01,t02是時間參數(shù),要根據(jù)電飯鍋的不同功率進(jìn)行設(shè)定,其中t01<t02。在典型的750W電飯鍋應(yīng)用中取值如下:t1=2min,t2=30s,t3=5min,

t01=4min,t02=8min主要步驟說明如下:(1)通電加熱后,采用全功率加熱至60度,進(jìn)人(a)。(2)(a)階段:記錄加熱電飯鍋膽從60-70度所需時間t,t是與鍋內(nèi)米和水的質(zhì)量成正比的;(3)(b)階段:以t1為時間單位,測量起止溫度T1,T2當(dāng)T1＝T2時為沸騰狀態(tài);(4)(c)階段:根據(jù)(a)測米量所得到的時間t,和設(shè)定的參數(shù)t01,t02做比較,選擇適當(dāng)?shù)募訜峁β蔬M(jìn)行加熱;(5)以t2為時間單位,測量起止溫度T1,T2,當(dāng)T1＝T2時為水干狀態(tài),停止加熱;(6)用余熱加熱米飯t3,時間,最后飯熟報警提示。由于電飯鍋采用了模糊邏輯控制,模仿人的思維方式,又結(jié)合準(zhǔn)確的條件判斷,使這種電飯鍋即使在不同的海撥高度(有不同的沸點(diǎn)),也能準(zhǔn)確地檢測到電飯煲內(nèi)水的沸騰,能做到永不溢出;由于采用模糊邏輯,能準(zhǔn)確檢測到電飯煲內(nèi)的水是否已燒干,準(zhǔn)確地切斷加熱的電源,使得煮出的米飯松軟、不燒焦。在模糊邏輯的基礎(chǔ)上,再加上時間控制,就使這種模糊控制電飯煲具有的預(yù)約定時煮飯、煲湯、煲粥等功能。另外這種電飯鍋電路設(shè)計精簡可靠,所有控制電路硬件成本只需十多元。當(dāng)前,我們設(shè)計的這種控制電路已被許多廠家采用,并進(jìn)行了大批量的生產(chǎn)。這種單片機(jī)模糊控制技術(shù)在電飯煲中的廣泛應(yīng)用,對改進(jìn)人們的生活,將會有深遠(yuǎn)的影響。

結(jié)論本課題在研究了模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計方法并熟悉了電飯煲這一模糊對象的基礎(chǔ)上,詳細(xì)討論了一種模糊電飯煲控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。由于在此模糊控制系統(tǒng)中,其控制指標(biāo)同樣是模糊的,而實(shí)際控制系統(tǒng)效果的好壞,直接取決于在煮飯過程中對其米量判斷是否正確。本文建立了一種二維的模糊推理機(jī)進(jìn)行米量的判斷,詳細(xì)論述了該推理機(jī)的工作原理及推理過程。同時針對模糊電飯煲控制系統(tǒng)設(shè)計過程中參數(shù)整定問題的復(fù)雜性,設(shè)計了一種利用工程師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的專家系統(tǒng)。1、本文的主要研究成果(1)設(shè)計一種二維模糊推理機(jī)進(jìn)行米量的判斷,并采用適當(dāng)?shù)墓ぞ哂嬎愠銎渫评斫Y(jié)果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此種二維模糊推理機(jī)的判斷方法是準(zhǔn)確有效的。(2)研究了模糊電飯煲控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及其工作原理,在保證系統(tǒng)正常運(yùn)作的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)研究了硬件的低成本化設(shè)計方法。(3)研究了模糊電飯煲控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu),真正建立了一種適合電飯煲模糊控制系統(tǒng)的程序流程,實(shí)現(xiàn)了米量的正確判斷。(4)在前述工作的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了其硬件設(shè)計,軟件編程調(diào)試。2、本文的創(chuàng)新之處采用二維模糊推理機(jī)進(jìn)行米量的推理,選用底部溫度達(dá)到100℃時的頂部溫度的值Tbot100和底部從50℃上升到100℃的時間長度t100作為模糊推理機(jī)的輸入變量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這是一種有效的判斷方法,能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的米量判斷。重點(diǎn)研究了硬件的低成本化設(shè)計方法,從而增強(qiáng)了產(chǎn)品的競爭力,使產(chǎn)品真正走向市場。在基于試錯法設(shè)計的模糊電飯煲控制系統(tǒng)中,最后階段的參數(shù)微調(diào)是一個復(fù)雜的過程,工程師往往在進(jìn)行微調(diào)時花費(fèi)了大量的寶貴時間。3、課題的應(yīng)用前景與社會效益當(dāng)前,隨著人們生活水平的提高,用微電腦控制的模糊電飯煲己經(jīng)逐漸走入人們的日常生活。微電腦電飯煲以其良好的烹調(diào)效果,節(jié)能的特點(diǎn),智能化與多功能的設(shè)計,越來越受到人們的喜愛。當(dāng)前,市場上流行的微電腦電飯煲的功能越來越多,可是,無論電飯煲的功能如何的多樣化,煮飯功能始終是電飯煲最重要的功能,煮飯效果的好壞始終是評價一個電飯煲性能優(yōu)劣的最重要的依據(jù)。因此,在模糊電飯煲的控制系統(tǒng)設(shè)計中,始終應(yīng)該將實(shí)現(xiàn)良好的煮飯功能放在首要位置。而實(shí)際的煮飯效果在很大程度上取決于對米量大小的準(zhǔn)確判斷。這是因?yàn)閷Σ煌琢?控制器應(yīng)該采取不同的控制策略,因?yàn)榭刂破髟诒Ｕ吓胝{(diào)效果的同時,同時必須注意節(jié)能。因此,米量判斷實(shí)際上是電飯煲控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵一環(huán),準(zhǔn)確的米量判斷是電飯煲控制程序?qū)崿F(xiàn)有效的控制的前提條件。在這種情況下,合適的米量判斷方法的研究就顯得格外重要。正因?yàn)槿绱?本文所提出的一種為實(shí)驗(yàn)證明效果良好的二維的模糊米量推理機(jī)對實(shí)際的電飯煲控制系統(tǒng)設(shè)計是具有深遠(yuǎn)的意義的,能夠成為電飯煲開發(fā)工程師的參考。另外,作者本人在實(shí)習(xí)期間曾經(jīng)進(jìn)行實(shí)際的電飯煲設(shè)計開發(fā)工作,對其中參數(shù)整定的復(fù)雜性深有體會,且其調(diào)整規(guī)則是由經(jīng)驗(yàn)獲得的。這也就意味著,電飯煲的設(shè)計開發(fā)對一個新手來說是一件困難的工作。4、后續(xù)工作展望本論文不足之處在于,由于時間原因,沒有完成下位機(jī)和上位機(jī)通訊的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。后續(xù)工作將圍繞該系統(tǒng)的設(shè)計來完成這項(xiàng)任務(wù)。而且還要尋求更好的控制算法,進(jìn)一步完善本系統(tǒng),同時需要做大量的實(shí)驗(yàn)對系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行檢驗(yàn)。參考文獻(xiàn)[1]胡正.模糊控制技術(shù)在家用電器中的應(yīng)用[J]北京:清華大學(xué)學(xué)報,[2]劉增良編.模糊技術(shù)與應(yīng)用選編(1)[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1997[3]劉增良編.模糊技術(shù)與應(yīng)用選編(2)[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1997[4]李士勇.模糊控制神經(jīng)控制和智能控制論[M].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版,1998[5]余永權(quán).模糊控制技術(shù)與模糊家用電器[M]北京:北京航空航天大學(xué)出版社,[6]陳梅.淺談模糊控制[J].上海:上海電機(jī)技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報,[7]張德江.智能控制技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J]吉林:長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,[8]王立新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程[M]北京:清華大學(xué)出版社,[9]余永權(quán)編著.單片機(jī)與家用電器智能化技術(shù)[M]北京:電子工業(yè)出版社,1995[10]修志宏,任光.模糊控制的近期研究熱點(diǎn)與分析[J]北京:計算機(jī)測量與控制學(xué)報,[11]李寶綬,劉志俊.用模糊控制理論集合理論設(shè)計.自動化學(xué)報,1980,6(1)[12]張玉龍.傳感器電路設(shè)計手冊.[M]北京:中國計量出版社,1991[13]ZhangJ,MorrisAJ.NonlinearProcessModelingUsingDynamicNeuralFuzzyNetworks[J].IEEEAdvancedControlofChemicalProcess,Banff,Canada.1997[14]Ching—ChangWong.Chia.ChongChen.AHybridClusteringandGradientDescentApproachforFuzzyModeling[J].IEEETransonSystems,ManandCyberneticsPARTBCybernetics,l999[15]KevinM.Passino&StephenYurkovich.[M]FuzzyControl.PrenticeHall/Pearson..11致謝本課題是在指導(dǎo)老師劉廣文老師的指導(dǎo)下完成的。在項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)和論文的撰寫過程中,劉老師都給予了精心的指導(dǎo)和無微不至的關(guān)懷,特別是劉老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、對科學(xué)事業(yè)執(zhí)著的追求和寬以待人、嚴(yán)于律己的一貫作風(fēng),給我留下了深刻的印象。我非常感謝劉老師給我了這樣的實(shí)踐機(jī)會,我從中得到的鍛煉將對我以后的工作和學(xué)習(xí)產(chǎn)生重大的影響。附錄一:電路原理圖控制電路原理圖單片機(jī)控制原理圖附錄二:程序源代碼主程序:#include"a.h";#definevoice_start01//開始//#definevoice_cool02//煮飯//#definevoice_fcool03//快煮//#definevoice_bz04//煲粥//#definevoice_dt05//燉湯//#definevoice_time06//請設(shè)定燉湯時間//#definevoice_bw07//保溫//#definevoice_down08//定時減//#definevoice_up09//定時加//#definevoice_off10//返回//#definevoice_alarm11//請放入內(nèi)鍋//unsignedintMODEL;unsignedintWHICH_TIME;unsignedintFLASH_LED_STATUS;unsignedintKey=0;unsignedintannounced=0;//************************************************////****************************************////設(shè)置子程序////****************************************//voidSet(){if(MODEL==5)MODEL=1;elseMODEL=MODEL+1;if(MODEL!=0){LED_FLASH_STATUS=1;if(MODEL==1)PlayRespond(voice_cool);elseif(MODEL==2)PlayRespond(voice_fcool);elseif(MODEL==3)PlayRespond(voice_bz);elseif(MODEL==4){PlayRespond(voice_dt);PlayRespond(voice_time);//請設(shè)定燉湯時間//WHICH_TIME=1;}elsePlayRespond(voice_bw);}}//************************************************////計時加預(yù)置子程序////************************************************//voidTime_up(){PlayRespond(vioce_up);}//*************************************************////計時預(yù)置減子程序////*************************************************//voidTime_down(){PlayRespond(voice_down);}//****************************************************////烹調(diào)模塊子程序////****************************************************//voidStart_cancle(){PlayRespond(voice_start);}//*****************************************************////空鍋報警子程序////*****************************************************//voidEmpty(unsignedinta){if(a==0){PlayRespond(voice_alarm);}a=1;}//**************************************////主程序////**************************************//main(){System_Initial();//系統(tǒng)初始化子程序//while(1){Key=KeyScan();//鍵盤掃描子程序,并返回鍵值//if(Key==0x0011)Set();//調(diào)用功能設(shè)定子程序//if(Key==0x0012)Time_up();//調(diào)用計時加預(yù)置子程序//if(Key==0x0014)Time_down();//調(diào)用計時減預(yù)置子程序//if(Key==0x0018)Start_cancle();//調(diào)用各功能子程序//if((Key&0x0010)==0)Empty(announced);//空鍋報警子程序//}}子程序.include hardware.inc.include S480.inc.include Resource.incdefinevoice_start00//開始//.definevoice_cool01//煮飯//.definevoice_fcool02//快煮//.definevoice_bz03//煲粥//.definevoice_dt04//燉湯//.definevoice_time05//請設(shè)定燉湯時間//.definevoice_bw06//保溫//.definevoice_down07//定時減//.definevoice_up08//定時加//.definevoice_off09//返回//.definevoice_alarm10//請放入內(nèi)鍋//.definevoice_set11//請設(shè)定//.definevoice_high12//注意溫度過高////*******************************************////系統(tǒng)初始化子程序////*******************************************//.public_System_Initial_System_Initial:.procr1=0x0002[P_SystemClock]=r1//初始化系統(tǒng)時鐘//r1=0xFF80[P_IOA_Dir]=r1r1=0xFFE0[P_IOA_Attrib]=r1r1=0xFFE0[P_IOA_Data]=r1//初始化A口//r1=0xFFFB[P_IOB_Dir]=r1r1=0xFFFF[P_IOB_Attrib]=r1r1=0x0004[P_IOB_Data]=r1//初始化B口//r1=0x0004//時基選擇//[P_TimeBase_Setup]=r1intoff//關(guān)中斷//r1=0x0105[P_INT_Ctrl]=r1//初始化中斷//intfiq,irq//開中斷//retf.endp//*********************************************////段顯子程序////*********************************************//.DATAShow_tabble:.dw0x003F,0x0006,0x005B,0x004F,0x0066.dw0x006D,0x007D,0x0007,0x007F,0x006F.code.public_Show_Show:.procBP=Show_tabbler1+=BP//求顯示碼的地址//r1=[r1]//求出顯示碼//r1=r1lsl4r1=r1lsl4//移至高8位//r2=[P_IOA_Buffer]r2&=0x8000r1|=r2[P_IOA_Data]=r1//輸出顯示//retf.endp//***********************************************////中斷子程序////***********************************************//.iram.publicT1_1,T1_2,T1_3,T1_4.publicT2_1,T2_2,T2_3,T2_4.public_STATUS.publicloop_count.varT1_1=0,T1_2=0,T1_3=0,T1_4=0.varT2_1=0,T2_2=0,T2_3=0,T2_4=0.var_STATUS=0.varloop_count=0.text.public_IRQ6_IRQ6:pushr1,r5to[sp]r1=0x0001 testr1,[P_INT_Ctrl];jnzIRQ6_Is_TMB2r1=0x0002[P_INT_Clear]=r1popr1,r5from[sp]retiIRQ6_Is_TMB2:[P_INT_Clear]=r1r1=[_WHICH_TIME]cmpr1,1jeShow_T2r1=[loop_count]cmpr1,0x00jeIS_T1_1cmpr1,0x01jeIS_T1_2cmpr1,0x02jeIS_T1_3r1=[T1_4]r4=0x8000jmpStart_ShowIS_T1_1:r1=[T1_1]r4=0x1000jmpStart_ShowIS_T1_2:r1=[T1_2]r4=0xjmpStart_ShowIS_T1_3:r1=[T1_3]r4=0x4000jmpStart_ShowShow_T2:r1=[loop_count]cmpr1,0x00jeIS_T2_1cmpr1,0x01jeIS_T2_2cmpr1,0x02jeIS_T2_3r1=[T2_4]r4=0x8000jmpStart_ShowIS_T2_1:r1=[T2_1]r4=0x1000jmpStart_ShowIS_T2_2:r1=[T2_2]r4=0xjmpStart_ShowIS_T2_3:r1=[T2_3]r4=0x4000Start_Show:call_Show//把BCD的段碼輸出顯示//r2=[loop_count]r3=[P_IOB_Buffer]//不影響IOB的低12位,高四位選通一位//r3&=0x0FFFr3=r3|r4[P_IOB_Data]=r3//位選通//r2+=1cmpr2,0x0004jneshow_addr2=0x00show_add:[loop_count]=r2r1=[_STATUS]cmpr1,0x01jneNo_Startcall_KeyScancmpr1,0x0018jneNo_Startr1=0x00[_STATUS]=r1r1=voice_off[_Announce_Buff]=r1call_PlayRespondpc=0x0000No_Start:popr1,r5from[sp]reti//***********************************************//