電飯煲模糊控制板設(shè)計開發(fā)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及人民日益增長的需求，各種電子產(chǎn)品進入了大眾生活，其中電飯煲是一個應(yīng)用極為廣泛的電子產(chǎn)品。傳統(tǒng)的電飯煲可以基本實現(xiàn)煮飯的功能，但難以達到較好的烹飪效果。隨著傳感器技術(shù)以及智能控制技術(shù)的發(fā)展，基于單片機控制的電飯煲能夠按照煮飯的工藝過程實現(xiàn)模糊控制的煮飯功能，達到較好的烹飪效果。本文應(yīng)用MC68HC08JL3芯片作為控制芯片，實現(xiàn)了一款智能電飯煲的軟硬件設(shè)計，使得該電飯煲具備：LCD顯示、按鍵讀取處理、ADC、模糊控制煮飯等功能。

一、電飯煲控制板設(shè)計思路

控制器的控制電路按照圖1進行設(shè)計，電路包括7個部分：單片機、電源及穩(wěn)壓電路、鍵盤輸入電路、蜂鳴報警電路、LED顯示電路、溫度檢測電路及功驅(qū)動電路。在進行電路設(shè)計時，將電源處理、外部信號驅(qū)動和讀取的電路做一塊PCB板，將控制電路做一塊PCB板。

本文使用68HC08JL3芯片作為控制芯片，實現(xiàn)控制板電路圖設(shè)計。該控制板包括外部接口、LED顯示、液晶顯示、按鍵部分的電路、單片機工作電路。

二、電飯煲模糊控制機理

機械式電飯煲由于沒有溫度傳感器的探測，只能機械地將鍋底溫度加至103攝氏度左右之后就停止加熱進入保溫，雖然加熱過程也能經(jīng)歷幾個工藝階段，但是由于缺乏時間的控制，無法做出很可口的米飯；模糊電飯煲可以實現(xiàn)吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹等多種功能，而這些功能都能取得理想效果。特別是，米飯的質(zhì)量是關(guān)鍵的加熱階段所決定的，而在這一階段還需要推算出米量。過去的電飯煲是難以實現(xiàn)的。本文著重介紹便于單片機系統(tǒng)編程實現(xiàn)、實際可行的模糊推理方法。

2.1電飯煲米飯量的模糊推理

在模糊控制的電飯煲中，控制過程的各階段加熱控制及加熱時間是和米飯量有關(guān)的。因此，米飯量的測定是第一個關(guān)鍵步驟，其后的過程則依據(jù)米飯量進行相應(yīng)的控制。在電飯煲工作的吸水階段，由于初始條件的不確定，用戶可能使用熱水熱鍋，也可能使用冷水冷鍋進行煮飯，使得在吸水階段難以對米量進行測定，因此米飯量的測定只能是在加熱階段進行的。

如果用戶是按照指定的刻度加水的，在加熱階段，如果鍋內(nèi)升溫很快，則可以判定米量較少，如果鍋內(nèi)升溫較慢，則可以判定米量較多。有兩個熱敏線可以進行鍋內(nèi)溫度的讀取，分別讀取鍋底和鍋頂?shù)臏囟?，由于鍋底溫度相?dāng)于測定的是米的溫度，米和水在加熱時難以形成對流，溫度交換較差，所以鍋底的升溫很快，比較難以反映整個鍋體內(nèi)的升溫情況，而鍋蓋的溫度則能直接反映鍋內(nèi)溫度變化情況。因此，可以使用鍋頂溫度-時間曲線的斜率反映米量的多少，斜率較大的米量少，反之則米量多。推理規(guī)則如表1所示。

在單片機編程當(dāng)中，考慮到單片機的內(nèi)存限制與計算速度的問題，可以按照以下步驟進行米飯量測定規(guī)則的設(shè)定：

（1）設(shè)定鍋頂溫度的低閾值Tmp_Low及高閾值Tmp_High，其中Tmp_Low的值不能低于使用熱鍋熱水吸水階段結(jié)束時鍋頂溫度的值，Tmp_High不能高于水沸騰時鍋頂溫度的值，這兩個數(shù)值都需要試驗之后確定，不同型號的電飯煲，由于結(jié)構(gòu)的差異，所確定的閾值也不同。

（2）按照介于少米量與中米量之間的米量、介于中米量與多米量之間的米糧分別煮飯，計算鍋頂溫度由Tmp_Low升到Tmp_High所需要的時間，分別得到Time_Small和Time_Big。同樣，存在結(jié)構(gòu)差異的電飯煲，這兩個量也是有所差異的。

（3）煮飯過程中，如果鍋頂溫度由Tmp_Low升到Tmp_High所需要的時間Time_Det，如果Time_Det<Tmp_Low，則判定當(dāng)前煮飯量為少米量，如果Time_Det>Tmp_High，則判定當(dāng)前煮飯量為多米量。否則為中米量。推理規(guī)則如表2所示。

2.2電飯煲工作過程控制

煮飯的加熱階段測定了米量，則加熱階段的整體時間控制與沸騰和燜飯階段的加熱盤火力控制則由米量的多少決定。

前文提到加熱階段的時間控制在10分鐘左右口感較好，實際加熱中，按照一定的火力大小，當(dāng)加熱到水沸騰時，根據(jù)煲體的不同會有所區(qū)別，本文使用的電飯煲需要6-9分鐘加熱到水沸騰，米量多時需要的時間較長，米量少時需要的時間較短，為了基本滿足10分鐘的時間要求，最后剩余1-3分鐘時間將停止底加熱盤的加熱，同時開啟頂加熱盤，加熱至頂溫為100度左右，一方面防止蒸發(fā)的水汽冷凝，另一方面為下一階段整個煲體的均勻加熱做準備。因此在加熱階段停止底加熱盤加熱時間根據(jù)米量不同，有所不同，對應(yīng)關(guān)系見表3。

實際程序編寫過程當(dāng)中，也可以將加熱階段時間確定為10分鐘，底加熱盤加熱時間與停止加熱的時間累計為10分鐘。

沸騰和燜飯階段應(yīng)當(dāng)維持在20分鐘左右，而燜飯階段結(jié)束的條件是由溫度來確定的，因此兩個過程的時間把握則需依靠加熱盤的火力大小控制。在這兩個階段，米量比較多時，應(yīng)當(dāng)采用大火力加熱，米量比較少時，應(yīng)當(dāng)采用小火力加熱，以確保兩個階段的累計時間約為20分鐘。對應(yīng)關(guān)系見表4。

2.3智能煮飯程序設(shè)計

按照煮飯的工藝過程，使用單片機控制的電飯煲可以將煮飯過程劃分為幾個階段，不同階段采用的加熱方式不同。

在煮飯過程中，底溫度隨著煮飯過程階段的變化，呈現(xiàn)出如圖3的曲線，其中縱坐標為溫度，橫坐標為烹飪時間。智能煮飯過程中，幾乎所有需要底加熱盤加熱的過程都需要使用間歇加熱的方式進行加熱，這是因為：

（1）底加熱盤的加熱功率較大，220V供電的情況下，一般達850W以上，連續(xù)加熱極易使得鍋底溫度迅速升高。（2）煮飯時，是生米與水的混合物，其中生米接近鍋底，水在米之上，加熱時，靠近鍋底的米升溫較快，而與水不能形成對流，無法很好地交換溫度，若底加熱盤持續(xù)加熱會導(dǎo)致米的溫度升高很快，水的溫度升高較慢，影響米的吸水，也不能使得整個鍋體均勻加熱。（3）根據(jù)不同烹飪功能的需要，所需要的加熱火力有區(qū)別，通過控制加熱占空比，可以控制加熱盤的火力。

因此，在進行智能煮飯時，需要對底加熱盤的進行間歇式控制，采用一定的占空比控制加熱的過程。相同時間長度的一個加熱周期中，底加熱盤開的時間越長，加熱的火力越大，底加熱盤開的時間越短，加熱的火力越小。通常會采用20~30秒的加熱周期，如果加熱周期太短會使得繼電器經(jīng)常開開合合，縮短繼電器的使用壽命。

三、電飯煲軟件設(shè)計

如圖4所示，主程序包括初始化程序和主循環(huán)程序。

（1）芯片初始化：對寄存器、輸入輸出端口、變量進行初始化；
（2）讀鍵及鍵處理：程序設(shè)定2ms讀一次鍵；
（3）蜂鳴器控制：使用無源蜂鳴器；
（4）讀AD：程序250ms讀一次AD，并將其轉(zhuǎn)換為鍋蓋、鍋底溫度；
（5）烹飪控制程序：按照上節(jié)所述內(nèi)容，對應(yīng)各階段控制要求，完成模糊煮飯功能，根據(jù)不同的執(zhí)行階段，確定底加熱盤占空比以及確定側(cè)加熱盤、肩加熱盤的加熱標志，不直接處理輸入輸出端口；
（6）顯示數(shù)據(jù)控制：完成液晶顯示內(nèi)容的設(shè)置；
（7）外時鐘控制：提供秒平臺、分鐘平臺，供階段計時及占空比計時使用；
（8）驅(qū)動控制：為下層控制程序根據(jù)占空比確定是否應(yīng)當(dāng)開底加熱盤，設(shè)置底加熱盤的標志位，也不直接處理端口，然后則根據(jù)上層烹飪控制程序得到的標志，進行端口的處理，控制加熱盤工作與否；
（9）定時器溢出中斷程序：雖然在流程圖中沒有繪制，但實際作為單獨的函數(shù)需要編程處理，完成蜂鳴器響聲控制、2ms、250ms、1s計時，并處理相應(yīng)標志位。

總結(jié)

通過機械式電飯煲和按照本文方法實現(xiàn)的模糊控制電飯煲的對比，可以發(fā)現(xiàn)相對于機械式電飯煲，模糊控制電飯煲所煮的飯口感更佳，而且飯煲各個部位的米飯口感都基本一致，不會像機械電飯煲一樣，當(dāng)煮的飯多時，煲體上側(cè)的米飯與煲體下側(cè)的米飯效果相差較遠。

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