電器與工具
電壓力鍋控制板設計開發(fā)
從電壓力鍋的結構上來說，它的發(fā)展從一般的簡易式電加熱高壓鍋開始，只是改變加熱的方法，其控制不精良，也難實現自動控制，隨著市場的需求，電壓力鍋在原來的結構基礎上作了相當大的改變，出現了壓緊式密封與浮動式密封的鍋蓋分離結構。在功能操作和技術應用方面，除傳統(tǒng)的機械控制外，還增加了不少的電子控制方式，這大大提高了電壓力鍋的安全性、功能性及自動控制能力。
一、電壓力鍋的結構
電壓力鍋除了如圖3-1所示的一些基本裝置：密封裝置，排氣裝置，控制電路，鎖定裝置，內膽，溫控裝置，電熱裝置，定時裝置等，有的系統(tǒng)還會包括一些安全裝置，如：開蓋安全裝置、泄壓裝置、合蓋安全裝置及其他軟件實現的保護裝置等，其中，開蓋安全裝置的作用是當壓力鍋內有一定壓力時，無論什么原因，鍋蓋將無法打開，避免鍋內壓力傷人；合蓋安全裝置是在鍋蓋與鍋身尚未完全扣合時，加熱器應處于斷開狀態(tài)，避免壓力上升造成爆鍋；限壓排氣閥是烹飪過程中為使鍋內壓力保持在一定壓力范圍，軟件控制排氣閥的開關來控制壓力達到最佳烹飪效果的裝置；泄壓裝置是在限壓排氣閥失靈時，泄壓裝置可以手動進行泄壓從而保證安全。
二、電壓力鍋工作過程及功能設計
電壓力鍋工作過程為：使用者放入食物，合上蓋（蓋開關檢測到已合上），得電，蜂鳴器長鳴一聲，LED顯示全8，電壓力鍋進入待機狀態(tài)，此狀態(tài)無顯示，無報警，即不做任何動作；若選擇功能鍵、選擇保壓時間、預約時間（可選），且按開始鍵，電壓力鍋開始工作：LED七段顯示屏顯示工作狀態(tài)；上、下溫度傳感器檢測溫度，數據傳送到CPU進行分析計算，以模糊神經網絡為控制器，根據溫度和壓力的正比關系，同時以干簧管測得鍋內壓力值為依據；按相關專家炊煮工藝曲線控制溫度及壓力，控制溫度的方式表現為通過單片機輸出PWM波形控制繼電器的通斷，從而控制加熱功率；控制壓力的方式表現為控制電磁閥的通斷來控制排氣閥的開關?？刂平Y束時在開蓋前必須保證鍋內氣壓在安全氣壓范圍，否則機械電氣互鎖使蓋無法打開，這時需要緊急手排氣或手動排氣，直至氣壓為低于0.05個大氣壓時方可開蓋。除此之外，各種安全意外防范措施更是必不可少。
下面就整個過程實現的功能作如下說明：
（1）定時/預約功能：用戶可以根據個人口感和愛好選擇保壓時間，如個人喜愛食物偏軟即將保壓時間調長，實現定時，最高定時時間為120分鐘；用戶可以根據自己日常作習預約開機及進行智能化動作的時間，如早上八點出門前預約下午5點開機，到預定時間電壓力鍋自動開機進行工作，實現預約功能。
（2）功能選擇：可選擇的功能有煮飯、粥、湯、牛羊肉、蹄筋、雞鴨肉、魚、雞翅、蒸蛋、蛋糕、烙餅等，實現一鍋多用。
（3）智能控制：設計者根據專家炊煮曲線，結合智能控制技術，來控制炊煮過程，使用者只需選擇食物種類，后續(xù)工作完全由單片機控制，用戶實現一鍵控制。
（4）故障檢測：故障檢測包括傳感器開路、短路檢測，無鍋檢測，欠壓、過壓檢測（指電壓），過流檢測，超溫檢測，超壓檢測（指壓力）及其他意外故障檢測等。
（5）報警、提示功能：電壓力鍋自開機時，CPU檢測并判斷到有異常情況，或者電壓力鍋按用戶的設置完成任務時，蜂鳴器及顯示器會根據需要給予報警或提示。
（6）保護功能：開機后，CPU檢測到故障時應做出動作，避免對器件造成損壞；設計者根據用戶日常使用碰到的問題，如干燒等，在控制系統(tǒng)中加入防干燒功能，考慮到蒸汽壓力帶來的危害性,特加入多重保護如加熱時間自動控制系統(tǒng),異常壓力排除系統(tǒng),自動卸壓系統(tǒng),壓力旋鈕緊裝置,這些系統(tǒng)保在在烹飪開始后,旋鈕自動鎖住鍋蓋,若未鎖住或有異常情況,則系統(tǒng)自動進行卸壓,從而保證壓力鍋的安全。
（7）關機處理：關機信號主要來自于鍵盤、故障及報警檢測、定時時間到、其他外部中斷及完成炊煮過程進入保溫狀態(tài)等。檢測到關機信號即關閉所有控制。
三、控制系統(tǒng)功能實現硬件設計
電壓力鍋控制系統(tǒng)硬件設計結構框圖如圖3-2，其硬件系統(tǒng)主要分為電源板和控制板，電源板提供單片機供電電源+5V，提供電磁閥、繼電器驅動電路及電源+15V等，控制板主要由單片機控制信號的輸入與輸出，并對采集的信息進行分析計算根據相關規(guī)則給出控制策略。下面我們就主要的功能結構分模塊介紹。
3.1單片機及其周邊電路
（1）CPU：CPU是控制系統(tǒng)的硬件核心，單片機的選取尤為重要，我們以功能合適、穩(wěn)定可靠且經濟實惠為原則，選擇在家用電器應用中已有一定地位的Holtek系列單片機。智能電壓力鍋對溫度的控制要求較高，硬件方面要求檢測具有較高的精度，這就對單片機的A/D轉換精度提出一定要求，我們選取經濟型A/D轉換HT46F49單片機，如圖3-3為單片機工作最小系統(tǒng)圖。該單片機包含集成的4通道9 bit A/D轉換器，兩通道8位的脈沖寬度調制輸出，23個I/O口。同時包含極強的內部特性，如內置晶體和RC振蕩驅動電路（可根據需要自行選擇）、具有PFD功能、暫停、喚醒功能、看門狗定時器、低電壓監(jiān)測自動復位、可編程分頻器等，這種低功耗高性能的特性增強了單片機的使用靈活度，在實際應用時只需添加較少的外部器件，即而降低了整個產品的成本。
（2）A/D轉換：A/D轉換的質量在電壓力鍋檢測系統(tǒng)中起著至關重要的作用，檢測系統(tǒng)結構框圖如圖3-4。
圖3-4中傳感器將采集的信息進行A/D轉換，單片機將轉換結果進行分析處理，然后傳給執(zhí)行機構，可見A/D轉換的結果直接影響著檢測量的準確度。HT46F49芯片具有4個A/D轉換器輸入，所有的模擬輸入與PB口的I/O引腳共用。如果這些引腳被用來作為A/D輸入而不是一般的I/O引腳，則A/D轉換控制寄存器ADCR中相應的位必須被正確的設定。掩膜選項內不包含A/D功能，如果這些引腳作為I/O引腳使用，仍可以通過掩膜選項選擇是否要接上拉電阻，然而如果作為A/D輸入使用，則這些引腳上的上拉電阻會自動失效。
（3）PWM：PWM寄存器為8位，表示輸出波形中每個調制周期的占空比，通過給相應的PWM寄存器設置特定的值，PWM功能可提供占空比可調而頻率固定的波形，為了提高PWM調制頻率，每一個調制周期被調制兩個或四個獨立的調制子區(qū)段、。當使用PWM時，只要將所需的值寫入相應的PWM寄存器內，單片機的內部硬件會自動地將波形細分為子調制周期。將原始調制周期分成2個或4個子周期的方法，使產生更高的PWM頻率成為可能，只要產生的PWM脈沖周期小于負載的時間常數，PWM輸出就比較合適，這是因為長時間常數負載將會平均PWM輸出的脈沖。
3.2電源分配、加熱盤功率驅動電路
圖3-7中在進入安規(guī)電容CO及壓敏電阻RZ之前串入保險絲防止電流過大燒壞電路，U、Q點因加入穩(wěn)壓管穩(wěn)定在+15V，供給繼電器電源，CD7805輸入+5V電壓供給單片機電源。
加熱盤功率驅動的方式主要有兩種，分別為繼電器控制和晶閘管控制，采用晶閘管式驅動的優(yōu)點是響應快且平滑，適宜頻率高的系統(tǒng)，缺點是檢測及連接不方便、不安全且電路復雜，雖然對系統(tǒng)工作無影響，但是在維修或用戶私自拆卸時，極易造成危險，為了保證安全及從設計方便和成本方面考慮，我們選用繼電器驅動方式，雖然其采用開關式控制，溫度的平滑性相對不如晶閘管移相控制好，但安全。繼電器的驅動電路由晶體管、電阻和繼電器組成，PD1/PWM1輸出PWM波形通過三極管控制繼電器的開斷。
3.3電磁閥控制電路
電磁閥處于鍋頂部，所用的型號是D型框架式推拉式電磁鐵。工作原理：得電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，推動閥門；失電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門回到原來位置，我們將該原理應用到設計中，電磁閥得電時，閥門前的觸頭向外推動排氣閥，閥開，鍋內氣體向外排出，失電時，閥門觸頭回到原狀態(tài)，排氣閥關閉，鍋內氣體無法向外排出，實現了用電磁閥控制排氣閥的開關，控制電路圖如3-8所示，通過兩個三極管的通斷來控制電磁閥。具體的軟件設置只需要設置pa5端口為輸出，_pa5c=0;_pa5=1;得電閥開，延時一段時間后設置_pa5=0，失電閥關。
3.4溫度檢測電路設計
對于溫度的測量技術，一般分為兩種：接觸式測溫和非接觸式測溫。本系統(tǒng)由于測溫物體的特殊性，采用非接觸式測溫，優(yōu)點是對測溫場無影響，可以測量區(qū)域的溫度，缺點是測量存在很大誤差，結構復雜，需要經過多次試驗減小誤差。NTC是負溫度系數熱敏電阻的縮寫，是一種以過渡金屬氧化物為主要原材料，采用電子陶瓷工藝制成的熱敏半導體陶瓷元件，這種元件的電阻值隨溫度的升高而降低，利用這一特性可制成測溫，溫度補償和控溫元件。
總結
本文分析了電壓力鍋的結構及工作原理，在原有電壓力鍋基礎上進行改造，設計出安全且實用的功能模式，介紹了CPU的特性及相關硬件電路設計，包括電源模塊、溫度檢測模塊、電壓檢測模塊、電磁閥、繼電器驅動模塊，掉電儲存、按鍵顯示報警模塊等。
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