電器與工具
電飯煲模糊控制板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)
隨著電子技術(shù)的發(fā)展以及人民日益增長(zhǎng)的需求，各種電子產(chǎn)品進(jìn)入了大眾生活，其中電飯煲是一個(gè)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(shí)現(xiàn)煮飯的功能，但難以達(dá)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(jī)控制的電飯煲能夠按照煮飯的工藝過(guò)程實(shí)現(xiàn)模糊控制的煮飯功能，達(dá)到較好的烹飪效果。本文應(yīng)用MC68HC08JL3芯片作為控制芯片，實(shí)現(xiàn)了一款智能電飯煲的軟硬件設(shè)計(jì)，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(jì)思路
控制器的控制電路按照?qǐng)D1進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路包括7個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、電源及穩(wěn)壓電路、鍵盤(pán)輸入電路、蜂鳴報(bào)警電路、LED顯示電路、溫度檢測(cè)電路及功驅(qū)動(dòng)電路。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，將電源處理、外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)控制板電路圖設(shè)計(jì)。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(jī)工作電路。
二、電飯煲模糊控制機(jī)理
機(jī)械式電飯煲由于沒(méi)有溫度傳感器的探測(cè)，只能機(jī)械地將鍋底溫度加至103攝氏度左右之后就停止加熱進(jìn)入保溫，雖然加熱過(guò)程也能經(jīng)歷幾個(gè)工藝階段，但是由于缺乏時(shí)間的控制，無(wú)法做出很可口的米飯；模糊電飯煲可以實(shí)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(guò)去的電飯煲是難以實(shí)現(xiàn)的。本文著重介紹便于單片機(jī)系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)、實(shí)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(guò)程的各階段加熱控制及加熱時(shí)間是和米飯量有關(guān)的。因此，米飯量的測(cè)定是第一個(gè)關(guān)鍵步驟，其后的過(guò)程則依據(jù)米飯量進(jìn)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(hù)可能使用熱水熱鍋，也可能使用冷水冷鍋進(jìn)行煮飯，使得在吸水階段難以對(duì)米量進(jìn)行測(cè)定，因此米飯量的測(cè)定只能是在加熱階段進(jìn)行的。
如果用戶(hù)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(gè)熱敏線(xiàn)可以進(jìn)行鍋內(nèi)溫度的讀取，分別讀取鍋底和鍋?lái)數(shù)臏囟?，由于鍋底溫度相?dāng)于測(cè)定的是米的溫度，米和水在加熱時(shí)難以形成對(duì)流，溫度交換較差，所以鍋底的升溫很快，比較難以反映整個(gè)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?lái)敎囟?時(shí)間曲線(xiàn)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(jī)編程當(dāng)中，考慮到單片機(jī)的內(nèi)存限制與計(jì)算速度的問(wèn)題，可以按照以下步驟進(jìn)行米飯量測(cè)定規(guī)則的設(shè)定：
（1）設(shè)定鍋?lái)敎囟鹊牡烷撝礣mp_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(shí)鍋?lái)敎囟鹊闹?，Tmp_High不能高于水沸騰時(shí)鍋?lái)敎囟鹊闹?，這兩個(gè)數(shù)值都需要試驗(yàn)之后確定，不同型號(hào)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(jì)算鍋?lái)敎囟扔蒚mp_Low升到Tmp_High所需要的時(shí)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(gè)量也是有所差異的。
（3）煮飯過(guò)程中，如果鍋?lái)敎囟扔蒚mp_Low升到Tmp_High所需要的時(shí)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(guò)程控制
煮飯的加熱階段測(cè)定了米量，則加熱階段的整體時(shí)間控制與沸騰和燜飯階段的加熱盤(pán)火力控制則由米量的多少?zèng)Q定。
前文提到加熱階段的時(shí)間控制在10分鐘左右口感較好，實(shí)際加熱中，按照一定的火力大小，當(dāng)加熱到水沸騰時(shí)，根據(jù)煲體的不同會(huì)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(shí)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，米量少時(shí)需要的時(shí)間較短，為了基本滿(mǎn)足10分鐘的時(shí)間要求，最后剩余1-3分鐘時(shí)間將停止底加熱盤(pán)的加熱，同時(shí)開(kāi)啟頂加熱盤(pán)，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(gè)煲體的均勻加熱做準(zhǔn)備。因此在加熱階段停止底加熱盤(pán)加熱時(shí)間根據(jù)米量不同，有所不同，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。
實(shí)際程序編寫(xiě)過(guò)程當(dāng)中，也可以將加熱階段時(shí)間確定為10分鐘，底加熱盤(pán)加熱時(shí)間與停止加熱的時(shí)間累計(jì)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(lái)確定的，因此兩個(gè)過(guò)程的時(shí)間把握則需依靠加熱盤(pán)的火力大小控制。在這兩個(gè)階段，米量比較多時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用大火力加熱，米量比較少時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用小火力加熱，以確保兩個(gè)階段的累計(jì)時(shí)間約為20分鐘。對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表4。
2.3智能煮飯程序設(shè)計(jì)
按照煮飯的工藝過(guò)程，使用單片機(jī)控制的電飯煲可以將煮飯過(guò)程劃分為幾個(gè)階段，不同階段采用的加熱方式不同。
在煮飯過(guò)程中，底溫度隨著煮飯過(guò)程階段的變化，呈現(xiàn)出如圖3的曲線(xiàn)，其中縱坐標(biāo)為溫度，橫坐標(biāo)為烹飪時(shí)間。智能煮飯過(guò)程中，幾乎所有需要底加熱盤(pán)加熱的過(guò)程都需要使用間歇加熱的方式進(jìn)行加熱，這是因?yàn)椋?br/>
（1）底加熱盤(pán)的加熱功率較大，220V供電的情況下，一般達(dá)850W以上，連續(xù)加熱極易使得鍋底溫度迅速升高。（2）煮飯時(shí)，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(shí)，靠近鍋底的米升溫較快，而與水不能形成對(duì)流，無(wú)法很好地交換溫度，若底加熱盤(pán)持續(xù)加熱會(huì)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(gè)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(guò)控制加熱占空比，可以控制加熱盤(pán)的火力。
因此，在進(jìn)行智能煮飯時(shí)，需要對(duì)底加熱盤(pán)的進(jìn)行間歇式控制，采用一定的占空比控制加熱的過(guò)程。相同時(shí)間長(zhǎng)度的一個(gè)加熱周期中，底加熱盤(pán)開(kāi)的時(shí)間越長(zhǎng)，加熱的火力越大，底加熱盤(pán)開(kāi)的時(shí)間越短，加熱的火力越小。通常會(huì)采用20~30秒的加熱周期，如果加熱周期太短會(huì)使得繼電器經(jīng)常開(kāi)開(kāi)合合，縮短繼電器的使用壽命。
三、電飯煲軟件設(shè)計(jì)
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(duì)寄存器、輸入輸出端口、變量進(jìn)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(wú)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(duì)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(pán)占空比以及確定側(cè)加熱盤(pán)、肩加熱盤(pán)的加熱標(biāo)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(shí)鐘控制：提供秒平臺(tái)、分鐘平臺(tái)，供階段計(jì)時(shí)及占空比計(jì)時(shí)使用；
（8）驅(qū)動(dòng)控制：為下層控制程序根據(jù)占空比確定是否應(yīng)當(dāng)開(kāi)底加熱盤(pán)，設(shè)置底加熱盤(pán)的標(biāo)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(biāo)志，進(jìn)行端口的處理，控制加熱盤(pán)工作與否；
（9）定時(shí)器溢出中斷程序：雖然在流程圖中沒(méi)有繪制，但實(shí)際作為單獨(dú)的函數(shù)需要編程處理，完成蜂鳴器響聲控制、2ms、250ms、1s計(jì)時(shí)，并處理相應(yīng)標(biāo)志位。
總結(jié)
通過(guò)機(jī)械式電飯煲和按照本文方法實(shí)現(xiàn)的模糊控制電飯煲的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)于機(jī)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(gè)部位的米飯口感都基本一致，不會(huì)像機(jī)械電飯煲一樣，當(dāng)煮的飯多時(shí)，煲體上側(cè)的米飯與煲體下側(cè)的米飯效果相差較遠(yuǎn)。
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