智能电饭煲

智能电饭煲 摘 要 本以 SH69P42 单片机为核心，通过热敏电阻把温度信号转变成电压信 号，再经 A/D 转换把电压信号变成的数字信号，然后由 CPU 处理进而去控制继电器，达到对发热盘的温度控制工作。本电饭煲采用波浪式起伏加热模式，通过 微电脑控制，模拟人工炊煮。轻轻按下六个按键，便能完成煮饭、快煮、煮粥、 煲汤、保温五大烹调功能和一个预约功能，给消费者带来便捷的生活享受。 关键词：SH69P42 单片机；调功；传感器；吸水点；沸腾点；焖饭点 Abstract This design is based on SH69P42 micro single-chip computer , use the quick temperature resistance to change the temperature signal into the voltage signal, and then chang the voltage signal into digital signal by ADC , at last the CPU deal with it and control the relay electrical mechine ,so as to control the heat coil.The electrical rice cooker adopt wave type rise and fall to heat up pattern, through the control of the micro single-chip computer, simulated man-days cooks to boil.Can boil meal consummately gently according to 6buttons , boil meal , boil meal quickly,boil gruel, stew soup and5 insulation cooking functions and one make an appointment function.. Bring convenient life to customer to enjoy. Key Words: SH69P42 micro single-chip computer; Adjust power; Sensor; Inhale water point; 第一章 引 言 随着我国经济的不断发展，城乡居民生活水平的不断提高，对饮食的要求也 越来越高，过去的那种机械式、电子式的电饭煲已不能满足人们的要求，安全、 简便、节能、实用已是当今代人追求的主旋律，而微电脑电饭煲的问世，不仅能 满足人们的要求，而且把电饭煲的各项功能发挥的淋漓尽致。回顾电饭煲在中国 的发展历程，虽然只有短短的 20 几年，但中国的电饭煲生产行业由弱到强，由 强到精，生产规模以年增长率不低于 30%的高速度扩大，技术含量也不低于进口 产品。 1.1 市场发展的概况 我国从 80 年代初开始生产电饭煲，经过近 20 年的发展电饭煲的质量已经 接近国际水平，技术日趋成熟。据国家统计局统计，1992 年我国内地的电饭煲 产量达 113.08 万个；1993 年的 1 到 8 月份，全国电饭煲产量约 946.85 万个，全年生产了约为 1500 万个；2000 年，我国内地全年电饭煲生产量约为 5000 万个；到 2003 年，我国内地全年电饭煲生产量约为 10000 万个，增长幅度达 44.5％。销售方面，1992 年，全国累计销售 14.8 万个；1993 年累计销售 25 万 个，比 1992 年增长 58.7%；2000年的全国销售量为 250 万个，是 1993 年的 10 倍；2003 年的全国销售量为 650 万个。我国是一个人口大国，电饭煲市场 具有很大的发展潜力；随着技术的不断成熟，我国电饭煲的出口量也不断增加。 据中国消费者协会预测，这种销售势头在我国未来几年内不会减弱。 1.2 技术的革新与发展展望 电饭煲作为传统的厨房家电，发展至今，家家厨房差不多都摆上一个，对于 这种持有率极高的产品，厂家的唯一策略就是运用新技术生产新产品，电饭煲技 术已经从机械、电子控制、转入微电脑智能化控制阶段，数字技术、电磁技术也 将纷纷应用到了电饭煲的更新换代产品中。电磁电饭煲则是利用变化的磁场促进 饭煲内胆铁分子的震动，铁分子振动所产生的热量可轻易的传给锅中的米水，热 效率提高了 15%左右，但价格在 500 元到 1200 元。具一项调查显示，大量的 消费者都能够接受 200 元到 300 元的电饭煲，超过 500 元就几乎无人问津了。而微电脑电饭煲不仅功能多、功耗低、保温性能好等特点，而且价格在 150 元到 350 元，是人们的理想选择。一种产品是否能够生存，不仅看它能否给厂家 带来利润，更重要的是看它有没有市场。而今，智能电饭煲不仅在市场将占据主 导地位，而且前景一片光明，因此我们选择智能电饭煲的开发。 第二章 SH69P42 芯片简介 2.1 69P42 内部资源与结构 SH69P42 是一种先进的 COMS-4 位单片机。它具有以下特性：3 K 双字节 OTPROM 空间，192个半字节 RAM 空间,其中系统寄存器为 48×4,数据寄存器为 144×4；8 位定时/计数器；8 位 A/D 转换器；10 位高速 PWM 信号输出；内建振荡器时钟电路；内建看门狗定时器；低电压复位功能且支持两种低功耗工 作方式:HALT 和 STOP，节约电能消耗。功能框图如图 1.1 所示. 图 1.1 SH69P42 的功能框图 SH69P42 的工作电压 4.5V 到 5V。晶体振荡器可以选取内振荡器和外振荡 器，内振荡器的晶振频率为 4 MHZ ；外振荡器的晶振频率范围是 40K-8 MHZ。 2.2 相关内部资源比较 表 1 SH69P42 与 89C51 内部资源比较表 2.3 整体比较 方案一: 采用熟悉的英特尔 MCS-51 系列中的 89C51 单片机,如图 1.2 此方案的优点是，89C51 单片机已熟练掌握，便于应用。缺点是：电路复杂，稳 定性相对较差，而且成本比较高。 图 1.2 采用 89C51 单片机的智能电饭煲原理框图 方案二: 采用台湾中颖公司提供的 SH69P42 单片机。电路图如图 1.3 图 1.3 采用 SH69P42 单片机的智能电饭煲原理框图 由于 SH69P42 内部集成有 8 位的 A/D 转换器，且转换速度可达到 100μｓ；有 10 位高速 PWM 输出驱动蜂鸣器工作,相对的外围电路就比较简洁，且稳 定性也比校高。另一大优点是价格比较低廉，一块 SH69P42 芯片才 4 块多钱，而一块 89C51 芯片就接近 10 块，一块 A/D 芯片也需几块钱。任何一种产品， 要充分的占领市场，首先，它的质量必须可靠；其次，它的价格要比同行偏低， 且能让消费者接受。因此，追求物美价廉不仅是消费者的理念，也是厂家追求的 宗旨。方案二无论是价格上，还是稳定性上，都比方案一优越，所以，本设计采 用了方案二。本设计的全部硬件电路 图如图 1.4 所示 1.4 电饭煲的整体电路图 电饭煲的整体框图如图 1.3 所示，整体硬件电路图如图 1.4 所示。 图 1.4 电饭煲的硬件原理图 注：标有 12 标致的底座分别接锅底和锅盖传感器 第三章 电源、显示及键盘模块 3.1电源模块 方案一 采用常用的三端稳压芯片 7805 得到 5 伏的电源。如图 2.1 图 2.1 5 伏电源原理图一 方案二: 采用 5 伏的稳压管二极管和三极管取得 5 伏的电源。原理图如图 2.2 图 2.2 5 伏电源原理图二 方案比较：对于 5 伏电源，方案一是通过三端稳压芯片 7805 来实现的，成本明显比方案二的要高，但方案二的三极存在温度飘移，稳定性较差一些。虽然方 案一的稳压效果比方案二更佳，但由于 SH69P42 的工作电压 4.5V 到 5V，方案二也能满足要求而成本又低，所以，本设计方案的电源部分采用方案二。 3.2 显示模块 本设计利用人的视觉暂留，采用了动态显示。由于人的视觉暂留时间为 0.1s，当扫描频率大于25 赫兹，人眼就感觉不到闪烁。利用人眼的这个特性， 本设计采用了分时显示，在不同的时间段点亮不同的 LED，没被点亮的 LED 就被熄灭。点亮 LED 的周期为 10 毫秒，频率为 100 赫兹，远大于25 赫兹，人眼就看不到闪烁。在程序中，处于不同的状态下就向显示的 RAM 中置入不同值， 不同的值通过查表得到相应显示代码，显示代码经单片机一个输出端口，送给芯 片 74LS164，经 8 次移位后，送给 LED 显示，电路图如图 1.4 所示。点亮 LED 是在 1ms 的中断中进行的。在软件中，显示是在 1ms 的中断中完成的，每产生 一次中断，RAM 寄存器就加 1，当 RAM 等于 10 时，把 RAM 清零，重新计数。然后在中断中，不断的去判断 RAM 的值，当 RAM=2 时，点亮 LED1，同时关掉 LED2 和 LED3；当 RAM=3 时，点亮 LED2，同时关掉 LED1 和 LED3；当 RAM=3时，点亮 LED3，同时关掉 LED1 和 LED2；点亮的周期为 10ms。显示的流程图如图 2.3 所示。动态显示的优缺点，能节约能源；节省保贵的 CPU I/O 口；缺点：由于是分时显示，不同的时间段，点亮不同的 LED，没被点亮的就被熄灭，因此 LED 不够明亮。 11 3.3 键盘模块 本设计的键盘是通过电阻分压，经 A/D 转换后由 CPU 来完成。由于不同的电阻，分到不同的电压，而不同的电压经 A/D 转换后得到不同的 AD 值，CPU 通过判断不同的 AD 值来判断每个按键。相应的电路图如图 1.4 所示。 本设计中，共有六个功能按键，分别是快煮、煮饭、保温/取消、煮粥、煲汤和预约。它们对应的电阻值、电压值和 A/D 范围值如下表 2。 5.1 避免按键误判断的 为了防止由于电压的波动和干扰信号引起的按键误判断，在设计中采取了以 下三种措施： a)、在选择按键电阻时，尽可能拉开两个按键的电压值。在此设计中，两个 按的电压差 ΔV=0.5V,相应的 A/D 转换值为 19H。 b)、判断按键时，以相应按键电压的 A/D 转换值为中心值，再上下扩展 19H，形成一个 A/D 值区间。 c)、采取按键消抖。在程序中，按键采用 20ms 的延时去抖动。 在实践中发现，当临近的两个按键的键值相差大于 8H 时，再进行按键消抖，就能避免按键乱串现象，所以，采用以上三种措施，很好的消除了按键误判断现 象。 5.2 扫描键盘 在程序中，扫描键盘是在 1ms 中断中进行，如果到有按键按下，设置 相应的按键标志位为“1”，在主程序中，当检测到按键标志位是“1”时，就进行相应的按键处理。扫描键盘的周期为10ms,频率为 100Hz。程序流程图如图 2.3 所示。 第四章 故障检测与保护 6.1蜂鸣器 蜂鸣器 DI 提示音，主要通过 CPU 的 PWM 产生 4KHz 的正弦方波，驱动蜂鸣器工作而产生。当需要 DI 提示音时，CPU 就打开其使能端，让蜂鸣器工作。 在按键时，DI 的一声提示，确认此次按键有效；“DI、DI„”响五声时，提示主 人此种功能已完成，进入保温状态；“DI、DI„”响十声时，提示主人系统出现 故障，需要检修。 6.2 传感器的检测 温度的控制是本设计的成败关键，而对温度的控制主要依赖于传感器的检 测。如果传感器出现了故障，电饭煲就无法进行正常工作（虽然有加热时间限制）， 所以，在一上电时，必须对传感器进行检测，判断是否开路或短路。 检测的方法为：在电饭煲工作之前，对传感器的电压进行 10 次采样，求其平均值，再进行比较，当平均值大于 FCH 时为短路，小于 04H 时为开路。 这个比较点的设置必须要满足在任何温度下都能够检测出传感器的故障而不是 误判断。因为我国的地域辽阔，南北的温度差异很大，而热敏电阻对温度的影响 又很敏锐，当温度过低或过高，热敏电阻分到的电压值很大或很小，一旦设置的 判断点不当，在南方一切正常，到北方却会当作短路或开路而误处理。因此判断 点的设置尤为重要，须在不同的温度下做大量的实验。 7.2 检测干烧 干烧有两种情况，一种是空锅发热盘干烧，另一种是无锅发热盘干烧。检测 干烧是通过锅底传感器温度的变化率来判断的。当变化率大于 K1为空锅干烧，小于 K2 时，为无锅干烧。检测方法是按下功能键之后，先让电饭煲预烧一分钟， 一分钟到记下此时底部传感器温度转换的 A/D 值 AD1 ，然后再烧一分钟，第二分钟到，再记下此时底部传感器的温度转换的 A/D 值 AD2 ，计算 K=AD2-AD1 ，当 K 大于某一个值 K1 时为空锅干烧，当 K 小于某一个值 K2 时为无锅干烧。但是，在不同的电压下，发热盘的功率会有所变化，电压高，发热盘的功率会增 加，电压低时，发热盘的功率会减小。因此，当电压处于不停波动，且波动的幅 度比较大时，或者电压一直处于 200V以下时，在这种情况下，虽然处于空锅干 烧，但是它的变化率 K 还是小于 K1 却大于 K2 ，当作一种正常情况来处理而 继续干烧下去。为了避免这种误判断，本设计采用了第二次干烧检测法，就是在 第一次判断有锅后，再在第三分钟时进行第二次判断，如果是空锅干烧时，锅底 的温度接近 200?，无论从斜率上还是从温度点上，都有很容易判断出干烧来。 另外在检锅完成之后，对锅底的温度进行了过热保护。当锅底温度超过 150?时，强制断开继电器。这样既能防止干烧，更重要的是避免锅底过热而使米饭烧焦而 有锅巴。 6.3 为何要进行干烧保护 a)、避免由于发热盘温度过高而损坏发热盘内的电路和锅底的传感器。 b)、防止温度过高使锅圈脱落而损坏电饭煲。因为电饭煲的锅圈与面壳之间 有一层比较耐温的树脂胶，而当温度超过其耐温点就变形而损坏。 c)、防止损坏防粘膜。在锅具的表面覆盖有一层防粘的保护材料铁佛龙，虽 然铁佛龙比较耐温，但温度过高就破坏其性质，而一旦保护层损坏，煮饭不仅易 粘锅，更重要的是易烧糊而有锅巴。 掉电检测与保护 8.1 掉电检测 本设计要求，当瞬间断电，断电时间在 3~10s 时还能回到原设置状态而不 复位。这就要求在程序中不断地检测电源，而且检测到掉电的灵敏度要高。因此 本设计选择的检测点选取在桥式整流的半波整流处，一旦掉电，不会产生电容的 放电干扰，立即就能检测到，检测电路如图 1.4 所示，通过单片机的 PC.3 口检测来完成，此端口的输入波形如图 7-1 所示。 图 7-1 掉电俭测波形 8.2 掉电检测方法 根据这个波形，采取了相应的检测方法。本设计判断掉电是在 1 ms 的中断中进行的。每产生一次中断，判断 PC.3 是否为高电平，当为高电平时，RAM 中加“1”，判断的周期为 20 ms。当 20 ms到，再判断 RAM 中的值，当大于 2 时，无掉电，RAM 清零再继续检测；当 RAM 的值小于 2 时，判断为掉电，RAM 清零，置掉电标志位为“1”，当主程序中检测到掉电标志位为“1”时，进入掉电保护。 相判断值为何是大于 2 而不是大于 1 呢？这主要是避免由于尖脉冲的干扰而出 现误判断。 8.3 掉电保护 当检测到掉电后，立即断开继电器，关掉 LED 显示和蜂鸣器，同时保存关闭前的状态，靠电容放电来维持 CPU 的工作。在掉电保护中，有以下两种可行 方案。 方案一：关闭 CPU 的各种输出口和各种中断，此时 CPU 只对 PC.3 端口进 行检测，当掉电时间比较短，上电后立即恢复原来的状态继续工作，当掉电时间 过长，电容放电完就自行复位。 方案二：采用 69P42 内部的 STOP 方式。当检测到掉电后，让 69P42 处在 STOP 模式下。在这种模式下整个芯片（包括振荡器）都停止工作，此时只响应 端口中断和看门狗定时溢出中断，当上电时，PC.3 检测到高电平，产生端口中断将 CPU 唤醒，恢复原状态继续工作。当掉电时间过长，电容放电完就自行复 位。 方案比较：在掉电情况下，CPU 的工作电压完全靠电容放电来维持。而方案 二采用低功耗 STOP工作方式，比方案一更加节约能源，延长掉电恢复时间，所 以本设计采用了方案二。 温度的检测 9.1 温度的采样。 温度的检测和控制是此设计成败的关键。在本设计中，温度的检测是通过锅 底和锅盖的两个50K? 热敏电阻来完成。不同的温度，热敏电阻的阻值就不同， 阻值的大小与它的温度成反比。当温度高，热敏电阻的阻值就小，分到的电压就 低，取样电阻上分到的电压就高，A/D 转换的值就大；相反，当温度低时，热敏 电阻上分到的电压就高，取样电阻上分到的电压就小，A/D 转换的值相对就小。CPU 通过 A/D 转换值的大小去控制温度。温度采样原理图如图 1.4 所示。为了 防止干扰信号而产生的误判断，在对温度进行采样时，首先进行十次采样，再取 平均值。采样周期为 10ms，完成十次采样需 100ms，这样就能消除干扰。温度的采样和求平均值，都是在 1 ms的中断中完成的。 第五章 预约功能 在待机状态下，按“预约”键可进行预约开始用餐的时间。预约的时间就是 从当前时间到烹调完成的时间，也就是预约的时间中包含整个烹调时间。预约的 时间范围是 1-15 个小时，设置时间的步进为“1”。预约流程图如图 9-1 所示。预约时间设置好后，按下烹调功能键，就开始烹调前的倒计时，并且功能灯以每 秒一次的速度闪烁，若用户预约的时间段小于烹调所需的时间，或者倒计到所剩 时间等于烹调所需时间时（设预约的时间为 T1，此功能完成的时间为 T2，加热的时间点 T=T1?T2）就立即加热工作。此功能为忙碌的上班族提供了方便，只 要在上班前设置好预约时间，等到一下班回家就能吃到香喷可口的米饭。 10.1 预约煲汤 待机状态下按“煲汤”键，可对水沸腾后的煲汤时间进行设定,设定的时间 40～95 分钟。设定的步进为“5”，即每按一次“煲汤”键盘时间递增 5 分钟，可循环设定。程序设定的时间默认为 40分钟，也就是不进行煲汤时间进设定时， 水沸腾后的调功时间为 40 分钟。设定好煲汤 3S 后，进入全功率煲饭功能，后 面一位数码显示“—”；在按“预约”键进行时间预约后，再按“煲汤”键，也 可对水沸腾后的煲汤时间进行设定, 设定的时间 40～95 分，设定好煲汤 3S 后，进入倒计时，同时煲汤的 LED 灯以每秒一次的速度闪烁， 倒计时到所剩时间等于设定时间加上煲汤煮沸所需的时间时（就是整个煲汤功能 完成的时间），开始全功率煲汤加热，后面一位 LED 数码显示“—”。 图 9-1 预约时间流程图 第六章 电饭煲的工作过程 对于一个电饭煲，要做到工作中无水或米浆溢出，做出的米饭口感好，饭香，无 粘底或黄底，米饭的外观光亮；做出的粥/汤，香、无粘底，与水完全融合成一 体。这并非一件容易的事。要想达到烹调的要求，必须要做好以下工作。 11.1 判断米量 因为不同的米量，在加热时吸收的热量不同，锅内实际温度与传感器检测到是温 度相差大小也各不相同，因此相应的吸水点、沸腾点和焖饭点，所对应的传感器 的电压值也就各不相同。所以在吸水点之前,必须要判断出米量来。 11.1.1 米量的等级分类方案 在给米量的分等级上，当然是越细越好,那样便于温度的控制，但是要想准 确的判断出米量就非常困难，而且要测的参数非常多。所以采用了以下两种方案。 方案一: 把米量分成大量、中量和小量三种等级。 方案二: 把米量分成大量、中大量、中量、中小量和小量五种等级。 首先要看锅的容量。当锅的容量为 3 升或更小时，第一种方案优于第二种 方案，因为方案一不仅能区分出米量，而且要测的参数也较少，软件的难度也大 大的降低了；但是当锅的容量大于 3 升时，方案一就不能准确的区分出米量的 多与少，米量判断就比较模糊，相应的吸水点、沸腾点和焖饭点所对应锅内温度 就无法准确的判断，烹调的效果就不佳。这时方案二的优点就显示出来。因此米 量的分类要结合锅的容量来考虑。 11.1.2 煮饭和快煮米量的判断 把米量分成几档之后，怎样才知道米量处在那个档次呢？此时必须要进行米 量的判断。米量的判断有两种方案。 方案一：根据锅底传感器的温度变化率。 判断方法：根据锅底传感器从 1.7V 升到 3.5V（锅底温度从 46?升到 88?）时所用的时间 t 来判断。不同的时间 t 对应不同的米量。理论上，米量越 多，吸收的热量多，需要的时间长。而实际测量值并不如此。数据如下表 3。 测量条件：锅的容量：4 升；功率：700W，电压：220V 左右，米和水的比例： 1:1.5.从表 3 中不难看出，米量多少并不是与时间成正比。为什么会产生这种 现象呢?这主要是因为,米是一种不良导体。当米量多时，锅底热量不易传导开， 造成锅底局部过热，锅底温度迅速上升，时间却很短。所以这种方案是不可行的。 方案二：对锅底、锅盖的传感器的斜率同时加以判断。 由于米是一种不良导体，对热量的传导速度比较慢。当米量多时，不仅本身 吸收的热量比较多，而且把热量传导到上面的速度也比较慢，因此上面传感器温 度的变化率就比较小；相反，当米量少时，上面传感器温度的变化率就比较大。 因此，在不同米量下，即使下部传感器的温度变化率是相同的，而上部传感器的 变化率却能区别开来，如下表 4 所示。 测量条件：锅的容量：4 升；功率：700W，电压：220V 左右，米和水的比例：1:1.5。从表 4 可以看出，不同的米量虽然时间相同，但上面传感器的斜率却有 很大的差异。把上下传感器的斜率同时进行比较，基本上就能判断出米量来。显 然方案二优于方案一。 由于吸水点的温度在 65?左右，所以在判断米量期间，锅内的温度上升不 能超过 65?。正是考虑到这一点，在判断米量，选择锅底传感器从 1.7V 升到 3.5V。从 1.7V 升到 3.5V 期间，米量少时，锅内温度达到 60?，米量多时，锅内在温度 40?左右。 11.1.3 煮粥和煲汤量的判断 在煮粥和煲汤时，量的判断相对就比较容易，因为米或汤料与水的比例为 1:10，相对来说，锅内水的量占绝大部分，而且水对热量的传导率相同，锅内的 温度就均匀变化。量的多少基本上与时间成正比，由锅底传感器的变换率就能判 断出来。 11.1.4 米量判断的误差与难点 在米量判断时，不同的米质，电压的波动都会给米量的判断带来误差。相同 的米量，不同的米质，在加热时吸收的热量就不同，上下传感器的变化率就不同， 判断就不同；如果电压的波动，也会引起米量的误判断。 本设计遇到的最大难题就是热态问题。在做饭时，人们为了节省电能或者赶 时间，用热水进行做饭。在本设计中，判断水量是在吸水点 65?之前进行，且判断米量的标准之一就是锅底传感器从1.7V 升至 3.5V 所用时间，也就是锅底从 46?上升到 88?所用的时间，然而在热态时，水的温度是个不定因素，可能 高于 46?，也可能高于 65?。而且在热态下，一段时间后，米就变得脆且表面 较软，这时米量正处吸热阶级，加热时锅底传感器温度变化相对就慢一些，而此 时，顶部传感器变化率相对快一些。这种情况下，方案一和方案二都无法胜任， 采取了另一种方案。 当判断是热态时，上电就满功率加热五分钟，五分钟到，关闭功率，记下此 时上下传感器电压值。然后吸水二分钟，由于上下温度要平衡，顶部传感器温度 一直在上升，而底部传感器的温度在下降，二分钟到，记下这时上下传感器的电 压值，然后再判断各自的变化率，进行米量的判断。因为米量多，吸收的热量多， 顶部上升率相对较小，底部下降率相对就大一些。相反，米量少的时候，顶部传 感器的变化率相对大，底部变化率相对小。存在的缺点是，当米量少或者热态水 的温度比较高时，加热五分钟，温度已经快煮沸，超过了最佳吸水温度，煮的饭 不香，口感也不是太好，但是加热的时间过短，停止吸水时传感器的变化率很小， 无法区分。所以热态水煮饭仍然需要不断的探索，寻找一个最佳方案。 11.2 温度点的设置与吸水 在判断米量之后，根据不同的米量来设置它不同的吸水点（65?温度点）、沸腾点（100?温度点）和焖饭点（130?温度点）。在正常煮饭时，吸水时的温 度基本控制在 65?左右，在吸水判断中，当温度达到吸水点的温度时，停两分 钟，让锅底温度和锅内温度平衡，两分钟到，再次检测锅内的温度（依据顶部传 感器），当低于 65?时，进行小功率加热，当高于 65?时，停止加热。开始吸 水，吸水的时间为五分钟，五分钟吸水时间到，又开始满功率加热，一直到煮沸。 在快煮吸水中，为了体现它的“快”字，在吸水期间，不是完全停下来，而是给 它一定的功率，让它处于间歇式的加热状态，一是使锅内温度平衡，二是起到吸 水的目的。煮粥和煲汤就吸水在煮沸后，所以上电直接加热到煮沸。 11.2.1 吸水的目的 a．吸水后，活性水相对减少，这样在沸腾时就不易溢锅。 b．吸水之后，煮出的饭就不会很硬，而且口感好，饭香。 11.3 沸腾 吸水后，满功率加热到沸腾点，然后改用间歇式的加热方式，直到锅内的水 沸腾。这种波浪式加热方式，让锅内的米浆有一个缓冲的余地，避免米浆的溢出。 11.3.1 沸腾点的设置 在判断米量之后，根据米量来设置相应的沸腾点。沸腾点的设置是否得当非 常关键，当沸腾点过高，有米浆溢出，而沸腾点过低，波浪式加热到煮沸的时间 太长，煮出的米饭就不香，口感也不佳。在本没计中，沸腾点所对应锅内的温度 为 95?左右，而不是 100?，如果沸腾点设为 100?时，当满功率加热到 100?，米浆就会一涌而上，就有大量的米浆溢出；若设定的过底，也达不到烹调的 要求。因此沸腾点的设置要得当。 11.4 沸腾的调功过程 在本设计中，调整发热盘的热能是靠断开和吸合继电器来完成的。在调功中， 调功的周期为 30秒，在 30 秒内，继电器合上的时间越长，加热的能量就越大， 相反，合上的时间越短，加热的能量就越小。另外，电压的高低也会影响发热盘 的功率，电压高，功率增加，加热相等的时间能量就高，相反，电压低，功率减 小，能量就小；而米量的不同，需要的能量也各不相同，米量多，需要的能量就 大，米量少，需要的能量相对也小。因此，调功不仅需要考虑到当时的电压，而 且也要和米量合起来。所以，在调功前必须判断当前的电压。 11.4.1 判断电压 在每次调功之前，首先判断此时的电压，判断电压通过 69P42 的 A/D 转换输入端口 AN6 来检测，电路图如图 1.4 所示。本设计把电压分为八个档，每 10V 为一档，不同的电压档中，对应的寄存器RAM1 中的值不同，如下表所示。 根据米量和电压和关系，有以下三种调功方案： 方案一：一 一对应方式。在每一种米量下，对应有 8 挡电压，这样就有 40 种调功方式,这种方案不仅要测量的参数很多，重要的是软件非常复杂，程序量 将大于 3K 而超出 69P42 的 ROM 空间，显然此方案不可行。 方案二：在不同的电压下，设置不同的占空比装入 RAM1中，同样根据不同的米量，也设置不同的占空比装入 RAM2中，如表 4 和表 5 所示，然后取出 RAM1和 RAM2相加求得调功占空比，进行调功。很明显，这种方案大大的减少了程序 的复杂性，但是相应的 RAM 中的值是多少才合适？又是以哪种 占空比为准？这种方案的参数设置非常困难，且参数调整也非常复杂，所以此方 案也不可取。 方案三：相互弥补方式。也就是当高电压遇到了大米量或低电压遇到少米量 时，都当作正常情况处理，如上表 4 和表达式所示，当 RAM1+ RAM2=7、8 或 9 时，为正常情况；若 RAM1+ RAM2的值过大 或过小时，也就是低电压遇到大米量或高电压遇到小米量时，占空比的调整的幅 度就比较大。而这种调功是通过查表来完成，根据 RAM1+ RAM2的值查表，取得相应的调功占空比。这种方案的优点是可相互弥补，把调功可能的情况压缩到了 16 种，而且修改参数时，只需调整所查表格的占空比便能完成。这种方案，无 论是程序的复杂性上还是调整参数上，都优于前两种方案，故采用此方案。 11.4.2 沸腾后的调功 调功参数的设置：不同的米量，不同的电压，调功的占空比设置多少才是最 佳呢？这不仅是本设计成败的关键之一，也是本设计的难点之一。在煮饭和快煮 功能时，在沸腾后的调功期间，当调功功率过大，锅底会出现黄锅巴，而米饭中 还含有大量水而没来得及蒸发，这种情况下，煮出的米饭较软，中间像稠粥一样， 而且米饭一点也不香，毫无口感，而调的功率过小，虽然水分都能蒸发，锅底无 黄底，但煮出的米饭不香，口感也不佳，而且锅底粘锅非常严重。所以每一个调 功参数的取得都是在做无数锅米饭中不断的修正才完成的。 （1）煮粥调功 煮粥调功是调功中最难的部分，因为煮粥最容易溢出。在煮粥沸腾点的设置 显得尤为重要，设置的稍微过高，或者在临近沸腾时电压突然升高，就会出现米 浆溢出，如果设置的过低，调功煮沸的时间过长，煮出的粥就不香。所以在设置 沸腾点时，一般设置在 94?左右，然后转入间歇式加热，直到沸腾，也就是上 面传感器的电压达到 3.6V 时，停止加热 5 分钟，目的有以下四点： a．是让翻滚动态的沸水慢慢的静下来，防止一涌而上而溢出。 b．让锅内水面上一层水沫溶入水中，因为水沫最易溢出。 c．让米充分地吸水，减少活性水。 d．同时让发热盘的余热慢慢的释放,使锅的上下温度平衡。 吸水 5 分钟到，转入调功，调功采用了调功方案三，但是如煮饭和快煮不 同的是，调功的时间为 40 分钟，而且调功分时间段进行，每 10 分钟为一段，即调功 8 分钟后停 2 分钟，同时调功的周期增加 2s，由原来的 30s 增加到 32s，34s 到最后的 36s，而且到最后的 20 分钟时，继电器吸合时间也在减小， 即有调表得到的值在倒数 20 分钟时减 1 再倒数 10 分钟时减 2。因为热量是不断积累的过程，即使功率很小，而时间比较长，米浆同样会溢出，当功率大， 米浆更易溢出。在这种情况下，就采用相应的调功方式：阶段性调功。具体的方 法是：一、以十分钟为一段，调功加热 8 分钟，停 2 分钟；二、在最后了二十分期间，不断的增大调功周期，由 30 秒增加到 36 秒，同时减小继电器的吸合时间。目的在于防止米浆溢出的，使水完全溶合成粥，达到烹调的要求。 （2）煲汤调功： 煲汤调功相对来说要简单一些。在煲汤时，汤料和水的比例为 1:10，这样锅里绝大部分是水，整体受热就比较均匀，同样汤的沸腾也是通过间歇式加热而 达到的。在煲汤调功中，因为煲汤的时间从 40 分钟到 90 分钟是可调，而时间的长短又影响调功的功率，如果时间过长，炖汤的功率就要小；相反时间短，炖 汤的功率就要大些，这样炖的汤就香，而且汤很稠，才能达到烹调要求。 在煲汤时，汤料和水是 1:10 的比例，也就是锅内大部分都是水，而在煲汤时发 现，在沸腾之后，水多与水少对功率的要求并不重要，所以在调功时只考虑到预 约煲汤的时间和当时的电压。如下表6 和表 7 所示，把各自的状态放入相应的 寄存器 RAM3 和 RAM1中，然后把 RAM3 和 RAM1相加，再查表取出相应的调功 占空比进行调功。调功的方式基本上和煮粥沸腾调功相同，不同的是在调功期间， 调功的周期是不变的。 11.5 焖饭过程 10.5.1 焖饭点的设置 焖饭点就是锅内水蒸干时的温度点。不同的米量，设置不同的焖饭点。米量 多时，设置的温度点就高一些，相反米量少时，设置的温度点就相对低些。如果 米量判断有误时，锅内的水分有可能没蒸干就转入焖饭调功，为了避免这种情况 出现，本设计采用了二次烘干的措施，也就是第一次温度达到焖饭点后，让继电 器停止工作三分钟，让锅内的水分渗透到锅底，若有水分或水分很多时， 锅底的温度会下降很快；若无水分，锅底温度下降就很慢。三分钟到，再以小功 率加热直到温度达到焖饭点。这样，锅内的水分基本上能够蒸干。这样一来，煮 出的饭的效果就更佳。 11.5.2 焖饭的调功 锅内水蒸干后，就转入焖饭过程。在焖饭过程中，对锅底最高温度进行限制， 超过某个温度，强行断开继电器，进行过热保护，避免锅底有黄底，达不到烹调 的要求。焖饭的调功也是采用调功方案三。把米量和电压结合起来，然后通过查 表取得调功占空比进行调功。 11.6 保温 待机状态下按“保温/取消”键，进入保温功能，或者各种功能完成以后， 报警 5 声，也进入保温功能。在保温状态下，保温灯亮，后面一位数码显示“b”。 在保温功能下，温度控制在 65?~75?,最佳温度为 72?。保温流程图如图 10-1 所示。 图 10-1 保温程序流程图 11.6.1 保温控制 方案一：改变占空比。当传感器检测到温度高于 75?，减小占空比，即减小继电器的吸合时间，增加关断时间，当温度低于 65?，增大占空比，即增加继电器的吸合时间，减小关断时间,周期为30 秒。在实践中，这种方案是不可 行的，因为温度是不断积累的过程，当温度高于 75?时，虽然减小了占空比，但温度还是在一直上升的，一直处于高于 75?的状态，所以此方案不可行。 方案二：直接断开或吸合。当传感器检测到温度高于 75?，就直接断开继电器；当传感器检测到温度低于 65?，就吸合继电器；这样温度基本上能控制 在 72?左右。所以采用方案二。在不同的功能下，保温的效果有所不同，当是 煮粥或煲汤时，保温的温度基本上控制在 72?左右，因为锅内受热均匀，温度相对就好控制；当煮饭时，因为锅内是固态，热量不易传导，受热就不均匀，温 度只能控制 65?~75?之间。 11.7 程序流程图 本设计的各项技术参数都由软件来实现，可以说它是本设计的灵魂。软件控 制的好，就能达到设计的目的，完成各项指标，所以软件就显的至关重要。 本论文中，由于程序量很大，接近 3K，不便全部附在论文中，只能以流程图的方式加以介绍，部分主程序见附录。 11.7.1 主程序流程图 图 10-2 主程序流程图一 图 10-3 主程序流程图二 流程图 10-2 和 10-3 是主要完成传感器开路和断路的检测；上电后有锅无 锅的判断， 没有系统故障，就进行米量的判断，然后加热到 65?，再转到相应了功能子程序。 11.7.2 煮饭快煮子程序流程图 图 10-4 煮饭快煮子程序程图 第十二章 系统测试与分析 12.1 测试设备 电饭煲: 锅的容量为 4 升,发热盘的功率为 700W 温度计: 精度 0.1? 万用表：精度 0.01V 秒 表：精度为 0.1S 塑料量杯 12.2 测试结果与分析 12.2.1 煮饭和快煮 在 190V 到 250V 中的任一电压下,电压的波动幅度不超过 10V，煮饭和快煮都能达到烹调要求。但是当电压不稳定，上下波动幅度达到 20V；电压低于 180V 或高于 250V，米饭都能煮熟，但米饭不香，且口感不好。原因是，在电饭 煲工作的过程中，电压来回的波动，且幅度超过 20V，这样米量的判断就不准确， 相应的吸水点，沸腾点和焖饭点就会偏高或偏低，而且在进行调功时，由于电压 的波动，在查表取出的调功占空比也会偏大会偏小，这样煮熟的米饭就达不到烹 调的要求。下面是在 220V 电压下，电压上下波动不超过 10V，米的水的比利按 1:1.5，做的 7 个饭和 3 人饭的温度与时间曲线图，如图 11-1 和 11-2 所示 图 11-1 煮七人饭温度时间曲线 图 11-2 煮三人饭温度时间曲线 图 11-3 煮粥煲汤温度时间曲线 12.2.2 煮粥和煲汤 煮粥 180V 到 250V 中的任一电压下,电压的波动幅度不超过 10V，煮粥和煲汤的效果都能达到烹调的要求，但是在电饭煲工作期间，电压一直处于波动状 态，且波动幅度达到 20V，或者电压一直偏高，就有米浆溢出，如果电压一直偏 低，粥与汤就不香，米和水不能溶为一体，达不到烹调要求。 在电饭煲的各种功能中，煮粥是最难的一项。如果沸腾点设置的稍微偏高， 就会有米浆溢出；设置的过低，粥就不香；而在调功时，占空比过小，米和水不 能溶为一体，且米饭不香，占空比过大，就会有米浆溢出。所以很多电饭煲就没 有煮粥这个功能，它在对电压的要求比较严格。图 11-3 是在 220V 电压下，电压上下波动不超过 10V，米的水的比利按 1:10，煮粥的温度与时间曲线图如图 11-3 所示。煲汤在 180V 到 250V 中的任一电压下,电压的波动幅度不超过 20V， 煲汤的效果能达到烹调的要求。因为煲汤不易溢出，调功的占空比只如电压和设 置炖汤的时间成反比。电压高，或设置炖汤的时间长，调功的占空比就小；相反 调功的占空比就大。由于煲汤与煮粥温度变化基本相同，所以就用一个图加以概 括，如图 11-3 所示。 结束语 本设计是我踏入社会的第一个工作项目，从程序的编写到测试的基本完成， 投入了我三个月的时间。由于刚踏入社会，脑子里装的很大一部分都是从书本上 学到的理论知识，实践经验相对就少，而且以前对电饭煲的了解几乎为零，在这 种情况下，考虑的问题就不够全面，不够成熟，相应软件编写也就存在很多问题。 在以后的调试中，这些问题就纷纷显现，就要不断地进行修改，由于程序比较大， 几乎用完了单片机的内存，修改时难度非常大，因为一处参数的修改，下面的接 着要跟着改动，修改比编写还要困难。因此，可以这么说，每一点成绩的取得都 倾注了我大量的心血。 完成的指标和存在的不足 现在电饭煲各项技术参数已达到要求，即在 180V~250V 之间的任一电压下，且电压的波动幅度不超过 10V 或者超过 10V 时波动的频率不是太高就都能达到 各项功能的烹调要求。样机的测试已通过，现在正处于试产阶段。本设计存在的 二个技术难点是： （1） 电压在 180V~250V 之间，但电压上下波动幅度大于 20V，且波动频率很高； （2） 使用热态水做饭。 第一种情况下，电压在 190V~250V 之间的某一电压下上下来回波动，米量 的判断就不准确，相应的吸水点、沸腾点、焖饭点判断就不够准确；而且在调功 时，由于电压的波动，查表的取到的占空比也不准确，烹调效果当然就不尽于人 意。 第二种情况是，遇到热态水中，米量的判断就不够准确，相应的吸水点、沸 腾点、焖饭温度点就无法准确的设置，也达不到理想的烹调要求。以上二种是比 较特殊的情况，目前正在寻求有效的解决办法。 致 谢 忠诚感谢指导老师邵昌仪教授给了我精要的指导和珍贵的建议，另外论文的 完成还得到了物理系其他相关老师必要的指导和帮助，在此一并致以我衷心的感 谢！ 参考文献 [1] 李玲远,田化梅,宋立新编著.电子技术基础教程(模拟部分)[M].武汉:湖北科学技术出版社,2000 [2] 谢自美主编.电子线路设计?实验?测试(第二版)[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.7 [3]何小艇主编.电子系统设计(第二版) [M].杭州:浙江大学出版社,2001.6 [4] 张毅刚,彭喜源,谭晓昀,曲春波编著.MCS-51 单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版 社,1997.12 [5] 李华主编.MCS-51 系列单片机使用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,1993 [6] 谢处方，饶克谨编著.电磁场与电磁波(第三版).[M].北京: :高等教育出版社,1999.6 [7] 包兴,胡明主编.电子器件导论[M]. 北京:北京理工大学出版社,2001.1 31 [8] 徐惠民，安德宁编著.单片机微型计算机原理、接口及应用[M]. 北京:北京邮电大学出版 社,2002.10 [9] 沙占友.单片机外围电路设计. 北京:电子工业出版社,2003 附录: 电饭煲的部分程序 REST: ANDIM IE, 0000B;关中断 LDI PORTA, 0000B ;REST_SET LDI PORTB, 0000B ; LDI ADCPORT, 0111B;设置 AN7,AN6,AN1,AN0 全为 A/D 输入口 LDI PCCR, 0100B;PC.2 为输出口 PC.3 为输入口 ANDIM PORTC, 1011B LDI PDCR, 1111B;PD.0,PD.1 和 PD.3 都为输出口 ORIM PORTD, 0011B LDI PECR, 1111B;PE.0,PE.1,PE.2 和 PE.3 都为输出口 ORIM PORTE, 1111B LDI 0DH, 0000B ; LDI PACR, 1100B;PA.0 和 PA.1 为输入口 LDI PBCR, 0011B;PB.2P 和 B.3 为输入口 LDI 1DH, 1111B ; LDI 1EH, 0000B ; LDI WDT, 0000B LDI DPL,0 LDI DPM,3 LDI DPH,0 CLR_ROM0: LDI INX,0;寄存器 RAM 清零 ADIM DPL,1 BNC CLR_RAM1 ADIM DPM,1 CLR_RAM1: LDA DPH BNZ CLR_RAM2 LDA DPM BNZ CLR_ROM0 32 ADIM DPH, 01H JMP CLR_ROM0 CLR_RAM2: SBI DPM, 04H BNZ CLR_ROM0 MAIN: ORIM PORTE,1111B;待机状态其它灯灭 ORIM PORTD,1111B ; ANDIM PORTD,1101B ANDIM PORTC,1011B;关电不加热 LDI STATUS_FLAG0,0H ;BEGIM SCAN KEY LDI POWER_FLAG,0H LDI RICE_FLAG,0H LDI STATUS_FLAG1,0H LDI KEYFLAG0,0H ;清标志位 LDI KEY_FLAG1,0H;清标志位 JUDGE_SEN0: LDA KEEP_AN0L STA TENAVERL LDA KEEP_AN0H STA TENAVERH CALL SEN_OPEN_SHORT JUDGE_SEN1: LDA KEEP_AN1L STA TENAVERL LDA KEEP_AN1H STA TENAVER CALL SEN_OPEN_SHORT CALL JUDGE_POWER LDI ACCBUF,0H STA LOCK_STATUS,1 LDA KEY_FLAG1 ; BA0 BAO_WENAA ; LDA KEYFLAG0 ;JUDGE_FLAG STA LOCK_STATUS,1;锁定键盘按下的状态 BNZ MAIN_BRANCH JMP MAIN MAIN_BRANCH: LDI KEYFLAG0,0H CALL DELAY20MS LDA KEYFLAG0 SUB LOCK_STATUS,1 BNZ MAIN ORIM STATUS_FLAG0,1H ;STOP SCAN KEY LDA KEYFLAG0 BA0 LAMP_TANG ; 33 BA1 LAMP_ZHOU ; BA2 LAMP_KUAI ; BA3 LAMP_ZHUFAN LAMP_TANG: ORIM PORTD,0011B ORIM PORTE,0FH ANDIM PORTE,0111B JMP MAIN_NEXT0 LAMP_ZHUFAN: ORIM PORTD,0011B ORIM PORTE,0FH ANDIM PORTE,1110B;PE.0 为低电平,煮饭灯亮 JMP MAIN_NEXT0 LAMP_KUAI: ORIM PORTD,0011B ORIM PORTE,0FH ANDIM PORTE,1101B JMP MAIN_NEXT0 LAMP_ZHOU: ORIM PORTD,0011B ORIM PORTE,0FH ANDIM PORTE,1011B MAIN_NEXT0: LDI KEYFLAG0,0H;清标志位 LDI KEY_FLAG1,0H CALL ALARM02S;声报警 ORIM PORTC,0100B;PC.2 上电， 电饭煲工作 LDI ACCBUF,0H STA SECONDL STA SECONDH ;上电计时 STA MINUTEL STA MINUTEH STA HOURL STA HOURH LDA KEEP_AN0L STA LIMITL ;1MINUTE JUDGE PAN LDA KEEP_AN0H STA LIMITH ANDIM STATUS_FLAG0,0EH ;BEGIM_SCAN_KEY WAIT_1M: CALL JUDGE_POWER ; LDA KEY_FLAG1 BA0 IF_CANCEL LDI ACCBUF,1H ;1 MINUTE TEST PAN SUB MINUTEL BNC WAIT_1M CALL HAVE_NO_COOK LDI ACCL,0H 34 LDI ACCH,0H LDI LIMITL,0H LDI LIMITH,0H JMP WAIT_40 IF_CANCEL: ANDIM KEY_FLAG1,0H CALL DELAY20MS LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINAA WAIT_40: CALL JUDGE_POWER ; LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINBB JMP MAIN_1 MAINBB: ANDIM KEY_FLAG1,0H CALL DELAY20MS LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINAA MAIN_1: CALL READ_AN0 LDI ACCBUF,4H;40 度为 1.8V,AD01000011 SUB ADTEMPH;500W 1.5=4CH BNC WAIT_40;1.8=5BH BNZ HIGH_40 LDI ACCBUF,0CH SUB ADTEMPL BNC WAIT_40 HIGH_40: LDA MINUTEL;判断米量, STA TRICEM0L;计时 LDA MINUTEH STA TRICEM0H LDA KEEP_AN1L STA FIRST_KEEPL,1;TOP SENSOR SLOPE LDA KEEP_AN1H STA FIRST_KEEPH,1 WAIT_65: CALL JUDGE_POWER LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINCC JMP MAIN_2 MAINCC: ANDIM KEY_FLAG1,0H CALL DELAY20MS LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINAA MAIN_2: CALL READ_AN1 LDI ACCBUF,4H; 2.0V=66H 1.6=51H SUB ADTEMPH;TOP SENSOR HIGHT 60 DEGREE BNC GO_NEXT;1.5=4CH 35 BNZ GO_WATER;1.4=47H LDI ACCBUF,0CH SUB ADTEMPL BC GO_WATER GO_NEXT: CALL READ_AN0 LDI ACCBUF,0BH SUB ADCHANGH ; BNC WAIT_65 ; BNZ NEXT01;3.47V=B1H LDI ACCBUF,1H SUB ADCHANGL BNC WAIT_65 JMP NEXT01 GO_WATER: ORIM STATUS_FLAG1,1H NEXT01: LDA MINUTEL STA TRICEM1L LDA MINUTEH STA TRICEM1H LDA KEEP_AN1L STA ONLY1L LDA KEEP_AN1H STA ONLY1H CALL JUDGE_RICE LDA LOCK_STATUS,1 BA0 BAO_TANG ; BA1 ZHU_ZHOU FOR_65: CALL JUDGE_POWER ;WAIT 65 ABSORB WATER LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINDD JMP MAIN_3 MAINDD: ANDIM KEY_FLAG1,0H CALL DELAY20MS LDA KEY_FLAG1 BA0 MAINAA MAIN_3: CALL READ_AN1 LDA ACCH; 2.0V=66H 1.6=51H SUB ADTEMPH ;TOP SENSOR HIGHT 60 DEGREE BNC FOR_65;1.5=4CH BNZ ABSORB_WATER;1.4=47H LDA ACCL SUB ADTEMPL BNC FOR_65 ABSORB_WATER: ANDIM PORTC, 1011B;关电吸水?X 分钟 36 LDA LOCK_STATUS,1//;送锁定键盘按下的状态 BA2 KUAI_ZHU ; BA3 ZHU_FAN JMP MAIN ; ;************************************** HAVE_NO_COOK: ANDIM STATUS_FLAG0,7H LDA KEEP_AN0L STA ACCL LDA KEEP_AN0H STA ACCH LDI ACCBUF,0FH ;180=0F6H SUB ACCH BNC NO_COOK LDI ACCBUF,6H BNC NO_COOK JMP EMPTY_NO_COOK NO_COOK: LDA LIMITL SUBM ACCL BC NO_COOK_1 SBIM ACCH,1H NO_COOK_1: LDA LIMITH SUBM ACCH BNZ END_ADJUST_COOK LDI ACCBUF,4H SUB ACCL BNC EMPTY_NO_COOK END_ADJUST_COOK: RTNI EMPTY_NO_COOK: ANDIM PORTC, 1011B ;OFF POWER ORIM STATUS_FLAG0,9H ;STOP SCAN KEY LDI ONLY1L, 0AH LOOP_10A: CALL ALARM02S CALL DELAY_05S SBIM ONLY1L,1H BNZ LOOP_10A HERE1: JMP HERE1 ;