毕业设计（论文）基于单片机控制的模糊电饭锅

摘要一个多世纪以来，许多科学家和思想家一直致力于人类大脑的构筑函数和运行机制的研究，试图将人类的思维方法装入机器，这就是人工智能。人工智能的出现，开辟了自动控制领域的新时代，模糊控制技术就是人工智能的重要分支。家用电器是模糊应用最多的领域之一，它们的控制过程一般很难用精确的数学模型来描述，所以对家用电器的控制往往要基于模糊控制，本文着重介绍在电饭煲的应用中，利用模糊控制原理如何来识别煮饭量及进行加热温度控制，同时简单介绍其硬件系统和软件系统的设计。关键词：模糊变量，电饭煲，模糊控制，隶属函数 AbstractMore than a century, many scientists and thinkers has been committed to building the human brain functions and operating mechanism in an attempt to load the machine the human way of thinking, this is artificial intelligence. The emergence of artificial intelligence and opened up a new era in the field of automatic control, fuzzy control technology is an important branch of artificial intelligenceHousehold appliances is one of the areas most fuzzy applications, they generally difficult to control the process of accurate mathematical models to describe, so the control of household appliances often based on fuzzy control, this paper focuses on the application in the rice cooker, using fuzzy control theory and how to identify the amount of cooking and heating temperature control, while a brief introduction of their hardware and software system design. Keywords: fuzzy variables, rice cookers, fuzzy control, membership function 目 录1.前言12 . 模糊控制系统概述22.1.普通电饭锅的结构22.2.方案论证22.3模糊电饭锅的工作原理22.3.1吸水阶段32.3.2加热阶段32.3.3沸腾阶段32.3.4焖饭阶段32.3.5膨胀阶段42.3.6保温阶段43.电饭锅模糊控制器的设计53.1.模糊电饭锅的基本功能53.2模糊控制的硬件设置53.2.1.电源电路63.2.2.检测信号的电路63.2.3.显示电路63.2.4.加热控制电路63.3.模糊控制的软件设计63.3.1系统初始化63.3.2参数设定63.3.3.工艺推理及过程控制74.模糊控制算法94.1 模糊控制的基本原理94.2米量的模糊推理104.3加热功率的模糊推理124.4工艺过程控制135.小结14参考文献141.前言随着科学技术的发展，家用电器发生了奇迹的变化。如今打上模糊控制标签的家用电器越来越多模糊控制技术是21世纪的核心技术，是模仿人类大脑思维的技术，是简单有效的控制技术。家用电器应用模糊控制技术后，在更加人性化的同时，其性能更加的完善，使用更加的方便，节能水平更高。模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制力图对人们关于某个控制问题的成功与失败和经验进行加工, 总结出知识, 从中提炼出控制规则, 用一系列多维模糊条件语句构造系统的模糊语言变量模型, 应用CRI 等各类模糊推理方法,可以得到适合控制要求的控制量, 可以说模糊控制是一种语言变量的控制。采用模糊控制的电饭锅是一种新型的多功能家用烹饪器具，它集微机技术、自动控制技术、食品工程技术和工业造型设计等于一体。本文由MCS-51系列8031单片机为核心组成的电饭锅模糊控制，对米量和温度进行模糊推理，来控制煮饭的加热过程，从而使模糊电饭锅实现吸水、加热、沸腾、焖饭，膨胀等多种功能，并且每种功能都能取得理想效果。2 . 模糊控制系统概述2.1.普通电饭锅的结构 普通电饭锅也称保温式自动电饭锅。在控制电路的设计上，通常把控制煮饭和控制保温两个功能结合在一起。它主要由加热器，内锅，锅盖，开关，磁钢限温器，自动保温器，指示灯，电源插座和外壳等部分组成。2.2.方案论证普通电饭锅普通电饭锅的控制大都采用温度控制原则，以保证电饭锅自动断电和保温。所以，电饭锅性能的优劣完全依赖这些器件自生物理特性和机械特性的好坏，由于限温器软磁钢导磁的不一致性和恒温器双金属片调整的不一致性，会直接影响电饭锅的质量原则。加上磁惰性以及机械惰性也会导致温度控制不准确，从而使电饭锅的控制特性变坏。它采用单一的温度控制，由于煮饭量，煮饭量和水质可以在较大范围内随机变化，因此，单一的温度控制原则是难以适应这种随机变化的。模糊电饭锅为了克服普通电饭锅存在的缺点，人们在设想，电饭锅的控制能否具有人类的一定思维。这种电饭锅可以进行米量的自动识别和烹调过程的自动调节，并以“煮饭专家”的思想控制全过程，从而使煮出来的饭从糖化程度，黏度，口感等方面进行度量，都比普通电饭锅的效果要好。它根据人工经验，采用模糊控制进行煮饭，成为名符其实的“煮饭专家”。2.3模糊电饭锅的工作原理电饭锅是常用家用电器，采用数字单片机和模糊控制技术可以对电饭锅进行理想的智能控制。在这一节中介绍的模糊电饭锅是采用单片机MC51系列-8031单片机进行控制的；它的煮饭过程用模糊推理进行调节；所以，利用模糊推理可以自动推算出电饭锅内的米饭量，并根据推算出的米饭量采用最合理的烹调工艺过程进行煮饭过程处理。这种过程是“煮饭专家”的专家控制过程。因而，模糊电饭锅煮出来的饭比传统的电饭锅要好得多，无论从糖化程度，粘度，口感等方面来说，都是十分吸引人的。模糊电饭锅是模糊理论在实际中应用十分成功的一个典型例子。也向人们展示了模糊理论应用的广泛前景。 从煮饭专家的角度分析煮饭的过程，可以把这个工艺过程分成吸水，加热，沸腾，焖饭，膨胀和保温阶段，如图1所示各个阶段的工作和意义如下： 图2-1 煮饭的工艺过程 2.3.1吸水阶段 大米在正常状态的含水量较低，吸水阶段的工作目的就是使大米的含水量升高，以便在加热阶段能够使大米的加热趋于均匀，热量易透到大米的芯部，提高烹煮的均匀性和米饭的质量。在这个阶段使大米的温度随水温上升，水温应低于55。C；否则会使大米中的淀粉a化，这样就会使米芯淀粉的糖化、还原糖等和外部即大米表面一样。在这阶段，米的传热性和水的对流情况均能达到满意的效果，锅和水的温度基本相同，耗用功率较小，是下一阶段的准备阶段。2.3.2加热阶段 加热阶段中对锅进行较大功耗的加热，从而使水温不断升高；大米继续吸收水分，并且在较高温度的情况下开始了淀粉的a化，在这个阶段，由于水温较高，热水开始进行对流，故使所有的米能均匀受热。在加热阶段中的时间对米饭的质量有极大的影响。它会使米饭的a化程度、还原糖量、硬度、粘度和味道都会产生不同的变化。在这个阶段中，控制加热过程使其合理地进行是尤其重要的。只有十分恰当地控制这个阶段的加热过程，使上述有关的米饭各种指标能处于均衡而较理想的程度；这样才能获得无论从营养还是口感上来讲都是令人满意的米饭。在加热阶段，无论这时锅内的米量是多还是少，一般都控制它的加热是均匀进行的，也就是说，要求锅中的米在一定的时间内能均速从t，时的温度上升到t。时的IOO OC。是说，要求锅中的米在一定的时间内能均速从t，时的温度上升到t。时的100。2.3.3沸腾阶段 沸腾阶段使电饭锅的水温保持在100。C的水平。这个过程使大米作深度吸水，而且在较高的温度作用下促使淀粉的a化。当大米充分吸水之后，饭锅的水就进一步减少。锅底就渐渐趋于干燥；当锅底的水份少到一定程度，则温度就会上升，这时沸腾过程结束。 2.3.4焖饭阶段 焖饭阶段的目的就是要使热量能透入到米饭的芯部，使米饭充分受热而内部的质量和外部质量趋于一致。也就是使米芯的淀粉的a化，还原糖等和外部即大米表面一样。焖饭阶段还使大米外部的水份一部分深透入米芯j促进内部的成熟变化，另一部分水份蒸发掉。这样，就使得整粒米饭外内一样。在焖饭阶段，饭锅内部的温度会上升到较高的温度，通常达到145 C左右。这样，不但有利于米饭的成熟，而且，使锅底的米饭产生特殊的香味。在到达145C左右时，停止加热，由饭锅的余热对米饭进行热焖。2.3.5膨胀阶段 膨胀阶段是一个使米饭松化的过程。这个过程在焖饭温度下降到一定程度时，马上又进行加热，这次加热会使米饭的水份进一步蒸发，由于蒸发水份对米饭的作用，使米饭进一步变得松软。加热温度高到一定程度停止，米饭又进行放热。米饭处于这种加放热状态；就可以变得充分松软。 2.3.6保温阶段 保温阶段在饭锅的温度下降到70时开始执行，通过保持米饭处于恒定的70。C温度，就能在12小时左右保持米饭的质量完好如新。传统的电饭锅以磁钢对饭锅进行控制、根本无法完成这个煮饭的工艺过程。用MCS-51系列8031单片机控制的电饭锅，以模糊控制实现煮饭专家的工艺过程控制，故可以煮出质量优良的米饭。3.电饭锅模糊控制器的设计3.1.模糊电饭锅的基本功能 模糊电饭锅具有很强的功能，其中包括以下几点：（1）可以煮各种米饭，蒸饭，蒸肉以及制作多种食品。（2）可以量多个烧饭时间，在规定的时间开始做饭，并按照程序自动将饭做好后停止蒸煮加热，进入待命状态。（3）可以显示各种定时时间值和蒸煮温度，有故障时能显示故障信息。（4）能够在一定加热功率条件下，通过电饭锅温升的速度来判断锅内米量。（5）能根据米量的多少来确定最佳烧饭温度曲线。（6）烧饭时，能根据自动报知加菜时间，提醒使用者及时加菜。（7）电源具有过压，欠压检测保护功3.2模糊控制的硬件设置这是由MCS-51系列8031单片机为核心组成的电饭锅模糊控制器。主要包括电源，检测信号输入电路，功能输入电路，显示电路和加热控制电路。 图3-1 电饭锅模糊控制硬件原理图3.2.1.电源电路模糊控制器硬件电路直流供电电源共分为+5V，+15V，+12V三个等级，三组独立电源均通过变流器由220V降压获得，给各自整流产生直流电压，只是在处理方式上有所不同。其中+5V供给8031单片机及附属电路，+15V是光电耦合器独立供电电源，+12V供给运算放大器电源。3.2.2.检测信号的电路 检测信号有两种，一种过零信号，另一种是温度信号。过零信号通过对电源进行半波整流后，由晶体管丁，。放大后产生方波信号而得出。由7，输入到MC6805R2的方波信号的上升沿或下降沿就是过零信号。温度信号是指电饭锅的水温和锅盖温度，温度由检测器71坨、丁门进行检测。是半导体晶体管温敏器件MSTl02。由于它检测的温度信号为几百毫伏级的直流电压，为了把其放大成o5V的直流电压，故采用二级运算放大器处理；第一级用于进行阻抗隔离，第二级用于信号放大。 3.2.3.显示电路 显示电路由6个LED二级管组成，它有两种显示功能，一种是工作状态显示，一种是定时显示。用Kz选择电饭锅工作方式时，第一次按下K。时，显示原有工作状态，从第二次开始按Kz时，则可改变工作方式。用K。决定定时时间，第一次按K。时，则可从工作方式转入定时方式显示，第二次后，可改变定时时间；定进时间显示时以一个LED亮表示半个小时，6个LED亮则表示3个小时，考虑到用水泡米的时间太长，会使得煮饭质量变劣，则和提高米饭质量的希望相违背，故不作太长时间的定时。希望相违背，故不作太长时间的定时。 3.2.4.加热控制电路 加热控制电路由双向晶闸管组成。加热电路有两个加热丝厶L。，其中厶是锅底主加热丝，己z是锅边副加热丝。L，和L。都由双向晶闸管所控制，双向晶闸管71，n。采用第、象限触发的方式；控制采用移相控制方式。这种逻辑结构有采用元件少，经济性好，可靠性高的特点；并且，它有较良好的控制质量和较弃令的功能3.3.模糊控制的软件设计模糊电饭锅的控制软件主要由初始化，参数设定、煮饭量及工艺过程推理，工艺过程控制等4个主要部分组成。控制软件的结构框图如图6所示。在图6所示的软件框图中，无论是加热控制、沸腾控制、焖饭控制、膨胀控制还是保温，当移相角不同时，就会使晶闸管的导通角不同，从而令加热丝的加热量不同。所以，在电源过零时应作为晶闸管触发的同步信号。这个电源的过零同步信号是从PA。输入的只要PA。的信号从高电平变为低电平或反之，则都是过零时刻。这个时刻就是移相的起始时刻，从该时开始进行延时移相触发晶闸管。3.3.1系统初始化初始化部分是对单片机MCS-51系列8031单片机的内部寄存器，存储器和IO端口中进行设定和清零等工作，以适合电饭锅进行模糊控制的需要。 3.3.2参数设定参数设定部分的功能有两个，一个是用于设定定时时间，另一个是设定工作方式。在设定定时时间时，程序检测K。的状态，并把其状态存入存储器相应单元，时间定时设定有6种，05小时，1小时，15小时，2小时，25小时和3小时。在设定工作方式时，程度检测K：状态工作方式有保温、煮饭、煮粥、煮汤、娟肉等5种，选中某种工作方式时，对应的LED亮。K。、K。在参数设定时，也作为转换按钮，K：可以使系统进入工作方式设定状态，K。可以使系统进入定时时间设定状态。在参数设定时，显示器同时显示相应信式设定状态，K。可以使系统进入定时时间设定状态。在参数设定时，显示器同时显示相应信息。但在按动按键K，使电饭锅启动工作后，显示器只显示工作方式。在按动按键K-时，可使电饭锅启动或停止烹调过程。在启动工作之后，程序根据检测到的室温、水温则通过吸水阶段的状态推出煮饭量，继而可推出工艺过程的有关参数。煮饭量和工艺过程推理可以在加热阶段之前完成，这时，推理过程的时间内电饭锅中的米仍处于吸水状态。工艺过程推理可以在加热阶段之前完成，这时，推理过程的时间内电饭锅中的米仍处于吸水状态。但煮饭量和工艺过程推理也可在加热阶段和加热控制同时执行。3.3.3.工艺推理及过程控制工艺过程控制包括加热阶段、沸腾阶段、焖饭阶段、膨胀阶段和保温的控制。在程序中，通过推理得出的工艺过程参数则用于这一部分的控制，这些参数包括温度、速率、时间等。通过对工艺过程的合理控制使得米饭的淀粉口化程度，还原糖、粘度、口感都达到较理想的水平。最后还要说明，电饭锅启动后，为保证系统不间断工作，关闭键盘，直到系统处于保温阶段时，程序再检测启动键。检测，也即这些按键再不影响系统工作。直到系统处于保温阶段时，程序再检测K的状态，如果K的状态不是停止工作，则继续执行保温，如果K的状态是停止工作，则程序停止进行保温，而返回定时和工作方式设定部分，以准备下一次的烹调工作。 系统的软件流程图如下所示。初始化 设定时间工作方式启动工作？取室温水温加热控制沸腾控制保温控制停止？煮饭量推理恒功率加热吸水工艺过程推理图3-2 模糊电饭锅控制软件流程图4.模糊控制算法在模糊电饭锅中，识别米饭量和进行温度控制都要用到模糊推理。在模糊推理中要用到模糊量，在这一节对模糊量及推理加以叙述。传统式电饭锅可以实现吸水、沸腾、焖饭这三个功能；但是，实现的效果也不达上乘。而模糊电饭锅可以实现吸水、加热、沸腾、焖饭，膨胀等多种功能，而每种功能都能取得理想效果。特别是，米饭的质量是关键的加热步骤所决定的，加热阶段的控制就是关键控制；而在加热阶段还需要推算出煮饭量。下面以米饭量的推理和温度的模糊控制。 4.1 模糊控制的基本原理模糊控制的基本原理可由图2.1表示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中所示。模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值然后将此量与给定值比较得到误差信号E,一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。把误差信号的精确量进行模糊化得到模糊量，误差E的模糊量可以响应的模糊语言表示。至此，得到模糊误差E的模糊语言集合的一个子集e。再由e和模糊控制规则根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u。图4-1 模糊控制器原理框图（1）精确量的模糊化模糊控制器的输入要求为模糊集合，因此需要将确定数模糊化。常用的方法有以下两种: 将确定数如看作模糊集合的一个特例。此时，模糊集合只包含一个元素, =*,在该元素上的隶属度为，即=0 0 0 1 0 0 （2.5） 根据确定数及量化因子，由=*求得在基本论域-，上的量化等级；其次查找语言变量的赋值表，找出在元素上与最大隶属度对应的语言值所决定的模糊集合，该模糊集合就代表了确定数的迷糊化。（2） 模糊控制算法设计模糊控制算法，或称模糊控制规则，实质上是将操作者在控制过程中的手动操作策略加以总结而得到的模糊条件语句的集合。除了用模糊条件语句表达控制规则外，还可以用模糊控制状态表来表示。常见的模糊控制器结构如图2.2所示，其中分(a)、(b)、(c)分别对应单输入单输出模糊控制器、双输入单输出模糊控制器、多输入单输出模糊控制器。模糊控制器模糊控制器 模糊控制器(a)单入单出模糊控制器 (b)双入单出模糊控制器 (c)多入单出模糊控制器图4-2 模糊控制器结构4.2米量的模糊推理 在模糊控制的电饭锅中，控制过程的各段时间是和米饭量有关的，因些米饭量的测定是第一步关键步骤；其后的过程则依据米饭量进行相应的控制。米饭量的测定是在吸水阶段进行的，而米饭量的测定是通过模糊推理实现的。在吸水阶段，电饭锅开始通电后，就开始了对锅内的大米进行加热，这时锅内的温度尚未来得及上升，这时首先检测出当时的室温和锅中的水温。随着加热过程的进行米饭的温度渐行一定程度的吸水，同时温度也就随之下降。经过一个阶段温度下降到40C。这时吸水阶段结束。由于室温、初始水温、米温、电源电压高低、加热器性能、饭锅的机械误差等因素随着时间和条件的不同而有所变化，要直接通过单一因素推断出饭量是不可靠的。而根据这么多因素来计算煮饭量，使用传统的计算方法也会程序容量和计算精度而难以实现。况且在加热阶段，一边进行温度控制和一边计算煮饭量是难以取得理想的温度控制性能的。在模糊推理中，考虑室温Tr，初始水温Tw和温度变化率Td 作为条件，而煮饭量Q为推理结果。 在室温Tr不变的情况下，温度变化率Td和煮饭量有密切的关系；同时，温度变化率Td又和初始水温Tw有一定的关系。因此，模糊推理是在室温Tr一为一定值的条件下，根据初始水温Tw和温度变化率Td推断出煮饭量。其推理规则为：IF Tw AND Td THEN Q.对于初始水温Tr和饭锅温度变化率Td以及煮饭量的模糊量如图所示，图中，煮饭量以单点加以表示。在模糊推理中，采用极大极小运算原理。对于n条模糊控制规则，就有IF Twi AND Tdi THEN Qi i=1,2,3, ,n 图4-3煮饭量的模糊量 在图3中，初始水温Tw的模糊量分别取小（S），中小”（MS），“中”（M），“中大”（MB）， “大”(B)共5个，模糊量采用梯形隶属函数。对于饭锅的温度变化率Td，其模糊量也取小(S)，“中小(MS)，“中(M)，中大(MB)和“大(B)这5个。只是这些模糊量的取值范围和意义与初始水温的不同。不过，隶属函数同样也是梯形。对于IF Twi =M AND Tdi=S THEN Q i=C5就要 m(Tw), s(Td)从而对于第i条规则有i，i =minm(Tw), s(Td) ，其余同理。 煮饭量虽然用单点表示，但是它的取值范围间隔不是均匀的，而按人的经验而定。模糊推理所采用的是极大极小运算。很明显，当模糊推理规则越多时，运算量越大。在实际中，为了提高推理速度，模糊推理规则一般取10条左右就足够了。但是，这10条规则只是在室温Td一为某恒值时的规则，而n为另一恒值时，则有另10条规则。另一恒值时，则有另10条规则。4.3加热功率的模糊推理 在模糊电饭锅中，温度模糊控制有两种情况，一种是恒温控制，另一种是匀速升温控制。恒温控制用于沸腾和保温阶段，均速升温控制用于加热阶段。无论采用那一种控制，都要对有关量进行模糊化。(1) 恒温控制 在恒温控制中，把温度偏差er和温度偏差变化率er，都分成负大(NB)、负小(NS) 、零(O) 、正小(PS)和正大(PB)五个模糊量。而把双向晶闸管的控制角分成0o，30o，60o，90o，120o，150o,180o七个单点模糊量，并且以m条规则IF erj er THEN Aj j=1,2, ,m 进行直接控制。对于温度偏差er和温度偏差变化率er，其隶属函数采用梯形函数；而控制角模糊量采用单点。温度偏差er，温度偏差变化率er和控制角模糊量如图所示。无论是温度偏差er或是温度变化率er的模糊量，它们的隶属函数有一个特点，这就是梯形函数；同时，相邻的隶属函数的顶边相接。 在实际控制中，只要把检测到的er和er进行模糊化，就马上按表97去进行控制；也即马上产生控制角以触发双向晶闸管。 图4-4 温度模糊控制 表4-1 恒温控制规则(2)匀速升温控制 在这种控制中，其控制原理和恒温控制类似，首先把温度变化率er和温度变化率的变化率er丁分成NB、NS、0、PS、PB五个模糊量，控制角也象恒温控制时一样用7个单点来表示。控制规则也用25条。但是，在匀速升温控制中，给定值是一个恒定的温度变化率，这一点和恒温控制有异。4.4工艺过程控制 在图3-2中给出了“煮饭专家”型的煮饭工艺过程。对于米量不同时，这个工艺过程的时间整定和配合是不一样的。在吸水阶段通过检测温度变化和进行模糊推理，得出了煮饭量。则整个工艺过程就必须按照煮饭量选择最恰当的工艺过程，这样才能进行理想的控制，并取得优秀的烹调效果。由于工艺过程还和当时的室温，水温等存在一定的关系，所以在确定工艺过程时还要考虑这些因素。工艺过程的控制也采用模糊推理，其推理情况如图3-2。5.小结经过两周的努力，这次的计算机控制系统课程设计终于完成了。此次微机原理课程设计收获颇丰。虽然不是第一次做课程设计，但还是一次对所学知识的总结，加深了对知识的理解和运用。同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在这次计算机控制系统课程设计中，首先我通过认真的准备，对所学的理论知识有了更深的了解，对以前没有弄清楚的问题在这次设计中通过亲自动手查证，论证，都一一解决了。特别是对这门课程中比较重要的知识，同时通过此次设计，增强了掌握这门技术的兴趣和决心。在此要感谢我们的指导老师胡老师和皮老师的悉心指导，感谢老师们给我们的帮助。在设计过程中，我和同学通过查阅大量有关资料，并向老师请教等方式来完成我们的设计。不久我们将走上工作岗位，希望能够综合应有所学理论知识去分析解决实际工程问题，将设计应有于实践，展现出大学生应该具有的技术理论知识水准。参考文献1 孙庆.模糊控制综述.控制工程J，19952 何平，王鸿绪.模糊控制器的设计及应用M.北京：科学出版社，19973 章卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用M.西北工业大学出版社，20014 党建武，王阳萍.模糊控制技术M.中国铁道出版社，20075 刘建辉. 单片机模糊控制技术及应用M.沈阳：辽宁大学出版社，20016 曹琳琳单片机原理应用及接口技术M国防科技大学出版社7 何新贵.模糊知识处理的理论与技术M.北京:国防工业出版社，1998.0414