智能模糊电饭煲控制系统设计

摘摘 要要信息家电是 21 世纪家用电器发展的主流方向。论文通过探讨信息家电的发展和技术要点，从实际工程出发，对传统家用电饭煲进行深入细致研究，实现电饭煲智能化控制设计。针对电饭煲的加热控制方法和电饭煲炊煮的最佳炊制加温曲线进行理论研究，提出了一种电饭煲炊煮工艺流程的设计方案，详尽分析炊煮流程的各个阶段和异常处理对策。针对炊煮流程，研制了一个易于实现的米量推算和加热功率的一维模糊控制器。定制了不同煮饭模式、不同米种、不同米量的炊煮模糊控制和保温、煲粥、蒸煮等状态的加热控制方案，并给出在炊煮各个阶段的参数。论文分析了模糊电饭煲控制系统的硬件结构和软件系统的设计。本文重点研究了 HT46R47 单片机在硬件设计过程中的低成本设计方法。在软件方面，研究了模糊电饭煲控制系统的软件控制流程并给出其流程图，同时重点介绍了根据推理结果设计的米量判断程序的流程。关键词：关键词：电饭煲电饭煲 HT46R47HT46R47 模糊控制模糊控制AbstractThe information appliances is the main products of the appliances in the 21th century. The paper discusses the core technique and the development of the information appliances. According to the practical project, the research on the traditional electronic rice cooker has been made and the application of the network and intelligence technique on the electronic rice cooker is realized.According to the heating control rules and the best heating curve of the electronic rice cooker, the paper puts forward a new cooking process of the cooker, analyses all the steps of the cooking process and the exceptions at large. With the new cooking process, a one-dimension fuzzy controller that can calculate the weight of rice and the heating power more easily is designed. In the paper, the fuzzy control way for different cooking modes, different kinds of rice and different weight of rice is provided o The paper also provides the heating control rules and the parameters in the status of heat preservation, cooking conjee, steaming etc. The paper analyses the design of the fuzzy rice cooker form of the hardwares control circuit and the software system. The emphasis of the introduction is HT46R47 MCU. The main software flowchart is show to analysis how the cooker works.Whats more,procedure of getting the quantity of rice by reasoning is contrived and the main flow chart is shown.Key words:Electrical Cooker;HT46R47;Fuzzy ControlI I目目 录录第一章 绪 论.11.1 研究的目的和意义及课题来源.11.2 国内外在模糊控制方面的研究及分析.11.2.1 国外在模糊控制方面的研究现状 .11.2.2 国内发展状况分析 .21.3 国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望.21.4 主要研究内容.2第二章 智能化电饭煲的设计.42.1 电饭煲工作流程设计.42.2 电饭煲模糊控制器设计.92.2.1 模糊控制的基本思想.102.2.2 炊饭量的模糊推理.112.2.3 加热功率的模糊控制.13第三章 电饭煲控制系统的硬件设计.153.1 电饭煲硬件系统构成.153.2 HT46R47 单片机介绍.163.2.1 HT46R47 引脚配置图.163.2.2 HT46R47/HT46C47 主要特性.163.2.3 HT46R47/HT46C47 引脚说明.173.3 电饭煲各部分硬件电路设计 .18第四章 电饭煲控制系统的软件设计.234.1 模糊电饭煲控制系统软件设计 .234.2 模糊电饭煲模糊控制软件设计.24结 论.26参考文献.28致 谢.29附录一：电路原理图.301 1第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 研究的目的和意义及课题来源研究的目的和意义及课题来源在科学技术进步、日新月异的今天，节能、高效、环保的观念逐渐深入人心，人们对家电智能化的要求也越来越高。本文研究的一种模糊控制的微电脑电饭煲正是智能化家电的典型代表。基于模糊控制的电饭煲能够判断出米量的大小，并对不同的米量选择不同的加热方案，因此不但控制效果好，而且高效、节能。微电脑控制的电饭煲还可以实现预约、记忆等功能，大大方便了人们的生活。本文从实际工程出发，对模糊控制的微电脑电饭煲进行了深入的研究，主要讨论了一种准确判断米量的方法，真正实现了电饭煲的模糊控制。这对电饭煲控制程序的研究将是很有意义的，将使之在高效、节能方面做得更好。1.21.2 国内外在模糊控制方面的研究及分析国内外在模糊控制方面的研究及分析1.2.11.2.1 国外在模糊控制方面的研究现状国外在模糊控制方面的研究现状自从1965年美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论以来，将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年来得到了迅速的发展。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。随着计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机(单片机)上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。目前，最令模糊控制专家们感兴趣的是模糊逻辑同神经网络算法的结合。神经网络在知识的获取方面表现卓越，它能够生成无须明确表现知识的规则和具有强大的自学习能力。而模糊技术的优点在于可以用模糊性的自然语言表现知识，和可以用简单的max-min运算实现知识的推理，但在知识的获取方面十分脆弱。模糊逻辑同神经网络算法互相结合，取长补短，可以通过学习自动地进2 2行模糊规则的产生和修改，从而在智能控制方面产生强大的威力。1.2.21.2.2 国内发展状况分析国内发展状况分析在我国，模糊控制技术的研究起步较晚，近年来，随着模糊家用电器的兴起，模糊控制在各个领域的应用获得了飞速的发展，同时培养了一大批进行模糊控制研究的优秀人才。但总的来说，在我国，模糊控制的应用水平落后于模糊控制理论方面的研究。这主要是因为研究者常常把模糊控制器的设计分成几个独立的部分来进行，如隶属度函数的确定，规则的获取，控制器的合成等。这样做的好处是把问题简单化，便于初学者上手，快速进行问题的分析和解决。但是这样做带来的问题是很难对设计好的系统进行理论分析和设计优化。当然，在我国，也有一批学者走在了模糊控制理论研究的前列。如，作为模糊论的创始人L.A.Zadeh的学生，香港科技大学的王立新教授，在模糊系统与模糊控制理论领域做出了很大贡献，给模糊系统与模糊控制理论带来了三个突破，具体是:(1) 证明了一类模糊系统是万能逼近器；(2) 发明了Wang-Mendel方法，实现从数据中获取模糊规则；(3) 提出了一种能够确保稳定的自适应模糊控制器的设计方法。1.31.3 国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望在智能家电的研究方面，日本走在世界的前面。资料统计表明，目前日本家用电器的单片机使用率在85%-94%之间，其中使用模糊控制的家电产品约占50%。日本甚至在几乎所有的模糊控制应用领域都在世界上领先。日本在九十年代初期就有模糊家电问世，而那时我国的模糊家电尚未起步。现在，在家电控制器中应用模糊控制在我国受到普遍重视。由于我国家电行业的飞速发展，模糊家电在我国大有可为。目前看来，模糊家电的发展有三大发展动向:(1) 进一步扩大传感器的组合利用多个传感器的功能组合可以不断改 进家电的控制技术，而对多个量采样后再进行综合判断正是模糊家电之所长。(2) 与AI(人工智能)和神经网络技术相结合如前所述，与AI(人工智能)和神经网络技术相结合将进一步提高模糊家电的智能化水平。(3) 模糊家电网络化随着网络经济的逐步发展，未来的家用电器必将改变目前这种单机运作的模式，而具有与Internet网通信的能力。家用电器走网络化的道路，这也是当今家电产业发展的趋势之一。3 31.41.4 主要研究内容主要研究内容本课题以单片机为主要手段，以电饭煲为控制对象，将模糊控制技术应用于电饭煲的控制当中。由于在模糊电饭煲的开发方面，许多前辈已经做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊电饭煲在市场上也是比比皆是。本文在借鉴前人工作的基础上，研制出了一种模糊电饭煲控制系统，并重点研究了如下内容:(1) 在进行大量测试及实验之后，提出一种新的判断米量的方法，并取得良好的应用效果；(2) 研究了电饭煲硬件控制系统，重点研究了低成本化设计方法；(3) 对硬件系统的各单元电路设计详细的进行了叙述；(4) 根据新的米量判断方法，设计了相应的软模糊控制流程及模糊电饭煲控制软件流程，并给出了相应的程序源代码。4 4第二章第二章 智能化电饭煲的设计智能化电饭煲的设计为了得到最佳的炊煮质量，电饭煲炊煮过程中，需要解决的主要问题往往是确定合理的炊煮工艺流程设计方案，找到一个易于实现的控制方法，同时对异常处理采取的何种策略，最终实现准确推算炊煮量和最佳的升温控制过程。当前的模糊控制电饭煲普遍采用二维控制器，虽然可以较准确的推算出米量，但由于算法复杂和存储空间限制等原因，致使米量不能细致划分，影响米饭的煮出效果，而且限制了其智能化功能的扩展。2.12.1 电饭煲工作流程设计电饭煲工作流程设计 要想做出松软香滑的米饭，必须掌握加热对象的性质及详细的加热过程，只有这样，才能够将米中不易溶于水、难以消化的 淀粉转变为易溶于水、易于消化的 淀粉。电饭煲作为加热对象，其特性的影响因素是多方面的，如结构、材料、发热盘的形状、甚至是顶盖出气孔的大小对其吸热散热都有影响。当然，在电饭煲煮饭的过程中，米量的大小对其吸热散热特性的影响是最大的，米量的大小甚至影响到烹调的工艺过程。换句话说，电饭煲必须对不同的米量采取相应的不同的控制方案和工艺过程，才能达到期望中的效果。所以，在其它因素(如结构、材料、发热盘的形状、顶盖出气孔的大小等)一定的情况下，对米量进行模糊判断是决定控制效果好坏的关键。为了选取合适的输入量进行米量的估算，首先必须确定电饭煲的炊煮工艺。图 2.1 为最佳米饭炊制底部升温曲线。图中显示出，米饭的炊制过程大致分为吸水、加热、沸腾、焖饭和保温五个阶段。5 5吸水加热沸腾焖饭保温t0t1t2t3t4时间（s）温度（）1251007060图 2. 1 最佳米饭炊制升温曲线 (1)吸水阶段(t0 一 t1)吸水阶段的作用是在对大米进行加热之前，使大米在一定的温度下充分吸水，使大米含水率从 14%上升到 25%左右，以保证米粒在加热过程中内外均匀受热，热量透到大米的芯部，从而使之烧成柔软鼓胀状。但是，一旦水温超过60，米中含有的 淀粉开始转化为 淀粉，米将变成糊状。所以，一般将水温控制在 60以下。 (2)加热阶段(t1 一 t2 )加热升温阶段把已吸足水份的米采用大功率进行加热。这样，米、水的温度迅速升高，将较快的达到沸点。而且随着水的对流，米被均匀加热。在此阶段，必须完成米量的判别工作，根据投入米量的多少以及温度的变化来调节加热功率。(3)沸腾阶段(t2 一 t3)沸腾阶段是促成米粒由 淀粉转化为 淀粉的主要阶段，应保持一定的时间。沸腾阶段电饭煲内的温度保持在 100的水平。大米充分吸水后，锅内的水逐渐减少，锅底趋于干燥，当锅底的水份减少到一定程度后，锅底温度就会迅速上升，这时沸腾过程结束。由图 2.1 可见，在沸腾阶段的最后部分使锅底温度上冲，升高到 125左右，一般根据饭量不同，控制沸腾阶段的时间和锅底部上冲温度也不同。(4)焖饭阶段(t3 一 t4)焖饭阶段是为了让热量透到米饭的芯部，使之充分受热而内外质量趋于一致，也就是使米芯的淀粉 化。焖饭阶段还使大米外部的水份一部分渗透入米芯，促使内部的成熟变化，另一部分蒸发掉，这样就使得整粒米饭内外一致。一般焖饭之后的米饭含水率在 69%左右。在焖饭阶段一般可采用间歇加热，目的是使锅内的温度达到焖饭的温度，当达到一定的温度时，停止加热或小功率加热，由饭锅利用余热对米饭进行热焖，焖饭结束后，米饭将完全成熟，无论硬度或黏度都会令人满意。6 6(5)保温阶段(大于 t4 )保温阶段可使米饭维持在 70左右等待食用。日常使用的机械式电饭煲，利用磁钢受热后磁性减弱来控制加热丝的通断。电源一旦接通，就持续加热。达到最高温度后，开关自动断开，结束煮饭。这种电饭煲无法实现吸水和保温过程，因而不可能实现图 2.1 所示的煮饭过程，使得米饭的口感和质量较差，也无法实现和用户之间的交互以完成各种附加功能。普通电脑式电饭煲，一般都能够实现上述工艺曲线。但也存在不少质量问题:例如，在低电压下，煮饭米多时，表面夹生;在高电压下，底部烧焦现象比较严重，且快速煮饭时有米汤溢出情况;煮粥过程中，由于担心沸腾后米汤溢出，普遍保守地采用过小的火力煮粥，在水多时，造成粥始终不沸腾，或沸腾时间极短，煮成清水粥；和用户的交互性差，实现的功能少，使用时不方便;还有就是不能区分米种，由于各个米种在吸水性等指标上的区别，若统一用一个固定的加热火力来进行，同样会造成米饭夹生、烧焦，甚至根本无法煮熟(例如什锦米)。主要解决的方法是增加内锅厚度和采用三维立体加热模式，这都会使米饭的加热更加均匀，避免烧焦和夹生等情况的发生。另外，基于专家经验，采用模糊控制算法准确的判断炊煮的米量，找出在炊煮过程中出现的异常问题的处理对策，针对不同的米种会实施不同的加热火力，都是解决上述问题的关键。图 2.2 是一种国外三维立体加热式电饭煲的煮饭过程顶底温度曲线，图 2.3 是它的煲粥、煲汤、蒸煮过程顶底温度曲线。实验中发现，由于它的内锅较厚并且采用三维立体式加热，所以在煮饭和煲粥的过程中火力比较均匀，煮出的米饭和粥口感较好，而且未出现烧焦、夹生等情况。在程序中使用模糊控制算法，即所谓的“模糊控制电饭煲”与普通电脑式电饭煲不同之处在于控制中运用了模糊控制技术。传统控制方式中，控制效果的好坏取决于是否知道受控对象的精确数学模型，而在电饭煲的控制中，随着烹煮的米量和水量的不同，受控对象的数学模型变化是很大的。初始水温、环境温度和电饭煲顶盖的密封程度等参数对控制效果也有较大影响，很难用一个精确的数学模型来描述受控对象。此外，煮饭工艺曲线的各个过程，控制目标也不相同，这是传统控制方法用于煮饭和煮粥等功能的困难之处。尤其是在煮粥的过程中，由于米量和水量的不同和半导体热敏电阻的误差，当锅内水沸腾时，锅底温度的差异可能达到 10左右。而火力稍大一点，要溢出;火力小一点，水不开锅。要在煮粥的 lh6h 之内，保持最短约 40min 的沸腾状态而不溢出，是一件相当困难的事情。所以，即使是已经采用模糊逻辑控制的电饭煲，如果不对模糊控制策略和规则进行精心调整，也难于达到满意的控制效果。7 7预热吸水加热沸腾焖饭约64约52主加热器占空比32/32温度控制32/328/32-26/320/324/320/32煮饭：14min快速: 5min锅底曲线锅顶曲线约124约100128s煮饭:13min 快速：10min图 2. 2 三维立体加热式电饭煲的煮饭特性图约64占空比加热沸腾主加热器锅底曲线锅顶曲线粥、汤调节时间约1005min40min蒸煮调节时间焖饭蒸煮：20/32粥：20/32汤：20/32蒸煮：5/32粥：4/32汤：6/32蒸煮：5/32粥：3/32汤：6/320/32图 2. 3 三维立体加热式电饭煲的煲粥、煲汤、蒸煮特性图电饭煲的炊煮流程和模糊控制策略是密切相关的，在设计炊煮流程的过程中要考虑模糊控制策略。不但如此，由于电饭煲是一个家庭日用品，所以要考虑到各种异常情况的发生，炊煮流程中要有这些异常情况的对策。经过对各种电脑式电饭煲进行测量分析，结合己有的一些经验，本着控制算法易于在程序中实现的原则，针对炊煮模式，确定出炊煮流程如图 2.4 所示。8 8开始等待阶段BTM:ONTOP:OFF预热阶段1BTM:ONTOP:OFF预热阶段2BTM:ONTOP:OFF异常：过早结束BTM:OFFTOP: 上盖控制2加热阶段BTM:ONTOP:OFF吸水阶段BTM：吸水控制TOP：OFF焖饭及保温结束沸腾维持阶段BTM：沸腾控制TOP：上盖控制1异常：常温对策BTM： 8/32TOP:OFF底部温度结束禁止量判定4min经过顶部温度T2取得量判定值21min经过禁止量判定底部温度T3吸水时间经过1min经过底部温度T1&顶部温度T21min经过&底部温度图 2. 4 电饭煲煮饭流程图在此流程中有以下异常情况的对策:(1)用热水煮饭，即“热水冷锅”(2)做完饭后，又立刻做第二锅饭，即“热锅冷水”(3)加热盘上有米(4)做饭过程中开顶盖(5)水量过多(6)水烧干在本流程中，相对于传统的炊煮流程增加了等待阶段，目的是对开始煮饭时电饭煲的初始状态进行判定。开始煮饭时水和锅的状态并不一定是一致的，有可能是“热锅冷水” ，或是“热水冷锅” 。这一阶段就是采用计时等待的办法，等待大约 3 min 的时间，使锅和水的状态达到一致，以便对初始的煮饭状态做出准确的判断。若 3min 后，不满足等待阶段跳转条件，则可断定是“热水冷锅”，直接跳入加热阶段，禁止米量的判定。若是在 3min 之内，满足跳转条件，则可以认定为“热锅冷水”或是“冷水冷锅” 。可以把传统流程的吸水阶段细化为三个阶段。预热阶段 1 是全速加热，使加热对象快速进入吸水状态，从而缩短总体煮饭时间。预热阶段 2 是使加热对象进入吸水阶段时的惯性小一些，便于恒定温度控制。在吸水阶段，主要是进行恒温控制。不同的米种在吸水阶段的吸水时间和吸水温度是不同的，这主要取决于米种的吸水特性。一般说来，米种的吸水特性越好，它的所需吸水时间越短，吸水温度越低。不同的煮饭模式在吸水阶段的吸水时间和吸水温度也是不同的，这主要取决于各种功能下加热模式对米种含水量的要求，具体的吸水参数如表 2.1 所示。9 9表 2. 1 吸水时间和温度特性表大米免淘香米什锦糯米标准精煮少量高速稍硬稍软寿司咖喱煲仔13min5215min5218min5270min5913min5215min5218min5220min5215min5215min18min20min15min5959595210min5252525210min12min16min13min15min18min40404013min15min18min59595912min12min494910min10min393913min15min5252在加热阶段要完成米量的判断工作，由于采用到达顶部某一温度所需时间来判断米量，所以在加热阶段前顶部加热器一直是关闭的。当加热盘上有米粒时，内锅的锅底和底部加热盘之间不完全接触，加热盘的热量没有被内锅很好的吸收，造成热量的大量集聚，这就使得底部传感器的温度迅速升高，造成异常。当底部温度大于 T3 时，进入异常模式，禁止米量的判断，4min 后缓和进入沸腾状态。若在煮饭的过程中顶盖处于未关合状态，此时锅内的蒸汽不会影响顶部传感器的温度，顶部永远不会达到 T2 温度，这样经过 21 min 后，禁止米量判断，进入沸腾状态。沸腾阶段的主要作用是完成锅内剩余水份的吸收。不同的米量，不同的米种以及不同的煮饭模式要采用不同的加热功率。对于加热阶段中禁止米量判断的情况，可以默认为它的米量为“较大” ，这样在沸腾中会采取一种比较温和的方式进行加热，来保证米饭的质量。对于什锦米，它的沸腾维持阶段较为复杂一些，因为它是小米、燕麦、黑米、糙米、高粱米、珍珠米、小麦等米种的组合，而以上这些米的吸水特性都很差。如果进入沸腾阶段之后立即开始对其进行加热，由于它的吸水不够充分，锅内温度会升高很快，当锅底温度大于 T3 时，进入焖饭阶段。它的沸腾维持是不充分的，往往会造成米饭夹生，或者根本未被煮熟。所以，什锦米沸腾维持要分若干个阶段，本着边吸水边沸腾的原则，才能使米饭煮出的效果较好。从什锦米的煮出效果来看，沸腾维持阶段对其的影响是最大的。还有一点需要说明的是，如果在初始煮饭时刻水量添加过多，在沸腾维持阶段有可能很长时间内都无法将锅内剩余水份吸收，这样 25min 过后，会进入附加沸腾维持阶段，直至锅内的水份被完全的吸收。为了避免这种情况多次发生，要进行米水配比实验，定出最佳水位线。焖饭分 3 个阶段，根据米量、米种、煮饭模式的不同，各个阶段的时间和加热功率都是不同的，焖饭时间结束后进入保温状态。在沸腾、焖饭及保温阶段，要采用统一的上盖控制，防止锅内的水蒸汽在锅顶盖凝结成水。1010在所有以上流程中，都有水烧干的防护措施。一旦水烧干，锅底温度迅速升高，电饭煲会进行报警和自动断电，以免发生危险。2.22.2 电饭煲模糊控制器设计电饭煲模糊控制器设计模糊控制器的设计方法可以分为两类:试错法(Trial-and-error Approach)和理论法( Theoretical Approach )。在试错法中，首要任务是建立一个模糊IF-THEN 规则集合，规则可以通过总结经验知识而得到，也可以通过精心组织的问卷向领域内专家请教而得到;然后，基于这些模糊 IF-THEN 规则建立模糊控制器;最后，在实际系统中检验模糊控制器，如果性能指标不满意，则对上述规则进行细微调整或通过反复用试错法进行再设计，直至效果达到指标要求为止。用理论法进行设计，模糊控制器的结构和参数是以保证某一性能标准为设计原则的。本文所采用的模糊控制器的设计方法为试错法。其设计方法可以概括为以下三步: (1)分析实际系统并选择状态变量和控制变量。状态变量应能描述系统关键特性，控制变量应该能够影响系统的状态.状态变量是模糊系统的输入，控制变量是模糊系统的输出。(2)推演连接状态变量与控制变量的模糊规则。(3)将推演出的模糊 IF-THEN 规则组合成模糊系统，并检验此模糊系统作为控制器的闭环系统。机试运行带有模糊控制器的闭环系统，如果不满意其性能指标，则对其进行微调或再设计，并重复此过程，直至效果满意为止。2.2.12.2.1 模糊控制的基本思想模糊控制的基本思想模糊控制是一种计算机数字控制，所以其控制系统框架同一般的数字控制系统一样，只不过它的控制器是模糊控制器。模糊控制器的控制规律由程序实现，在实现的过程中要经过以下三个步骤:输入量的模糊化、模糊推理和输出量的解模糊。在模糊控制过程中，将测到的过程精确量转化为模糊量，再经过根据经验总结成的若干模糊规则和必要的模糊处理后，模糊判断系统根据输入的模糊信息按照控制规则和推理法则，做出模糊决策，然后输出解模糊后的控制量并作用于执行系统，完成控制动作，且这种动作是以精确量表现出来的。 (1)模糊化模糊化是将模糊控制器输入量的确切值转换为相应模糊语言变量值的过程，此相应语言变量值均由对应的隶属度来定义。在实际应用中，常常选择三角形作为语言变量的隶属度曲线。在模糊化的过程中，一般利用最大隶属度原则，1111即在语言集中选择该元素对应的隶属度最大的语言变量，作为该项确切值的模糊子集。 (2)模糊推理模糊推理包括三个组成部分:大前提、小前提和结论。大前提是多个模糊条件语句，构成规则库;小前提是一个模糊判断句，又称事实。模糊推理就是以已知的规则库和输入变量为依据，基于模糊变换推出新的模糊命题作为结论的过程。 （3)解模糊解模糊是将模糊推理后得到的模糊集转换为用作控制的数字值的过程。它的目标是产生确切的控制动作，应该能够最好的反映出推理出的模糊控制动作分配的可能性。常用的方法有最大隶属度法、加权平均法和重心法。目前，实用模糊逻辑控制常用的方法有查表法和软件模糊推理等。查表法是将输入的隶属度函数、模糊控制规则和输出隶属度函数都用表格来表示，从输入量的模糊化、模糊推理和模糊判决都通过查表来实现。软件模糊推理的模糊化、模糊推理和模糊判决三个过程都用软件来实现。对于本文研究的米量和加热功率模糊推理机来说，其推理过程是开环的，模糊推理机只包含输入量的模糊化、利用规则的模糊推理及输出量的解模糊，隶属度函数、模糊控制规则可以用表格来表示，模糊推理机的最终输出量为具体米量的值和加热功率的值。2.2.22.2.2 炊饭量的模糊推理炊饭量的模糊推理因为影响炊饭量检测的因素众多，所以不能采用称重传感器或其它直接侧量的方法，而只能用温度传感器测出饭温信号，利用模糊推理，组成测定饭量的软传感器，最后通过模糊决策来判断米量的值。通过实验和分析，发现几种有代表性的电饭煲均在预热段进行米量推理过程。但是，若在预热段对米量进行推理，会受到初始水温和环境温度的严重影响，而难以得到准确的判断。实验表明，当米水经过吸水阶段之后，锅内温度处于 60左右，在此基础上再进行加热和推理，能排除初始水温不一致的影响，因此，控制器采用在加热阶段来进行米量的推理是更为可行的选择方案。图 2.6 是在室温 20下，采用 DUT4000 温度采集模块测量的电饭煲样品用标准煮饭模式炊煮 3 杯和 10 杯大米的温度曲线图，其中 3 杯、10 杯表示米量的大小(每杯大米 O.15Kg)，a 是 3杯米底部温度曲线，b 是 10 杯米底部温度曲线，c 是 3 杯米顶部温度曲线，d是 10 杯米顶部温度曲线。由图 2.6 可见，不同米量下的底部温度从 60上升到 100的时间差别并1212不是很大;从底部温度 60加热到顶部温度 60在不同米量下的时间差别却很显著。当米量少 3 杯时，底部加热产生的热量很容易从底部渗透到液面的顶部，产生对流，底部温度到达 100时顶部温度为 40 0C;反之，当米量很大 10 杯时，热量很难从底部渗透到液面的顶部，底部温度到达 100时顶部温度仅为300C。从图 2.6 中还可以发现，当顶部温度在 40到 80之间的线性度比较好，而这个阶段对应着加热阶段的主上升期，所以，在加热阶段的主上升期来进行米量判断是一个最为合适的选择。从理论上来说，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制的规则将变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。所以，在电饭煲中普遍采用二维模糊控制器，能较准确的判断出米量。这种控制器的输入变量往往选用锅底部温差、锅底温差变化率或者顶盖温度、顶盖温度增量。在实验中发现，如果等待阶段中，在顶盖温度和初始水温异常时禁止米量判断，那么单纯的选取进入加热阶段开始到顶部温度达到一固定温度 T2 （400CT28000C）的时间差作为判断量，一样可以取得满意的效果。实验中还发现，在进入加热阶段时，由于吸水阶段温度的波动，可能导致进入加热阶段时底部温度不一致，这会增加米量的判断误差，所以，可以采用当底部温度达到一致时再进行米量判断的计时。米量判断的这种方案，简化了控制算法，易于在程序中实现，经过大量实验证明，推算的米量偏差在 0.5 杯米之内，同样达到了二维控制器的控制效果，下面将讲述其具体推理过程。(1)输入输出变量的模糊化通过上述对电饭煲炊饭过程的机理分析可知，在加热阶段电饭煲底部温度相同时，取顶部一个适当的固定的温度 T2，不同的米量加热到电饭煲顶部达到这个温度 T2 的时间 Trx是不同的。这样，米量模糊控制器就可以看成输入量为时间 Trx，输出量为米量的一维模糊控制器。在采用 CRI 推理方法时，若连续域图 2. 6 实验用样品 3, 10 杯大米温度曲线图1313的范围是 XL表示下限值，XH表示上限值。量化因子可表示HLXXX,为: （2-2HLnkXX1）对于 X 论域的清晰量 a,对应离散论域中的元素 b 为: （2-2HLXXbka2）通过这样的量化，就转换成离散论域 N=-n,-n+1,-1,0,1, HLXXX,n-1,n这样，就可以在离散论域中对语言变量进行分档，每一档成为语言变量的语言值，这些语言变量值可以用图或表来表示。 输入变量的模糊化，n=9，则 N=-9,-8,-7,-6,-5,-4,-3, -2,-1,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9，构成含 19 个整数元素的离散集合。设当锅底温度一致时，达到顶部温度 T2 所用时间 T,的论域为420s,840s，则量化因子: （2-32370HLnkXX）定义：“非常小（ES） ” 、 “很小（VS） ” 、 “小（S） ” 、 “较小（OS） ” 、 “较大（OB） ” 、“大（B） ” 、 “很大（VB） ” 、 “非常大（EB） ”为 Q 的语言值。Trx和 Q 的隶属度 u 的曲线如图 2.7 所示：N01-99(Tts)极其小极其大非常小非常大.N(Q)01-5-4-3-2-1012345非常小很小较小小较大大很大非常大图 2. 7 输入变量大二和输出变量口的隶属度曲线在实验中发现，中间米量(2.5 杯一 5.0 杯)对沸腾阶段的加热功率最为敏感，所以在设定米量 Q 的语言值时，需要在中间米量划分的较为精细。(2)模糊控制规则构成1414米量的模糊推理是在加热阶段主上升期进行的。可以在锅底温度达到 60时开始计时，当锅顶温度达到 T2时停止计时，这个时间就是 Trx，而后通过应用模糊推理判断出锅内米量。模糊推理的规则，根据专家经验和对系统的观察测量数据生成。由于所设计电饭煲在炊煮时有标准、精煮、少量米、高速、稍硬等 9 种工作模式，而且操作的米种还有 5 种不同的选择，模糊规则生成时要考虑不同模式、不同米种、不同水量、不同米量、不同电源电压等因素，编程阶段中程序存在的任何隐患和错误以及电饭煲模具结构上的问题也会造成大量的重复实验，所以，规则的生成所需实验周期很长。在这里，给出 4 种米(不包含什锦米)标准煮饭模式和大米 8 种煮饭模式(不包含少量米模式)的米量推理规则，见表 2.2。模糊控制规则表可以由模糊控制规则直接导出，这里不再另行列出。2.2.32.2.3 加热功率的模糊控制加热功率的模糊控制模糊控制电饭煲加热控制是逼近最佳加热曲线进行的，在沸腾阶段的加热功率 Pw 直接影响着米饭的质量。在实际应用中，利用加热时间占空比参数 Tp来替代 Pw。通过改变 Tp，可改变热元件上的有效电压 Ue，从而改变热元件的加热功率 Pw。这里取 32s 为一个周期(在小段时间内可以取 16s 为一个周期)，通过调节这 32s 中主辅加热器的通断来控制电饭煲加热的功率 Pw。综上所述，在沸腾阶段，不同的米量要采用不同的底部 Pw，这是建立以米量 Q 为输入，底部 Tp 为输出，实现对 Pw 控制的一维模糊推理过程原因所在。表 2. 2 各种米标准煮饭模式及大米各种煮饭模式控制规则1515模式米种高速精煮稍硬标准寿司咖喱煲仔稍软白米免淘香米糯米极其小非常小很小相当小小比较小略小稍许小中有点大稍许大略大 有点小比较大大相当大很大非常大极其大ESESESESESESESESESESESESVSVSVSVSVSVSVSVSESESVSESSVSESVSSVSVSSVSVSSVSSVSVSSSSSSSSVSSSSSSSSSSSSOSOSOSOSOSOSOSOSOSOSSOBOSOSOBOSSOBOSOSOBOBOBOBOBOBOBOBOBOBOBOBOBOSBBOBOBOBOBOBOBOBOBOBVBVBBBOBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBBOBOBBBOBBVBBVBVBVBVBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBVBVBEBEBEBEBEBEBEBEBEBEBVBVBVBVBBVBVBVBVBVBVBEBVBEBEBEBOBVBVBVBVBEBVBVBVBVBVBBOBVBVBVBBVBEBVBVBVB 在保证可以实现最佳加热曲线的前提下，以简化算法，易于实现为原则，可以设计一个一维的模糊控制器，其输入是米水总量 Q，输出为底部加热器的TP。根据 Q 的模糊化，将输出变量的隶属度函数。定义为单点，底部加热器 Tp的单点隶属度函数如图 2.8 所示。01u16/3232/32 Tp图 2. 8 输出变量的单点隶属度函数曲线1616第三章第三章 电饭煲控制系统的硬件设计电饭煲控制系统的硬件设计前两章给出了电饭煲的炊煮工艺流程和模糊控制器的设计，这一章将重点阐述电饭煲控制系统的的硬件实现。由于电饭煲属于一种家电产品，所以，在硬件实现时要充分考虑到成本、易用性等因素。3.13.1 电饭煲硬件系统构成电饭煲硬件系统构成电饭煲工作原理如图 3.1 所示。上电后，系统进入待机状态，此时系统可接受用户的功能选择，用户所选功能通过显示电路显示出来，当用户按下相应按键时，MCU 可以对温度进行检测，对各种功能进行相应的加热控制。各种功能结束时，会发出相应的报警提示。具体电路原理框图如图 3.1 所示：图 3.1 电饭煲硬件原理图HT46R47/HT46C47 是 8 位高性能、高效益的 RISC 结构单片机，用于直接处理模拟信号，例如直接连接传感器。该系列单片机包含一个集成的多通道模数转换器，以及一个或多个脉冲宽度调制输出。同时也增强了单片机的其它内部特性，如暂停、唤醒功能、振荡器选择和可编程分频器等，增加了单片机的使用灵活度，而这些特性也同时保证实际应用时只需要最少的外部器件，进而降低了整个产品的成本。有了集成的 A/D 和 PWM 功能的优势，再加上低功耗、高性能、灵活控制的输入/输出和低成本等特性，此系列单片机广泛被应用在传感器信号处理、马达驱动、工业控制、消费性产品和子系统控制器等场合。HT46R47 属于一次可编程(One-Time Programmable, OTP)单片机，当配合使用盛群半导体的程序开发工具时，可简单有效的更新程序，这提供了设计者快速有效的开发途径。过零检测电路时钟与复位电路电源供电电路声音报警电路显示及按键电路加热执行电路M C U测温电路17173.23.2 HT46R47HT46R47 单片机介绍单片机介绍3.2.13.2.1 HT46R47HT46R47 引脚配置图引脚配置图HT46R47 引脚配置图如图 3.2 所示： 图 3.2 HT46R47 引脚配置图3.2.23.2.2 HT46R47/HT46C47HT46R47/HT46C47 主要特性主要特性（一）技术特性： 高性能 RISC 结构 低功率完全静态 CMOS 设计 工作电压：在 4MHz 下，由 2.2V 到 5.5V在 8MHz 下，由 3.3V 到 5.5V 功率损耗：在 5V/4MHz 下，典型值为 2mA（针对 ADC 除能时的晶体振荡器）不使用看门狗定时器时，3V 下静态(standby)电流小于 1A 温度范围：工作温度.40C 到 85C(工业级规格)储存温度.50C 到 125C（二）内核特性 程序存储器18182K14 OTP/Mask ROM 数据存储器648 SRAM 表格读取功能 多层硬件堆栈6-level 直接和间接数据寻址模式 位操作指令 63 条强大的指令 大多数指令执行时间只需要一个指令周期（三）周边特性 13 个具有上拉功能的双向输入输出口 9 位多通道 A/D 转换器 脉冲宽度调制输出 PA 端口具有唤醒功能 外部中断输入 事件计数输入 具有预分频器(Prescaler)及中断功能的定时器 看门狗定时器(WDT) 暂停与唤醒特性可以节省功耗 PFD 输出 芯片内置晶体及电阻电容振荡器 具有低电压复位（LVR）特性 具有烧录电路接口及程序代码保护功能 掩膜版单片机适用于大量生产 提供高效的软硬支持工具3.2.33.2.3 HT46R47/HT46C47HT46R47/HT46C47 引脚说明引脚说明表 3-1 HT46R47/HT46C47 引脚说明引脚名称I/O掩膜选项说明PA0PA2PA3/PFDPA4/TMRI/OPull-highWake-upPA3 orPFD8 位双向输入/输出口，每个位可由掩膜选项设置成唤醒输入。软件指令决定引脚是CMOS 输出或斯密特触发器输入掩膜选项决定端口上哪个位带上拉电1919PA5/INTPA6PA7阻。PA3、PA4 和PA5 分别与PFD、TMR 和引脚共INT用。PB0/AN0PB1/AN1PB2/AN2PB3/AN3I/OPull-high4位双向输入/输出口。软件指令决定引脚是CMOS 输出或斯密特触发器输入。掩膜选项决定端口上哪个位带上拉电阻。PB 和A/D 输入引脚共用。A/D 输入通过软件指令选择，一但被选择作为A/D 输入，I/O 功能和上拉电阻功能将自动无效。PD0/PWMI/OPull-highI/O orPWM1位双向输入/输出口。软件指令决定引脚是CMOS 输出或斯密特触发器输入。掩膜选项决定此引脚是否带上拉电阻通过掩膜选项选择PWM 输出，PWM 输出与PD0 引脚共用。OSC1OSC2I/OCrystal or RCOSC1、OSC2 连接外部RC 电路或晶体振荡器(由掩膜选项决定) 作为内部系统时钟。在RC 模式下，OSC2 的输出端信号是系统时钟四分频。RESI/O斯密特触发器复位输入。低电平有效。VDD正电源供应VSS负电源供应，接地。3.33.3 电饭煲各部分硬件电路设计电饭煲各部分硬件电路设计(1)电源/电池供电电路电源/电池供电电路如图 3.3 所示。带中心抽头的变压器和整流二极管 D4, D5 构成了全波整流电路，C3 和 C4 为滤波电容。当交流电源供电时，通过对分流电阻 R2 和限流电阻 R3 的适当取值，使三级管 Ql 饱和导通，这样使 VDD 接V1。而 VDD 通过负载作用于 Q2 的发射极，通过估算知，Q2 处于放大状态，VDD比 Q2 发射极电压高出约 3V, Q2 的发射极构成了数字地。二极管 D6 处于截止状态，电池电路断路。当电源掉电，电池供电时，Q1 和 Q2 都截止，D6 导通，VDD对数字地约等于电池电压 3.5V，此时 V1 悬空。图中有两个保险丝，一个是限流保险丝，另一个是热保险丝。当锅底温度过高时，热保险丝会自动熔断，起保护作用。2020图 3.3 电源供电原理图(2)时钟与复位电路系统采用 4MHz 晶振作为系统时钟振荡器，复位电路由 C1 和 C2 还有电阻 R构成 RC 电路.123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Jun-2008Sheet of File:D:protel99seLibrarySchMiscellaneous Devices.ddbDrawn By:C330PC230PRY14MHT46247图 3.4 时钟与复位电路图(3)声音报警电路声音报警采用蜂鸣器，报警频率由 MCU 的 PA3 输出进行控制，通过设置定时/计数器 0 中的 TMROL, TMROH, TMROC，PFD 在 PA3 以频率 f 输出，f 可由下式得出: （3-162(2PFDsysff计数初值）1）公式 3-1 中，fPFD为系统时钟。可以通过调节计数初值而得到不同频率的声音，系统中分为音乐声音和报警声音两类。(4)测温电路测温元件是准确检测温度的关键，采用负温度系数的热敏电阻 PXN-51E。电饭煲中有顶部和底部两路温度检测，可以随时监测顶部和底部的温度。温度2121检测模块将温度变化转换为电压变化,经单片机 PB0-PB1 引脚输入，经内部的A/D 转换器转换成相应的数据,单片机根据锅底温度,采用模糊推理对锅内饭量进行模糊识别,并根据不同的米量选择炊煮选项,执行相应的加热控制程序。电路图如下图所示：图 3.5 测温电路(5)加热执行电路为了更加均匀的加热，电饭煲中安装了 3 个加热器:顶部加热器、底部加热器、侧面加热器。其中底部加热器为主加热器，由一个继电器控制。顶部和侧面加热器为辅加热器，由另外两个继电器控制。三个继电器分别由单片机的PA0-PA2 来进行控制。 2222图 3.6 加热执行电路(6)显示/按键电路显示电路：显示电路由 R17R20、LED1LED10、Q1Q3、R3R5、DS1DDS2等组成。用来指示设定的工作模式(选中时长亮,运行时闪亮), DS1DDS2 运行时显示计时,定时状态显示剩余时间；LED1LED10 用来作为显示电饭煲各种功能的。单片机的输出引脚 PD0、PA7 通过 74LS164 芯片用于控制二个 7 段数码管得显示字型，输出引脚 PB3、PA4、PA6 用于提供二个数码管的位选信号和控制10 个发光二极管的亮/灭。2323123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Jun-2008Sheet of File:D:protel99seLibrarySchMiscellaneous Devices.ddbDrawn By:D2D3D4D5D6D7D8D9D10LED470*8abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS2abfcgdeDPYLEDgn1234567abcdefgDS1Q0Q1Q3Q4Q5Q6Q7Q8A1B2CLK8MR9VCCD1R22470图 3.7 显示电路按键输入电路:按键输入电路由 SW1SW5 及 R1R2、R15、R16 等组成。按下不同的键,U1 的(6)脚接入的分压电阻不同,输入电压也不同，U1 根据(6)脚输入的 A/D 转换结果,确定所按的键,并执行相应的指令。各键功能如下:SW1（WARM）为保温模式选择；SW2(SELECT)为模式设定键,可进入炊煮菜单及定时时间调整状态,在各种功能之间进行循环；SW3(TIME+)用来增加预置的定时时间；SW4（TIME-）用来减少预置的定时时间；SW5(START)用于启动或终止设置的模式选项。123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:30-Jun-2008Sheet of File:D:protel99seLibrarySchMiscellaneous Devices.ddbDrawn By:SW3TIMESW1WARMSW2SELECTSW5STARTSW4TIMER161KR71KR21KR11KVCCR1515K图 3.8 按键电路（7）过零检测电路2424过零检测电路:过零检测电路由 Q4、R5R7、C8、C9 等组成过零检测信号取自交流降压后的全波整流电路,市电以 10ms 为周期的过零信号加在 Q4 的基极，当输入电压高于 0.7V 时,Q4 导通, 的脚变低平,输入电压低于 0.7V 时,Q4INT截止,的脚为高电平,中断有效,即每 10ms 单片机产生一次外中断,保证了系INT统计时的准确性，在用可控硅进行温度控制时,可保证可控过零触发。图 3.6 过零比较电路2525第四章第四章 电饭煲控制系统的软件设计电饭煲控制系统的软件设计4.14.1 模糊电饭煲控制系统软件设计模糊电饭煲控制系统软件设计模糊电饭煲控制系统的软件框图如图 4.1 所示。在程序中，为了节省空间，提高运行效率，编制了大量的子程序，共分为 9 类，分别是显示子函数、定时器子函数、A/D 转换函数、加热器控制输出子函数、LED 控制输出/闪烁子函数、键盘检测子函数、蜂鸣器鸣叫子函数、米饭控制子函数、其它子函数。按键检测部分检测用户输入的键值，并分析该键值是否为有效键，如是，则执行相应的按键子程序；A/D采样及分析部分采集温度信号，以备后续程序确定系统当前应该处于何种工作状态，如果采集到的A/D信号有误，则执行相应的报警程序并返回待机状态；接下来程序分析当前正在执行何种功能程序并执行之；输出控制部分受控于功能子程序，显示当前的工作状态并决定当前继电器是否工作等。YESYES开始系统初始化及AD采样案件扫描功能1？功能N?输出控制及显示返回功能1子程序功能N子程序NN图 4.1 模糊电饭煲控制软件流程图26264.24.2 模糊电饭煲模糊控制软件设计模糊电饭煲模糊控制软件设计模糊控制的软件流程如图 4.2 所示。开始全功率加热7060测米量计时开始取测米量所用时间t取当前温度1延时t1取当前温度T2T1=T2T1-T2设置沸腾标志YNYNYN(a)(b)tt01tt021/3功率加热（小米量）2/3功率加热（中米量）全功率加热（大米量）延时t2测当前温度T2T1=T2停止加热（水干）加热延时t3饭熟报警提示结束YNYNYNN(C)（a）模糊测米量 （b）模糊测沸腾 （c）模糊功率控制单元图 4.2 模糊控制软件流程图在图 4.2 中，t1，t2，t3，t01，t02 是时间参数，要根据电饭锅的不同功率进行设定，其中 t01 t02。在典型的 750W 电饭锅应用中取值如下：2727t1=2 min，t2=30 s，t3=5 min，t01=4 min，t02=8 min主要步骤说明如下：(1)通电加热后，采用全功率加热至 60 度，进人(a)。(2)(a)阶段：记录加热电饭锅胆从 60-70 度所需时间 t，t 是与锅内米和水的质量成正比的；(3)(b)阶段：以 t1 为时间单位，测量起止温度 T1，T2 当 T1T2 时为沸腾状态；(4)(c)阶段：根据(a)测米量所得到的时间 t，和设定的参数 t01，t02 做比较，选择适当的加热功率进行加热；(5)以 t2 为时间单位，测量起止温度 T1，T2，当 T1T2 时为水干状态，停止加热；(6)用余热加热米饭 t3，时间，最后饭熟报警提示。由于电饭锅采用了模糊逻辑控制，模仿人的思维方式，又结合准确的条件判断，使这种电饭锅即使在不同的海拨高度(有不同的沸点)，也能准确地检测到电饭煲内水的沸腾，能做到永不溢出；由于采用模糊逻辑，能准确检测到电饭煲内的水是否已烧干，准确地切断加热的电源，使得煮出的米饭松软、不烧焦。在模糊逻辑的基础上，再加上时间控制，就使这种模糊控制电饭煲具有的预约定时煮饭、煲汤、煲粥等功能。另外这种电饭锅电路设计精简可靠，所有控制电路硬件成本只需十多元。目