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电饭煲模糊控制系统的设计 上海红心器具有限公司
胡念平 摘要从硬件和软件上介绍模糊理论控制电饭煲烧饭的工作原理和整个过程,并简要介绍美国Microchip公司PIC芯片在电饭煲中的具体使用。
关键词电饭煲模糊控制单片机
模糊电饭煲与传统的电饭煲相比具有许多优越性。
首先,它能根据锅内的米量、水量按要求选择最佳方式,从而做出合适的控制对策,这样既省电,煮出的米饭又松软可口;其次,它功能多,操作简便。
本文重点介绍如何将模糊逻辑应用于电饭煲的温度控制过程以及具体实现方法。 一、 米饭的烹饪过程分析
要想做出松软香滑的米饭,必须掌握加热对象的性质以及详细的加热过程,只有这样,才能够将大米中不易溶于水且难以消化的β淀粉转变为易溶于水、易于消化的α淀粉。经过大量的实验发现,要想达到理想的米饭效果,须要经过吸水、升温、沸腾、焖饭、保温5个阶段。在整个烧饭过程中,各阶段的持续时间不同,锅内温度的变化规律也各不相同,如图1所示。下面详细介绍米饭的几个烹饪过程。 图1
1．吸水过程（t0～t1） 一般情况下,大米本身含有14%左右的水分,在大功率加热升温之前,小功率低温使米的含水率达到25%左右,可使米粒内部均匀受热,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β淀粉开始转化为α淀粉,米将变成糊状。因此,必须控制水温在60℃以下,通常使水温保持在35℃左右来完成理想的吸水过程。模糊推论的第1任务就是要确定吸水时间的长短。
2. 快速升温过程（t1～t2） 把已吸足水分的米采用大功率进行加热,使水温较快地升到沸点,但是速度要适当,通过对不同升温过程下的米饭进行α化,并还原糖量、硬度、粘着力、色泽等综合分析后发现,温度上升时间大约保持10min左右时,烧出的米饭综合效果最佳。这是模糊控制电饭煲要解决的第2个重要问题。 3. 沸腾阶段（t2～t3） 在水温达到沸腾状态之后,采取小功率加热保持沸腾,促使米粒中的β淀粉变为α淀粉,同时锅中的水分不断被米粒吸收或蒸发掉。当达到断电温度时停止加热,使米粒的水分较少,保证米粒颗粒均匀,色泽感强。实验结果表明,沸腾时间在20min左右以及合理的断电温度是影响米饭质量的又一个重要因素。
4. 焖饭过程（t3～t4） 在停止加热之后一段时间再通电加热,可使米粒上的多余水分完全蒸发掉。这对于保证米饭质量也很重要。用模糊逻辑制定小火焖饭过程是否应该结束以及加热功率大小是要解决的第4个问题。
5. 保温阶段t4以后 进入保温阶段后,应控制温度在70℃左右等待食用。

二、 模糊控制技术的应用 1. 硬件电路 电饭煲单片机控制电路如图2所示。由于PIC16C56单片机内部有1KB的ROM、25字节的RAM、12个I/O口,每个I/O具有较大的驱动能力,而且又有片内看门狗,所以,该单片机几乎不需要其他外部芯片,硬件极为简单,有效地降低了成本,并且提高了控制系统的可靠性。

图2
2. 测温电路 在电饭煲顶部和底部分别安装有热敏电阻RB和RC,分别测量室温及煲内水温。测温电路由RB,RC,R9及C5组成。其测温原理是：热敏电阻的阻值随温度而变化,从而改变RC充电回路的充电时间。充电时间由RTCC记录,即RTCC记录RB7引脚从“0”到“1”的时间。通过比较充电时间,即可求出热敏电阻阻值,进而通过查表求得所测温度。 3. 计时脉冲和计时 RTCC的计时采用对外部脉冲计数的方法实现。外部脉冲由220V、50Hz交流电压经单相半波整流产生50Hz的脉冲信号,输入到RTCC。但是PIC16C56的RTCC只是1个8位的定时器/计数器,而且没有溢出中断能力,所以程序中又使用1个16位的Tacu计数器和3个8位计数器。 4. 加热器控制电路 电饭煲由底部主加热器、侧面及顶部2个辅助加热器执行加热。底部加热器由继电器提供电源;锅侧加热器和锅顶加热器由可控硅提供电源。单片机控制开关三极管V1,V2,V3,即可实现对可控硅的控制。 5. 按键和显示器 家用电器的操作按键越少,操作越方便,就越受顾客的青睐。为此,本系统只设置了下述4个按键： · 启动/停止键——用来启动或停止烧饭; · 方式选择——循环选择快速烧饭、智能烧饭或保温,选中的方式由发光二极管L1~L4显示; · 时间增加——每按1次,增加半小时; · 时间减少——每按1次,减少半小时。
三、 软件设计 智能控制电饭煲也是1个实时控制系统,其控制过程包括实时数据采集、实时决策和实时控制3个方面。控制主程序如图3所示。 (1) 吸水过程的模糊控制 图3在同样的加热条件下和室温环境下,若锅底温升比较慢,则说明大米的吸水性较强,吸水时间应加长;相反,若锅底温升较快,则可以判定大米的吸水性较弱,因此吸水时间可适当缩短。具体做法是：采样锅底及锅顶的温度,求得室温和锅底温度变化率,然后归纳出吸水时间的模糊推论。 （2） 烧饭量的模糊推理 显然,烧饭工艺过程各阶段时间的长短是和烧饭量的多少有关的,因此,首先必须测定烧饭量。具体做法是采样锅底及锅盖的温度,求得水温变化率和初始水温,然后根据这2个温度进行模糊推理,归纳出烧饭量的模糊推论。 （3） 工艺过程的模糊控制 模糊控制器的构思,可以说是吸收了人工控制的经验。人们收集各个变量的信息,形成概念,如温度过高、稍高、正好、稍低、过低,然后依据一些推理规则,决定控制决策。 电饭煲的模糊控制,在每一阶段对应于烧饭量的多、中、少分别有1组温度变化率改变数据和控制数据。控制过程中,将测量数据和设定数据进行比较,归纳出多个加热器的控制量。 烧饭量模糊推理规则 初始水温烧饭量水温变化率〖〗高[]中[]低大[]中[]低[]低中[]高[]中[]低小[]高[]高[]高控制量模糊推理规则 烧饭量控制量温度变化率〖〗高[]中[]低高[]中[]低[]低中[]高[]中[]低低[]高[]高[]中模糊控制软件框图如图4所示。 图4