电饭煲单片机智能控制系统.doc

本科生毕业设计（论文）中文题目： 电饭煲单片机智能控制系统 英文题目：intelligent rice cooker scm control system 院 系： 机械电子工程学院 专 业： 自动化专业 姓 名： 学 号： 指导教师： 起讫时间： 2009.10.202010.5.28 本科生毕业设计（论文）摘要随着人们生活水平的提高，用微电脑控制的模糊电饭煲已经逐渐走入人们的日常生活。本课题从实际工程出发，对基于模糊技术的电饭煲控制系统设计和应用进行了深入的研究。电饭煲是一种典型的模糊对象，其特性随着其装载物的量和种类的不同而大大不同，而煮饭功能则是电饭煲的主要功能，同时也是衡量电饭煲控制系统优劣的关键功能，因此，本文在控制系统的软件设计方面重点研究了电饭煲的煮饭功能。准确地判断出米量是电饭煲能够实现最佳控制效果的重要保障。所以，本文着重讨论了在电饭煲煮饭过程中，如何利用模糊推理法进行米量的判断。首先通过大量的前期实验和测试，在具体了解米量的大小给系统的状态带来的影响的基础上，选用合适的输入变量用“试错法”设计了一种二维的模糊推理机，并详细讨论了其推理过程。本文实际设计和实现了一种模糊电饭煲控制器。在系统硬件方面，讨论了模糊电饭煲控制系统的硬件结构。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。 最后 ，本文针对模糊电饭煲设计和开发过程中参数调整的复杂性问题，提出了一种基于模糊电饭煲参数调整的专家系统。由于在参数调整的过程中同样是利用了煮饭专家的经验，而这些经验是有规律可循的，可以用思路清晰的程序语言表达。关键词: 电饭煲;模糊推理;试错法;专家系统abstractwith the living quality improved, the micro-computer controlled electrical cookers are getting more and more popular. for practical uses, the design and application of a electrical cooker control system based on fuzzy control technology is studied, which aims at am or e effective control strategy.this paper is mainly about the design of a kind of typical fuzzy object一electrical cooker, whose characteristics not only varies with the quantity of stuff in it but also varies with what kind of stuff it is.as the result to estimate the amount of rice in round is crucial for control strategy. this paper discusses how to judge the amount of rice in the cooker if the electrical cooker is cooking rice. the differences generated by the amount of rice are found out by lots of tests. two appropriate variables are selected as the input of the fuzzy reasoning machine to judge the amount of rice and the method try and error is applied. details of the procedures of reasoning are displayed. the controller of the system of the fuzzy controlled electrical cooker is set up. both the hardware and the software are described in the paper. the main structure of the hardware is described in detail and for each parts, a sort of popular circuit module is shown. 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 flowchart is shown.with all of these done, the design of aking of fuzzy cooker is still so complicated and hard, so an es is brought forward in the last chapter to use computers instead of engineers to do the try and error thing. the es is established on the experience of the skilled electrical cooker engineers, which is complicated but well-regulated and could be writen into programs.keywords : electrical cooker; fuzzy control; try and error; expert system目录第1章 绪论31.1研究的目的和意义31.2国内外在模糊控制方面的研究及分析31.2.1国外在模糊控制方面的研究现状31.2.2国内在模糊控制方面的状况分析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3第2章 电饭煲的模糊控制器设计42.1引言42.2模糊电饭煲的工作过程42.3模糊控制的基本思想52.3.1炊饭量的模糊推理62.3.2二维模糊推理机的设计82.3.3输入变量的选取92.3.4模糊控制规则的语言描述122.3.5加热功率的模糊控制14第3章 电饭煲控制系统的设计163.1系统的总体控制方案设计163.2电饭煲硬件系统构成163.3电饭煲控制的硬件电路设计183.4电饭煲控制系统的软件设计213.4.1煮饭工作过程的软件设计223.4.2米量模糊推理机算法流程设计23第4章 基于模糊专家系统电饭煲控制的设计284.1引言284.2模糊专家系统电饭煲控制的设计284.3模糊专家系统电饭煲控制的结构294.4系统工作原理31结 论33经济分析报告35致 谢36参 考 文 献37附录a39附录b4038第1章 绪论1.1研究的目的和意义在科学技术进步、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。1.2国内外在模糊控制方面的研究及分析1.2.1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。1.2.2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。1.3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。1.4主要研究内容本课题以单片机为主要手段，以电饭锅为控制对象，将模糊控制技术应用于电饭锅的开发方面，由于在电饭锅的模糊控制当中，许多前辈已经做了大量卓有成效的工作，即使在今天，模糊电饭锅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)根据新的米量判断方法，设计了相应的软件控制程序；(4)提出一种基于模糊电饭锅参数整定的专家系统，以提高电饭锅设计开发的效率。第2章 电饭煲的模糊控制的设计2.1引言电饭锅作为一个模糊控制对象，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特性都有影响。当然，在电饭锅煮饭的过程中，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，电饭锅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判断，首先必须了解模糊电饭锅的煮饭工艺曲线.2.2模糊电饭煲的工作过程从煮饭专家的角度来看，米饭的成熟需要经过如下八个阶段:稳定、吸水、集中加热、落水、沸腾、间歇加热、炯饭和保温。在上述八个阶段中电饭锅底部温度曲线的变化过程如图2-1所示。 图2-1电饭煲底部温度曲线图fig.2-1the temperature curve of cooker大量的实验研究表明，电饭煲中的米水混合物在经过下面的几个阶段后将能够最终成为无论硬度和戮度都令人满意的米饭。以下对各阶段进行简要介绍。(1)稳定阶段 这一阶段的目的是对开始煮饭时电饭锅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。这一阶段就是采用记时等待的办法，等待大约3,4分钟的时间，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。在稳定阶段结束的时候读出底部温度、顶部温度的值，值的高低，将对以后的过程产生不同的影响。(2)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，热量透到大米的芯部，提高米饭的质量。这一阶段的水温应该低于55，否则会使大米中的淀粉a化，影响吸水的效果。(3)集中加热阶段和落水阶段 集中加热阶段是对锅进行全功率的加热，使锅底的温度迅速上升，但在米量较大的情况下，锅内上表面的水温远远低于锅底的温度.落水阶段就是停止加热使锅内上部的水和下部的水形成充分的对流，使锅内上下温度基本达到一致，所有的米都能均匀受热。在这个阶段中，大米继续吸收水分，并且在较高的温度下开始了淀粉的a化。(4)沸腾阶段 沸腾阶段使电饭锅内的温度保持在100的水平。这个过程使大米做深度吸水，并且在较高的温度下促使大米中的淀粉a化。大米充分吸水后，锅内的水进一步减少，锅底渐渐趋于干燥，当锅底的水分减少到一定程度，锅底温度就会迅速上升，这时沸腾过程结束。(5)间歇加热和炯饭阶段 炯饭阶段的目的就是使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a化。炯饭阶段还使大米外部的水分一部分深透入米芯，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样。间歇加热的目的就是使锅内的温度达到炯饭的温度，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炯，炯饭结束后，米饭将完全成熟，无论硬度或薪度都令人满意。(6)保温阶段 保温阶段的目的是在人们尚未准备食用的情况下，将电饭锅中的米饭保持在72的水平。实验研究表明，这样的一条曲线作为温度控制的标准可以煮出质量优良的米饭。而这样一条曲线是机械式电饭锅不可能实现的，在电饭锅煮饭过程中实现这样一条曲线本身就是借鉴了煮饭专家的经验，模仿了人的行为，这本身就是智能化的，模糊化的。2.3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，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。2.3.1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测量的方法，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。其结构框图如图2.5所示。顶部传感器底部传感器a/d导出当锅底温度一致时，达到顶部温度所用时间模糊化模糊逻辑规则表清晰化饭量 图2-2 饭量测量软传感器框图 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2.3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2.3可见，不同米量下的底部温度从60上升到100的时间差别并不是很大；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；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30，从图2.3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原则上比较合适。图2.3实验用样品3、10杯大米温度曲线图 但通过研究发现，最终发现利用试错法对米量进行二维模糊控制来判断更为准确。2.3.2二维模糊推理机的设计 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(如，稳定性)为设计原则的，显然，一种适合本文所述的模糊推理机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。本质上说，这一步骤界定了模糊控制器的应用范围。(2)推演连接状态变量与控制变量的模糊规则。本文所使用的if-then规则是自我总结归纳的经验并以语言表达出来。(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。下面将对本文使用的，以试错法设计的米量模糊推理机的具体设计过程进行详细介绍。2.3.3输入变量的选取 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。这也是人们普遍采用二维模糊控制器的原因。本文采用的同样为二维的模糊控制器，这也是出于对控制效果及计算量的综合考虑.输出量是米量的大小，输入量是底部温度达到100时的顶部温度的值tbot100和底部从50上升到100的时间长度t100.之所以选取tbot100和t100作为米量的判断量，是因为米量的差异对这两个量的影响最大。米量越大，t100越大而tbot100越小。在实际测试过程中发现tbot100的变化相对更为显著。图2-4为经过处理后的测试数据。 图2-4相同电压不同米量下顶、底温度图图2-4中纵坐标为温度(单位为)，横坐标为时间(单位为分钟)。10cup,5cup,2cup表示米量的大小，分别表示十杯、五杯、二杯。由图可见，不同米量下的温度从50上升到100的时间差别并不是很大;反倒是底部温度到达95时的顶部温度在不同米量下差别更为显著。当米量少时，底部加热产生的热量很容易从底部渗透到液面的顶部，米量为2杯米时，底部温度到达95时的顶部温度可高达80;反之，当米量很大时，热量很难从底部渗透到液面的顶部，底部温度到达95时，顶部温度甚至可能维持初始水温不变.可以单纯地选取了集中加热时间t100作为米量的判断量，但由于当底部加热丝功率很高时，不同的米量带来的温度从50上升到100的时间的差别会比较小，从而导致判断不准确;也可以单纯地选取tbot100作为判断量，选择顶部温度作为判断量有其明显的优点，那就是分档值拉得很开(即其隶属度曲线可以相对很尖)，在正常情况下判断准确，但顶盖温度容易受到初始水温的影响，同样导致判断不准确。因此，本文综合了集中加热时间t100和顶温tbot100为判断依据，进行米量的推理。如前所述，在米量的推理过程中使用了二维模糊推理机，模糊推理机的结构示意图如图2-5所示。图2-5模糊推理机的结构示意图fig.2-5 the configuration of the fuzzy inference engine其中，input 1为顶温tbot100, input2为集中加热时间t100。本文所述的米量推理机是严格按照模糊控制器的试错法来设计的。下面将讲述其具体推理过程。输入量和输出量的模糊语言描述顶部温度值tbot100的大小分为六档，语言描述为很高、较高、偏高、偏低、较低、很低，其对应的模糊子集为 pb，ps, po, no, ns, nb量化为七个等级，则有tbot100= -3，-2，-1, 0, 1, 2, 3其对应的隶属度曲线选用三角形和z形函数，主要是为了计算简单。其语言变量的隶属度曲线图如图2-6。 图2-6 tbot100隶属度函数选用这种形状的隶属度函数还是为了同matlah中的隶属度函数配合，后面将会提到，鉴于具体计算过程的复杂性，本文所述的模糊推理过程实际上是在matlab的fuzzy logic工具箱下完成的。因此，所选用的隶属度函数曲线实际上是matlab提供的曲线。 由图可得如表2-1所示的模糊变量的赋值表。 集中加热时间的语言描述分为五档，分别为很长、长、中等、短、很短，其对应的模糊子集为 pb，ps，o, ns, nb 同样量化为七个等级，则有t100= -3,-2,-1,0,1,2,3表2-1 tbot100赋值表对应的隶属度曲线选用三角形和z形，如图2-7所示。图2-6 t100隶属度函数fig.2-6 the membership function of t100对应的模糊变量赋值表见表2-2。 表2-2 t100隶属度表table 2-2 membership of t100 米量r分为五档，语言描述为很大、较大、中等、较小、很小，对应的模糊子集为pb，ps, o, ns, ns;同样量化为七个等级，则有r=-3,-2,-1,0,1,2,3 采用和t100相同的隶属度曲线，故米量r的赋值表同上表2-2。2.3.4模糊控制规则的语言描述 依据工程师的经验，关于米量的推理规则可以描述为: 如果顶温很高，且加热时间很短，则米量很小; 如果顶温很高，且加热时间较短，则米量很小;如果顶温很高，且加热时间中等，则米量很小; 如果顶温很高，且加热时间较长，则米量很小; 如果顶温很高，且加热时间很长，则米量很小; 如果顶温较高，且加热时间很短，则米量很小; 如果顶温较高，且加热时间较短，则米量很小; 如果顶温较高，且加热时间中等，则米量中等 如果顶温较低，且加热时间很长，则米量很大;如果顶温很低，且加热时间很短，则米量很大;如果顶温很低，且加热时间较短，则米量很大; 如果顶温很低，且加热时间中等，则米量很大; 如果顶温很低，且加热时间较长，则米量很大;如果顶温很低，且加热时间很长，则米量很大;等30条规则，总结成表格的形式，可得语言变量的判断规则表，如表2-3所示。表2-3 语言变量的判断规则表由此可得表2-4所示的模糊判断规则:表2-4 模糊判断规则表建立模糊推理器的推理规则由上述规则表可见，手动控制规则的条件语句为if a且b则c(即if a and b then c)的形式，由似然推理的mamdani推理方法，其对应的模糊关系为: 对于推理规则(1)如果顶温很高，且加热时间很短，则米量很小，即: r1=tpb x tnb x rnb同理r2=tpb x tns x rnbr3=tpb x to x rnsr4=tpb x tps x rnsr5=tpb x tpb x rnsr6=tps x tnb x rnbr26=tnb x tnb x rpsr27=tnb x tns x rpbr28=tnb x to x rpbr29=tnb x tps x rpbr30=tnb x tpb x rpb总的控制规则为 r=r1+r1十r3十+r29十r30 (2-6)r应该是一个(7x7) x6的矩阵。r是控制规则的总和，由基于模糊关系r的mamdani推理法，对任意一组精确输入量tbot100和t100，由模糊集合的合成运算，即可得到输出的基于隶属度的米量的模糊向量，通过适当的解模糊处理，即可得到精确的米量的值。2.3.5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u，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。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。图2.7输出变量的单点隶属度函数曲线模糊控制器在不同米种和不同煮饭模式的控制规则如表2.3所示。表2.5底部加热功率控制规则表表中，模式一表示非什锦米的标准、精煮、稍硬、稍软、煲仔模式;模式二表示非什锦米的高速、寿司、咖哩模式;模式三表示非香米的少量米模式;模式四表示香米的少量米模式;模式五表示什锦米模式。第3章 电饭煲控制系统的设计 前两节给出了电饭煲的炊煮工艺流程和模糊控制器的设计，这一节将重点阐述电饭煲控制系统的的实现。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。3.1系统的总体控制方案设计电饭煲工作原理如图2.8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。mcu显示/按键电路声音报警电路加热执行电路测温电路电源/电池供电电路时钟与复位电路 图2.8电饭煲硬件工作原理框图3.2电饭煲硬件系统构成系统选用以低成本、功耗小、性能良好的8位a/d with lcd型ht46r65单片机为控制核心的控制电路。ht46r65的引脚如图2.9所示。图2.9 ht46r65引脚配置图它的主要技术特性如下:(1)高性能risc结构(2)低功率完全静态cmos设计(3)工作电压:在4mhz下，由2.2v到5.5v;在8mhz下，由3.3v到5.5v (4)功率损耗:在5v/8mhz下，典型值为3ma(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l ua (5)周期时间:在8mhz系统时钟下指令周期达到0.5us (6)温度范围:工作温度-40到85 (工业级规格);储存温度-50到125它的主要内核特性: (1)程序存储器:8k x 16 rom (2)数据存储器:384 x 8 ram (3) lcd驱动:41x2, 41x3或40 x 4 segments (4) 16层硬件堆栈 它的主要周边特性: (1) 20个具有上拉功能的双向输入/输出口 (2) 10位多通道a/d转换器 (3)内部lcd驱动及专用的lcd存储器 (4) 2个外部中断输入(5) pfd输出3.3电饭煲硬件电路(1)电源/电池供电电路电源/电池供电电路如图2.10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q1饱和导通，这样使vddv1。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5v, 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。图2.10电源/电池供电电路图 (2)时钟与复位电路 系统采用4mhz晶振作为系统时钟振荡器，rtc振荡器采用32.768khz晶体。复位电路采用专用复位芯片bd4723g，该芯片能确保mcu在各种环境下可靠复位。(3)声音报警电路 声音报警采用蜂鸣器，报警频率由mcu的pfd输出进行控制，通过设置定时/计数器0中的tmrol, tmroh, tmroc，使pfd在pa.3以频率输出，可由下式得出: (2.1)式2.1中，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。 (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，并联在一起由双向可控硅进行控制。为了满足额定功率的需要，在主加热器继电器吸合时，辅加热器将短路。在辅加热器执行电路中，由于双向可控硅导通得很快，并且通常流过大电流，这样在交流线上就会产生很大的尖峰，可控硅可以被通过寄生电容耦合进阳极上的尖峰意外地导通，所以有必要设计过零检测电路，它可使双向可控硅在最小电流负载时触发。过零检测电路如图2.12所示。过零检测电路输出的方波输入到mcu的外部中断1输入引脚int1，这样每当正弦波过零点的时候，都会在int1引脚产生上升沿或下降沿，从而触发中断，进而触发可控硅。输入到int1引脚的方波的另一个作用是检测电源是否掉电，如果掉电mcu应该工作在halt状态。图2.11过零检测电路原理图 (6)显示/按键电路 显示/按键电路用来完成电饭煲和用户之间的交互。按键电路共有5个按键和一个双向旋转编码器。显示电路分为两部分，一个是发光二极管显示，共有6个单色发光二极管和1个双色发光二极管，另一部分是lcd显示，共有14x4个定制的显示标志，它们在一起用来记录和显示电饭煲运行的各种状态。电饭煲系统整体电路原理图参见附录。3.4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3-6所示。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和可控硅是否工作。开始系统初始化及ad采样按键扫描功能一功能n输出控制及显示返回功能n子程序功能一子程序yesyes 图2-12 系统工作流程图 当然，实际的控制程序要远远复杂于图3-6所示的流程图。实际的程序中还包含了蜂鸣器提示音子程序;上电自检子程序。在检测到断电时，mcu要转入低功耗运行模式，以节约能量，系统重新上电后，还要判断此时系统是否要恢复为断电前的状态，以实现掉电记忆功能。同时，在带有lcd或八段数码管显示的电饭煲程序中，有时要求在工作状态下按下某一按键时，lcd或八段数码管能够显示此时锅底的温度。在这种情况下，还必须进行ad值到温度值的曲线拟合。但是，因为本单片机芯片内含a/d和lcd功能，故上述可省略。3.4.1煮饭工作过程的软件设计如前所述，煮饭的过程实际上是要保证电饭煲内的米水混合物要经过图2-4所示的温度曲线，因此，煮饭功能程序的设计就是围绕这一目的来进行的。当然，在煮饭的过程中，还要进行空锅检测，如此时为空锅，则系统报警后转入等待状态。当煮饭功能结束时，同样要进行报警，以提示用户。一种常用煮饭工作过程的程序流程图见图2-13。图2-13 煮饭功能流程图3.4.2米量模糊推理机算法流程设计 米量的模糊推理算法开始于启动加热的瞬间，在底部达到100时结束，记住加热时间t并读取此时的顶部温度t，然后根据表2-4的规则进行米量判断。实际上，如表2-4所述的判断规则可由如下五条规则描述: 如果t0，则r=3，否则r=2; 如果t=-1且t-1，则r=3否则r=2 ; 如果t=0且t-1，则r=1，否则ro; 如果t=1，若t-1，则r=0，否则若t=-1，则r=-1，否则r=-2; 如果 tl且t-1，则r =-2，否则r=-3。用汇编语言描述的实际的算法流程如图2-14所示。t-1?t=-1?t=0?t=1?开始addr=addr6t-1?t-1?t-1?t-1?t0?addr=addr1addr=addr3查表得控制量addr=addr6addr=addr5addr=addr4addr=addr2返回yyyyynnnnnnnyynynyyn图2-14米量判断流程图在实际算法中是没有体现具体米量的值的，这是因为得到米量的值只不过是为了决定后续阶段中的加热功率及温度点。因此，在实际算法中，直接将两个输入量同它们相应的等级值进行比较，得到其所在的等级，从而直接查表得到后续阶段中的加热功率及温度点。第4章 基于模糊专家系统电饭煲控制的设计4.1引言前述三章论述了模糊电饭煲控制系统中模糊推理机的设计，以及如何在一个具体的电饭煲控制系统中实现模糊推理算法，包括硬件保障及软件流程。本章将就电饭煲控制系统实际设计过程中出现的难点问题参数整定问题进行讨论并试图给出一种解决办法。在准确判断出米量后，程序根据米量的大小要决定后续阶段的加热功率及相应应该达到的温度点。这一过程的参数整定同样是一个“试错”过程，本文讨论的专家系统正是针对参数整定问题提出的解决办法。4.2模糊专家系统电饭煲控制的设计完成前述三章所述的设计工作并不意味着开发设计工作已经完成，可以一劳永逸，在软件方面，米量确定后的温度点确定是一个复杂的过程，实验表明，有些阶段的温度点和加热功率要求非常严格，单纯由推理得到的数值在系统实际工作中很难取得良好的效果。这主要是由于对象的差异性引起的。首先，不同的电饭煲的吸热散热特性存在差异，其次，控制器的元器件本身也存在差异。这就是说，不可能有一种控制器是适合所有电饭锅的。电饭煲在其开发的最终阶段必然要经过一个“测试一调整一测试”的参数整定过程。因此，电饭煲设计工作到最后仍然需要用试错法(try and error)对局部参数进行微调，而这一点恰恰是模糊电饭煲设计的难点。往往工程师为了调整某个参数而不得不做大量的测试，这不但浪费了物力，增加了成本，更重要的是浪费了宝贵的开发时间，使开发效率大大降低。有经验的工程师在调试过程中或许可以少走一点弯路，没有经验或仅有少量经验的工程师为了取得更好的控制效果往往不得不花费更大的时间和精力。另外，在模糊推理过程中需要确定边界分档值，即对应于输入变量tbot100及t100的七个分档值(-3，-2，-1,0,1,2,3)，而这些分档值只能由测试得到。以上所述几点均在客观上使得电饭煲开发变得困难而复杂。当然，这是电饭煲开发过程中存在的客观现象，其根本原因还是因为电饭煲本身是一个模糊的被控对象，电饭煲控制系统是一个模糊控制系统。但由于在参数调整过程中同样是利用了煮饭专家的经验，而这些经验是有规律可循的，可以用思路清晰的程序语言表达。因此，作者认为，可以利用一个体现专家经验的程序代替专家进行参数调整，从而将开发工程师从复杂的“试错”工作中解放出来，工程师只需给出一个正确的程序框架和一组近似正确的待调整数据即可。这也正是本文求助于专家系统的理由。4.3电饭煲模糊专家系统控制系统结构一个实用的专家系统必须包含以下几部分子系统:知识库、推理机、数据库、知识获取及良好的用户图形界面，其中，知识库和推理机是专家系统的核心部分。知识库以适当的形式储存从专家那里得到的某个领域的专门知识、经验和常识。知识库是