【电气工程及其自动化】基于单片机的电压力锅控制器的设计

本科生毕业论文（设计）基于单片机的电压力锅控制器的设计二级学院信息科学与技术学院专业电气工程及其自动化完成日期2015年5月26日A基础理论B应用研究C调查报告D其他目录1绪论111电压力锅控制器的发展与现状112本设计的目的与意义113炊制工艺过程的简单介绍22电压力锅控制器硬件设计321硬件整体设计方案3211硬件设计方案3212功能作用4213各电路模块功能的简单介绍422控制器电路模块的设计5221单片机电路模块5222显示电路模块6223指示灯电路模块8224按键电路模块10225温度检测电路模块10226压力检测模块12227继电器控制电路模块13228报警电路模块14229稳压电源电路模块152210控制器的单片机的I/O分配表163电压力锅控制器软件设计1731软件整体设计方案17311软件设计方案17312各子程序功能的简单介绍1832电压力锅控制器的软件设计19321按键输入检测子程序19322按键信号处理子程序模块19323温度处理子程序模块20324显示更新子程序模块21325显示输出子程序模块22326压力检测子程序模块23327时间处理子程序模块24328继电器控制子程序模块24329蜂鸣器控制子程序模块253210中断程序模块263211主程序控制模块274系统的实现与调试2741电路图的绘制2742制作PCB板思路2843制作PCB板电路的注意事项2844硬件的焊接与调试28441硬件的焊接28442硬件的调试2945软硬件联调295总结和展望31参考文献32附录33附录A电路原理图33附录BPCB印板图34附录C作品展示35附录D总程序36致谢76基于单片机的电压力锅控制器的设计摘要本控制器的设计是以STC12C5A60S2单片机为核心，根据设计要求，搭建外围硬件线路，并编写程序，通过外围的热敏电阻检测温度、压力开关检测压力，继电器驱动发热盘加热，实现控温控压，实现煮饭、煮粥、煮汤，故障报警等的功能。关键词电压力锅；控制器；STC12C5A60S2单片机HARDWAREDESIGNOFELECTRICPRESSURECOOKERCONTROLLERBASEDONMCUABSTRACTTHISDESIGNISBASEDONSTC12C5A60S2MICROCONTROLLER,ACCORDINGTOTHEDESIGNREQUIREMENTS,SETUPTHEHARDWARECIRCUIT,ANDWRITINGPROGRAM,ANDTAKINGTHEADVANTAGEOFTHEADVANTAGEOFTHEPERIPHERYOFTHERMISTORTEMPERATURE、PRESSURESWITCHTESTANDELECTRICDRIVENHEATINGPLATE,REALIZESTHETEMPERATUREANDPRESSURECONTRONLLING,COOKINGMEALS,COOKINGPORRIDGE,COOKINGSOUP,FAILUREWARMINGANDSOONKEYWORDSELECTRICPRESSURECOOKERCONTROLLERSTC12C5A60S2MICROCONTROLLER1绪论11电压力锅控制器的发展与现状随着现代化进程步伐的加快，电饭锅的出现简化了煮饭的操作过程，降低了人们的劳动的强度。随后的技术的研究，电饭锅系列中逐渐演变出了电压力锅，并且工艺的发展使得制造成本也逐步下降、安全性能提升，使得电压力锅能在大多数的家庭中使用，因而电压力锅已经开始逐渐地在我国普及。电压力锅的出现，使得煮饭的时间大幅度的减少，并且在节省时间的同时，也更加的节能、煮出来的米饭的口感也更加好。从产品类型看，电饭锅市场有继续由传统电饭锅向电压力锅发展的趋势【1】。传统的电压力锅的控制器，采用气阀、压力开关、限温开关、定时器和一些电子元器件等组成，控制器的硬件部分较简单，可靠性较好，且控制方法简单，但可控性差，而且煮饭的效果较一般、口感较差【2】。现代的电压力锅应用了全封闭烹饪、壁厚均温技术，无沸腾全味烹饪技术，最佳烹饪温度技术，高热效率技术。国内外电压力锅产品基本上采用压力控制和温度控制两种【3】。国内比较先进的控制技术是由中科院高级工程师王永光的发明专利【4】，采用测量压力来测温，通过控压来控制烹饪温度的控温模式。伴随着自动控制技术的发展和集成电路技术的不断发展，如今电压力锅产品也从原来的机械元件加电子元件控制的方式，逐渐转变成了自动控制、智能化控制的方式。通过使用单片机作微控制器，根据内置的设定，用温度传感器进行采集锅体温度数据，通过控制算法，来控制继电器通断，改变煮饭时的加热功率或时间，使得煮饭流程细化，煮饭的效果大大的增强，煮出来的饭的口感更合人们的口味【5】。只要通过编程与温度传感器、压力传感器检测的数据，用单片机进行数据运算处理，据运算结果进行后续的控制，或报警，同时可以实现煮饭的工艺或烹饪其它食物的工艺的改变，从而使得电压力锅的功能增多。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉，计算性能强等特点，使得单片机在电压力锅控制的应用也越趋广泛。而当中是离不开单片机的高速发展，使电压力锅控制技术又进入到一个新的阶段，智能化、节能、高可靠性、安全已成为它发展的趋势【6】【7】。12本设计的目的与意义目前市场上的普通的电压力锅大部分功能较单一，一般有煮饭、煮粥、保温的功能。且能源利用率还是较低，难以满足人们的节能环保的生活需求【8】。同时普通的电压力锅，由于使用时间长了，某些重要元器件发生故障，却没有故障报警，并且市面上的大多数的电压力锅都是处于中低价位【9】。使用单片机制作控制器来控制电压力锅，利用单片机的灵活的编程，及其搭建简单的外围电路，就能使电压力锅烹饪功能较多，易用性高，且安全性得到提高。可以通过更改外围电路，加上相应的编程，进行功能的扩展，不仅能实现煮各种软硬程度不同、香气不同的米饭，还能进行预约时间控制、信息显示、故障报告显示、报警等功能。所以开发具有多烹饪功能、成本低廉、节省能源、安全可靠的智能电压力锅，是非常有必要的【10】。13炊制工艺过程的简单介绍要烹饪出高品质的食物，必须掌握加热对象的性质及详细的加热过程，不同的食物及炊煮方式不同，故而在设计时需要研究各种食物的炊煮工艺，比如煮粥时若火候控制和煮饭一样，则锅内压力偏大，导致锅内米汤沸腾甚至出现溢出，当然电压力锅由于是密闭空间，米汤不可能溢出至外，但会浮于锅顶，极易堵塞排气阀，以致可能引发安全事故，所以设计时应根据各个功能设计不同的烹饪方式，但烹饪功能之间的差别就表现在功率输出及温度控制方面的不同，由于篇幅限制，这里以米饭的炊制过程为例做详细说明。从炊煮专家的角度分析炊煮的过程一般分为吸水、加热、沸腾、焖煮、膨胀和保温保压阶段【11】。（1）吸水阶段吸水的目的是使大米淀粉在升温过程中充分糊化,此阶段水温应低于60；（2）加热阶段锅内温度上升，大米开始淀粉化，加热过程中热水开始对流，使得所有的米能均匀受热；（3）沸腾阶段沸腾阶段保持水温在100，使大米深度吸水，在较高温下使淀粉化，等大米充分吸水后，锅底的水分减少到一定程度，温度就会上升，此时即为沸腾结束的标志；（4）焖饭保压阶段目的是使热量透到米饭的芯部，同时使米饭外大部分水分深透到米芯，促使芯内成熟化，使米粒内外一致；（5）膨胀阶段通过米饭的加热及放热，使其变得松软；（6）保温保压阶段锅内温度恒定在80之上；不同方式下温度、压力与蒸煮时间的关系曲线如下图1所示。图1不同炊制方式下米饭的温度、压力变化曲线图1【12】中（A）图是三种方式下温度与蒸煮时间的关系曲线图，（B）图为压力与蒸煮时间的关系曲线图，两者以煮饭专家的角度分析研究在对常压沸腾蒸煮、压力沸腾蒸米饭品质分析的基础上，提出了米饭压力无沸腾蒸煮工艺，并对压力无沸腾蒸煮工艺进行了优化，结果表明适宜的蒸煮工艺参数为56左右浸泡5MIN，然后加热到98100排气，直接升温至压力40KPA并保压7MIN，米饭将获得良好的感官品质【13】。2电压力锅控制器硬件设计21硬件整体设计方案211硬件设计方案本电压力锅控制器以单片机为核心，由稳压电源电路、显示电路、按键电路、指示灯电路、温度检测电路、发热盘驱动电路、报警电路组成，其硬件结构框架如图2所示。图2电压力锅控制器系统结构框图212功能作用从图2中可以看出，控制器可分为信号检测机构、控制机构、执行机构三大部分组成。其具体为（1）信号检测机构控制器在控制的过程中，需要检测的信号有功能按键信号、温度检测反馈的电压信号、压力检测反馈的压力信号。功能按键信号直接输入到单片机中，是对系统运行、停止功能切换等功能进行操作。温度检测反馈的电压信号，反映的是电压力锅锅体的温度信号，此信号是模拟量信号，需要使用单片机的AD转换功能，把模拟量信号转换成数字量信号输入到单片机中。压力检测信号反映了锅体是否达到了一定的压力的信号，是开关量信号，此信号直接输入到单片机中。（2）控制机构控制器中包含的单片机等其他的相关的电子元件，是组成控制器的控制机构，也是控制器的控制系统的核心。控制机构直接对系统中的压力、温度、报警信号进行采集，对来自按键、温度、压力的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案。（3）执行机构控制器中包含的驱动电路元器件、报警电路元器件、显示电路元器件等其他的相关的电子元件构成了执行机构，通过驱动电路元器件控制接通发热盘的电源对锅体进行加热，通过报警电路元器件对报警信号做出声音提醒，通过显示电路元器件，进行预约时间、各功能运行剩余时间、故障等信息显示。213各电路模块功能的简单介绍（1）稳压电源电路模块为其它的各功能模块提供稳定的电压；（2）单片机电路模块高速稳定的进行运算和控制；（3）显示电路模块显示时间或故障信息；（4）指示灯电路模块指示正在进行的功能的状态；（5）按键电路模块切换功能或调整时间；（6）发热盘驱动电路模块驱动发热盘加热；（7）温度检测电路模块检测温度；（8）压力检测电路模块检测压力；（9）报警电路模块状态提醒或故障报警。22控制器电路模块的设计221单片机电路模块由系统框图2以及控制器的设计的功能要求，可以得出对于单片机控制模块的选择要有以下方面的功能有AD转换功能、有较多的I/O口、运算速度快、较大容量的数据存储器、有定时器功能、有看门狗功能，能在较高的环境温度下稳定运行。由于普通51系列单片机本身没有AD转换功能，必须额外增加AD转换器，这个方法会使得硬件线路复杂，稳定性降低，而且成本增加，所以本控制器设计不考虑没有AD转换功能的51系列单片机。对于STC12C5A60S2系列单片机，是单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成MAX810专用复位电路，STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器CPU、程序存储器FLASH、数据存储器SRAM、定时/计数器、I/O接口、高速A/D转换、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机主要特点（1）高速1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通的快812倍；（2）宽电压5533V；（3）工作温度范围075；（4）1280字节片内SRAM数据存储器；（5）8通道，10位高速ADC，速度可达25万次/秒；（6）60K字节内FLASH程序存储器，擦写数十万次以上；（7）4个16位定时器，兼容普通8051的定时器T0/T1；（8）芯片内EEPROM功能，可掉电保存信息；（9）硬件看门狗（WDT）；（10）通用I/O口（36个），可设成四种模式准双向口/弱上拉，仅输入/高阻，开漏，并且每个I/O口驱动能力均可达20MA。根据以上特点，所以本设计的单片机模块选用STC12C5A60S2芯片。单片机电路模块如下图3所示。图3单片机电路模块222显示电路模块根据设计的要求，对于显示模块的选择，需要显示时间、错误代码编号、功能代号的显示模块，常用的显示模块是普通LCD液晶显示屏、LED数码管。普通LCD显示屏具有功耗低、显示内容多、可视面积大、画面效果好、可显示字符或图形、分辨率高、抗干扰能力强，但价格相对较高，对环境温度要求也较高。LED数码管具有低能耗、耐老化、精度高、亮度高、较耐高温、价格便宜等优点，数码管能显示数字和少量的英文字符，显示内容也较丰富等，电路连接相对比较简单，价格便宜。根据控制器的显示需求，需要显示数字和少量的英文字符，稳定性好，抗高温的简单的显示模块，所以选用数码管显示，这样节省了成本，并且使用寿命长。由于需要显示时间的信息，并且在同时显示时间的小时和分钟信息时，至少需要4位的数码管显示时间信息，因此，选用036英寸大小的4位高亮红色的共阳极LED数码管来做显示，单个LED的工作电压为2V，工作电流为3MA。其数码管结构如下图4所示。图4数码管形状及其内部电路结构如图4使用共阳极型数码管，由于单片机的I/O口的拉电流很弱，只有150A250A，直接把数码管共阳极端接到单片机I/O时，不足以点亮数码管，所以设计中采用外接NPN型三极管2N3904作为软开关来驱动数码管接通5V的直流工作电压从而点亮数码管。NPN型三极管2N3904的主要参数表如下表1所示。表12N3904三极管主要参数表参数名称符号值单位集电极基极电压VCBO60V集电极发射极电压VCEO40V发射极基极电压VEBO6V集电极电流（直流）IC200MA集电极峰值电流ICM300MA基极峰值电流IBM100MA总耗散功率PTOT500MW存储温度TSTG65150结温TJ150操作环境温度TAMB65150对于三极管基极的限流电阻，由于三极管的基极的峰值电流为100MA，三极管导通电压为07V。三极管基极的限流电阻的计算公式RU/I（1）由式（1）得出其最小的限流电阻值R（5V07V）/100MA0043K。三极管基极电流的计算公式IU/R（2）所以当使用限流电阻阻值为47K时，由式（2）得出三极管基极电流I（5V07V）/47K092MA。对于数码管的LED的限流电阻，由于每个LED的额定工作电压为2V，点亮时工作电流为3MA。数码管的LED的限流电阻的计算公式RU/I（3）所以使用5V工作电压时，由式（3）得出其限流电阻R（5V2V）/3MA1K。LED数码管显示电路模块如下图5所示。图5LED数码管显示电路模块223指示灯电路模块根据设计的要求，对于功能指示模块中的指示灯的选择，需要抗干扰能力强，不易受环境温度影响，体积小，功耗低，亮度高的指示灯，常用的是普通LED指示灯。普通的小型LED指示灯，不仅体积小，功耗低，而且亮度高，稳定性好，价格低。所以功能指示灯使用普通的3MM大小的高亮红色的发光二极管作指示灯。LED灯，额定工作电压为2V，点亮时工作电流为3MA。LED的限流电阻的计算公式RU/I（4）所以使用5V工作电压时，由式（4）得出其限流电阻R（5V2V）/3MA1K。为了节省使用单片机的I/O口，采用动态扫描显示的显示方式，把LED灯的一端与数码管的限流电阻端相连起来。对于三极管基极的限流电阻，由于三极管的基极的峰值电流为100MA，三极管导通电压为07V。三极管的限流电阻的计算公式RU/I（5）所以使用5V工作电压时，由式（5）得出其限流电阻R（5V07V）/100MA0043K。三极管基极电流的计算公式IU/R（6）当设计中使用限流电阻阻值为47K时，由式（6）得出三极管基极电流I5V07V）/47K092MA。LED指示灯电路模块如下图6所示。图6LED指示灯电路模块224按键电路模块据设计要求，需要体积小的按键按钮，因而选用666MM卧式微动开关。本设计采用独立式接口按键，每个键盘单独占有一个I/O口，而每根I/O口的按键状态不会影响其他I/O线的工作状态，这样就可通过程序扫描查询的方式实现与单片机交互，在程序查询方式下，通过I/O端口读入按键状态，当有按键按下时，相应的I/O端口变为低电平，而未被按下的按键由于I/O口悬空而为高电平，这样通过读I/O口的状态判断是否有按键按下。在本设计中，每个键的功能不同，分别为功能切换键、口感切换键、压力切换键、预约键、关/保温键，通过按键实现功能的选择、启动或关闭功能等。按键电路模块如下图7所示。图7按键电路模块225温度检测电路模块对于温度的测量技术，一般分为两种接触式测温和非接触式测温。本系统由于测温物体的特殊性，采用非接触式测温，安装在锅底下，测量锅底区域的温度。常见的温度测量的传感器有热电偶、热敏电阻、集成温度传感器等【14】。对于热电偶适合于测量500以上的高温，对于500以下的中、低温的测量会遇到热电动势小、干扰大和冷端温度引起的误差大的问题。而对于集成温度传感器，具有测温精度较高、线性优良、体积小等优点，但价格高。所以热电偶和集成温度传感器都不适合用作本控制器的温度检测传感器。对于热敏电阻，它是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，这种元件的电阻值随温度的升高而降低，利用这一特性制成测温。对于本系统测量的对象是电压力锅内物体的温度，热敏电阻满足以下几个条件（1）测量温度的范围20200；（2）在0150的范围内有很高的灵敏度（曲线上升很快）；（3）电阻与温度对应的误差精度3；（4）封装形式采用金属或玻璃封装，并且体积小。所以本设计选用MF58100K热敏电阻作温度传感器。MF58100K热敏电阻主要参数如下表2所示。表2MF58100K热敏电阻主要参数参数名称符号测试条件值单位25的零功率电阻值R25TA25005测试功率01MW100KB值B25/85BTATB/TBTALNRA/RBTB850053945/耗散系数静止空气中25MW/时间常数静止空气中20SEC耐电压/1500V/AC1MIN1500V绝缘电阻/500V/DC1MIN500M工作温度范围/50250热敏电阻（NTC）的电阻值的测量方法一般有两种电阻分压测电压和阻容放电测充电时间。由于阻容充放电时间不易确定，容易出现很大误差，抗干扰能力不强，所以选择前一种方法，简单实用且精度高。由于NTC的非线性严重，所以想要准确的测量温度，就必须进行线性化处理。一般线性化处理有两个方案软件中的查表法和硬件电路的电阻分压法。本设计里使用硬件电路的电阻分压法来达到线性化目的,得出相应温度值对应的A/D转换值【16】。温度检测电路模块如下图8所示。图8温度检测电路模块图8中单片机端测量的电压值为（7），VRVNTCDA512504/式（7）中R4为20K分压电阻，为所分压的电压值，为单片机的NTCR4V5120AD转换精度。226压力检测模块电压力锅常用的压力检测传感器是使用压力开关，该压力开关利用锅体的膨胀和杠杆原理，使用压力控制传感装置，当锅内压力超过所设定的限压值时，需要机器自动停止加热，在压力降低后再重新加热，确保锅内的压力保持在一定的范围内。此压力开关选用双金属温控开关，型号为KSD101，工作电压为250V，工作电流为10A。在压力没有到达限压值时，开关是闭合的，而到锅内压力达限压值时，开关是断开的。压力开关的开关量信号直接通过I/O口输入到单片机中，给系统提供压力的信号。压力检测电路模块如下图9所示。图9压力检测电路模块227继电器控制电路模块本设计中需要用到220V交流电源来驱动发热盘来对锅体进行加热，而控制电路是5V的直流电源，所以需要用弱电控制强电的元器件。常用的弱电控制强电的器件有继电器、可控硅晶闸管、SSR固体继电器等。可控硅晶闸管、SSR固体继电器，只要输入端用微小的控制信号，就能达到直接驱动大电流负载器件，器件内无触点开关，且控制响应频率快，但成本价格高，电流较大时，发热大。普通继电器，器件内有触点开关，响应的频率较好，能承受较大的电流，触电发热小，并且价格较便宜。能够满足设计的要求。所以本设计采用继电器来驱动发热盘来加热锅体。发热盘使用额定电压为交流220V，额定功率为1000W的发热盘来进行锅体的加热。继电器的触点的电流计算公式IP/U（8）由式（8）得出通过继电器触点的电流I1000W/220V455A，则继电器的触点的额定电流需要大于455A。因此选用松乐继电器，型号为SRD12VDCSLC,额定工作电压250VAC，额定工作电流为7A,线圈工作电压为DC12V，线圈功率为036W。继电器的线圈的电流计算公式IP/U（9）由式（9）得通过线圈的电流I036W/12V003A30MA。由于单片机的I/O口的最高输出电流小于继电器线圈的额定电流，不足以驱动继电器，所以需要加一个驱动放大电路，本设计选取NPN型三极管2N3904作为继电器的驱动开关，接通电源驱动线圈产生磁力，使得常开触点闭合，从而接通220V交流电源。对于三极管基极的限流电阻，由于三极管的基极的峰值电流为100MA，三极管导通电压为07V。三极管基极的限流电阻的计算公式RU/I（10）由式（10）得出其最小的限流电阻值R（5V07V）/100MA0043K。三极管基极电流的计算公式IU/R（11）所以当使用限流电阻阻值为1K时，由式（11）得出三极管基极电流I5V07V/1K43MA。继电器控制电路模块如下图10所示。图10继电器控制电路模块图10中，D1二极管1N4007接在继电器的线圈引脚，防止线圈在断电时产生的反电动势损坏三极管。在单片机复位启动后，I/O口引脚为高电平，所以接入电阻R3，作为下拉电阻，使得单片机复位启动后，I/O口引脚拉低为低电平，防止单片机复位启动时I/O口引脚为高电平而使得三极管导通，而引起继电器的误触动。228报警电路模块本控制器的声音报警电路，需要体积小、声音较大，价格便宜、稳定性高的发声元器件。所以本设计使用通用电磁式无源蜂鸣器，额定工作电压为交流5V，工作频率为2KHZ，阻抗为16。无源的电磁式蜂鸣器，发声原理是电流通过内部的电磁线圈，进而产生磁场来驱动振动膜发声，因此需要一定的电流，由于单片机I/O口输出的电流小，不足以驱动不了蜂鸣器，所以需要加一个驱动放大电路，本设计选取型号为2N3904的NPN型三极管作为蜂鸣器的驱动开关。对于三极管基极的限流电阻，由于三极管的基极的峰值电流为100MA，三极管导通电压为07V。三极管基极的限流电阻的计算公式RU/I（12）由式（12）得出其最小的限流电阻值R（5V07V）/100MA0043K。三极管基极电流的计算公式IU/R（13）所以当使用限流电阻阻值为1K时，由式（13）得出三极管基极电流I5V07V/1K43MA。当电压力锅硬件出现故障，如检测温度的热敏电阻器开路或短路、压力开关开路、或是按动按键时，蜂鸣器发声提醒。报警电路模块如下图11所示。图11报警电路模块229稳压电源电路模块稳压电源电路一般由电源变压器、整流、滤波电路和稳压电路等部分组成。对于稳压电路，目前常用的是三端集成稳压器来进行稳压。由于单片机的AD转换功能使用电源的电压作参照进行AD转换，需要稳定的5V电压，故选择LM7805CV三端稳压器组成稳压电源电路。LM7805CV器件主要参数如下表3所示。表3LM7805CV器件主要参数参数名称值单位输入电压735V输出电压5V输出电流15A工作温度0150稳压电源模块电路图如下图12所示。图12稳压源模块电路设计中使用220V/12V的变压器，功率为3W。由于使用220V/1000W的发热盘进行加热，发热盘的电流计算公式IP/U（14）由式（14）得出通过发热盘的电流I1000W/220V455A，为了防止过电压和防止短路或其它的故障引起的过电流烧坏电路元器件等情况的发生，所以在该电源电路中在电源的输入侧串入7A的保险丝防止过电流烧坏电路。同时在电源侧并入压敏电阻。压敏电阻型号为10D471K，击穿电压为470V，瞬时吸收最大的电流值为10KA。220V交流电经过变压器后转换为12V的低压交流电，经过D2D5二极管1N4007进行整流，经D6和C6、C8进行滤波得出12V电压驱动继电器，经C5和C7平波和滤波后输入到LM7805进稳压得到直流5V电压，再C10和C11进行滤波，输送给后续元器件使用。2210控制器的单片机的I/O分配表根据图2的设计框图和各电路模块与单片机的连接端口，统计出控制器的输入输出信号和名称，如下表4所示。表4单片机的I/O分配表序号单片机管脚编号端口编号功能描述1P0LEDALEDDP数码管/LED段选2P24LEDA1数码管位选13P23LEDA2数码管位选24P22LEDA3数码管位选35P21LEDA4数码管位选46P20LEDA5LED位选7P10KEY1口感切换键8P11KEY2压力切换键9P35KEY3预约键10P36KEY4功能切换键11P37KEY5关/保温键12P15SENSOR温度检测13P32GYSWITCH压力检测14P16RELAY继电器控制15P26BUZZER蜂鸣器控制3电压力锅控制器软件设计31软件整体设计方案311软件设计方案本设计的源程序主要由主程序和各个子程序组成，通过主程序调用子程序，把各个硬件模块的功能协调在一起，达到本设计的设计要求。图13程序整体设计框图312各子程序功能的简单介绍（1）按键输入检测子程序检测按键信号，返回键值；（2）按键信号处理子程序处理信号并执行相应的烹饪功能；（3）温度检测处理子程序检测温度的电压值并判断热敏电阻故障；（4）压力检测子程序检测压力开关信号并判断压力开关故障；（5）时间处理子程序调整各个功能的计时时间；（6）显示更新子程序更新显示的信息；（7）显示输出子程序驱动数码管显示信息；（8）蜂鸣器响停控制子程序蜂鸣器响停控制；（9）继电器通断控制子程序继电器通断控制。32电压力锅控制器的软件设计321按键输入检测子程序本设计的键盘主要用来进行功能切换、关电、保温等功能，采取独立按键的式接口，根据I/O口的高低电平来判断键的状态，因而键盘输入控制子程序则是检测相应按键的I/O口的高低电平，判断按键是否按下，并返回键值。键盘输入控制子程序流程图如下图14所示。图14键盘输入控制子程序流程图322按键信号处理子程序模块接受到按键返回的键值，进行按键功能处理，并执行相应的功能。由于按键在按下时会有抖动的现象，一般消除这种抖动的方法有延时检测，但是使用延时检测的方法会阻塞程序的运行，降低程序的运行效率，并使得其它的信号、运算等不能及时地被处理，所以在设计中不采用延时消抖的方式。本设计采用定时器中断计数的方式，即在一段时间内，定时检测信号是否有效。按键信号处理子程序流程图如下图15所示。图15按键信号处理子程序流程图323温度处理子程序模块温度检测是本设计中的重点，温度的采集主要通过采集MF58100K型号的热敏电阻侧的电压来实现的，把采集到的电压模拟量值通过单片机的AD转换功能转化成数字量得出相应的温度下的电压值，同时与设定的温度电压值比较，然后控制通过继电器来控制加热器完成整个温度的控制过程。由于单片机的AD转换功能在量化时使用的对比电压是单片机的输入电压，在某一时刻可能存在波动，使得经过AD转换量化的电压也存在波动，所以需要采取一定的滤波措施。在本设计中采用均值滤波的方式，把多次测量到的电压值进行累加，然后取平均值，在一定程度上，达到了取得相对稳定的测量电压的效果。温度检测控制子程序流程图如下图16所示。图16温度检测控制子程序流程图324显示更新子程序模块由于显示的信息有故障信息、时间信息、功能提示信息等，在不同的功能下，需要的显示的信息有所不同，所以设置此显示更新模块，方便把显示的信息进行更新。显示更新子程序流程图如下图17所示。图17显示更新子程序流程图325显示输出子程序模块数码管和功能指示LED灯的显示都由本子程序来实现，把需要显示的数字、字符和需要点亮的功能指示灯的值存储到缓冲区，经过查表得出相应的段码值，然后驱动相应的数码管位选，点亮数码管和LED灯，显示出数字和字符、点亮功能指示灯等。显示输出控制子程序流程图如下图18所示。图18显示输出控制子程序流程图326压力检测子程序模块压力检测也是本设计的另一个重点，及时的检测是否到达限定的压力值，能够及时停止加热，防止加热过度，所造成的锅体内压力过大的现象，防止发生炸锅的事情发生。压力检测子程序流程图如下图19所示。图19压力检测子程序流程图327时间处理子程序模块在烹饪中，烹饪的时间决定了最后的烹饪食物的品质，因此必需不断的进行各个功能中的计时的调整。特别是在保压计时，为了使焖饭保压阶段能达到良好的效果，在保压开关信号断开后就立即进行保压计时处理。时间处理子程序流程图如下图20所示。图20时间处理子程序流程图328继电器控制子程序模块通过温度检测子程序检测到的温度，与设定的开关继电器是所在的温度区间进行对比，通过I/O口输出高电平使三极管导通，使得继电器线圈通电，其常开触点闭合，接通加热盘电源，使其发热。把温度控制在一定的范围内，并实现炊煮的过程中吸水阶段、加热阶段、沸腾阶段中温度的控制。继电器控制子程序流程图如下图21所示。图21继电器控制子程序流程图329蜂鸣器控制子程序模块当有发声计数值时，则需要蜂鸣器进行发声，则I/O口输出高电平，驱动三极管接通蜂鸣器5V电源，使蜂鸣器发声，其控制流程如下图22所示。图22蜂鸣器控制子程序流程图3210中断程序模块由于需要执行大量的任务处理，并且执行显示输出、显示更新、按键信号检测、压力检测、蜂鸣器响停等子程序必需要及时响应，而按键信号处理、时间处理等则可以稍微在响应完需要及时处理的任务后再进行处理。这样保证了系统的实时性，保证了单片机运算和控制的高效性。所以本设计里采用定时中断的方法，每250S进行一次定时中断，在中断服务程序里进行1MS，100MS，500MS时间的判断，并设置相应的标志位，让主程序在相应的时间段里执行相应的任务，从而保证对输入信号和输出信号的响应的实时性【15】。中断服务程序模块流程图如下图23所示。图23中断服务程序模块流程图3211主程序控制模块主程序则负责调度、协调各个子程序模块，执行初始化外围器件，故障处理等任务，循环执行各项功能，其控制流程如下图24所示。图24主程序控制流程图4系统的实现与调试41电路图的绘制通过PROTELDXP软件进行原理图的绘制，考虑好芯片和元件等在原理图上的放置位置，将各个引脚的连接要严格对接，使得所做的原理图层次清晰明了。在制作PCB板电路时，要仔细考虑，合理布置器件，妥善布线。合理布置器件要全面考虑电路结构，要做到布置有利于器件的焊接和布线。首先要根据需要确定电路板的大小，再要注意电路中相关的器件应尽量靠近，以缩短器件间与焊接线路的距离，对于工作频率接近或工作电平相差大的器件应相距远些，以免相互干扰，如需注意温度对于晶振等的影响，不能将其置于温度过高的地方使用，以利于散热。妥善布线是硬件电路设计图形化的关键阶段，设计中考虑的许多因素都应在布线中体现出来，合理布线可使电路板获得最佳性能。电路原理图见附录A，PCB印板图见附录B，实物图见附录C。42制作PCB板思路（1）用PROTELDXP画出所需要的印刷的PCB电路板图；（2）然后把印刷电路板图打印到热转印纸；（3）将热转印纸上的碳粉通过热转印机转印到敷铜板上；（4）将敷铜板放入三氧化铁腐蚀液进行腐蚀；（5）用砂纸抹掉电路板上的黑色碳粉；（6）用电钻进行打孔；（7）涂上松香水，防止铜板氧化。43制作PCB板电路的注意事项（1）制作适合的印制电路板的最佳面板尺寸；（2）调节好面板安装孔、支架、夹板、夹子、屏蔽盒和散热器的位置；（3）对于较重的元器件要有合适的固定装置的位置；（4）对于元器件要有合适的安装孔径；（5）装配好的电路板要具有抗压性和抗震性；（6）元器件要有适合的散热方式、途径；（7）对于元器件特殊的放置要求，类似要进行操作的元器件，例如按钮、指示灯，数码管显示屏等，需要有合适的位置和高度。44硬件的焊接与调试441硬件的焊接对于硬件的焊接，在进行硬件焊接时，要使用适合的电烙铁，使用适合的温度来进行焊接，并且做好电烙铁接地，以防止静电损坏元器件，元器件要对号入座，特别是有极性的二极管、电解电容、三极管、芯片等，要注意其引脚的位置和极性。焊接过程中尽可能的使得焊点加锡量适合，焊点光滑饱满，减少漏焊、虚焊的现象。对于主要芯片等应加底座，这样就可以方便芯片的接入，并能避免主要芯片在焊接过程中引脚的损坏或静电损害芯片。这样焊接好的电路比较容易进行检测，并查找出存在的问题。442硬件的调试（1）静态调试先用万用表等工具，根据原理设计图仔细检查电路板线路是否正确，核对元器件型号规格和安装是否正确。应特别注意电源模块的检查，以防止电源短路、极性接反等。并且着重检查线路间是否存在相互间或和其他信号线短路的现象。（2）上电调试先测试电源模块的电压是否正常，然后测试温度检测模块、数码管显示模块、继电器模块、蜂鸣器模块等模块是否能正常工作，若有问题则检查元器件、电路连接是否正常。45软硬件联调（1）程序编写使用KEILUVISION软件进行程序的编写。先编写好功能相对独立的子程序，再编写好主程序进行子程序的调用和协调，特别是关于中断程序的协调。在程序编写的过程中，应当把每个功能模块进行仿真测试和硬件联合测试，每个子程序的功能都测试正常了，再进行整合。（2）程序编译程序编写好后，需要进行编译。在编译的过程中，如有出错的地方，则查找到出错的地方进行修改。直到编译通过。查找错误可以根据编译时所提示的错误代码来查找，修改错误后，可以通过软件仿真进行测试是否程序运行正常。编译检查结果如下图25所示。图25编译检查结果（3）生成“HEX”文件程序编译无错误，并进行了简单的软件仿真后，则点击工具栏上的“OPTIONFORTARGET”按钮，在弹出来的对话框中的“OUTPUT”项中，勾选“CREATEHEXFILE”，重新编译程序，以便生成“HEX”文件。输出配置设置如下图26所示。图26输出配置设置（4）下载“HEX”文件到单片机使用ISP下载工具，把编译好的“HEX”文件添加到下载工具中，设置好下载的参数，如开启看门狗等参数，通过USB转串口下载线与单片机进行连接，点击“下载/编程”按键，给单片机上电，程序则下载到单片机中。（5）软硬件调试下载好程序后，按动按钮，选择功能，测试煮饭、煮粥、煮汤、保温等功能是否正常，测试数码管显示、蜂鸣器、继电器是否正常工作。若不正常，则重新修改程序，重复（2）（5）步骤，直到控制器正常工作为止。5总结和展望本设计已经完成了设计的目标，完成了硬件电路的设计和制板，并编写了相应的程序，实现了设计所要求的功能。经过这次毕业设计，我对STC单片机的有了更深入的了解，如STC12C5A60S2单片机，内置的AD转换模块的使用，内置“看门狗”和I/O引脚的四种不同配置的使用等。在软件的调试中也遇到了很多问题，比如AD转换值的误差的处理、防止按键的误触动、长按和短按按键的识别、数码管字符的闪烁的处理、炊煮的过程中各阶段的处理等问题。不过经过不断的修改程序并软硬件联合调试，本设计已经完成了设计的目标，实现了煮饭、煮粥、煲汤、保温、预约时间等功能。本次设计也有很多可以改善和提高的地方，比如通过增加功能指示灯来改善烹饪功能、压力档位的状态的显示；可以增加无线WIFI进行远程控制；可以通过单片机内置的EEPROM来记录用户的烹饪习惯，可以减少用户的设置即可方便地烹饪出用户喜欢的食物等。通过这些方面的改进和提高，我相信本设计将会做的更加完善。参考文献1张盛清电压力锅产业发展现状分析J厨卫电器资讯0612,2008112顾猷电压力锅的技术溯源及方向探讨J现代家电,2005,2360623尚铁男国内电压力锅技术现状J现代家电,2010539404王永光新概念电热烹饪锅的新发展压力传感控温式电热锅J家电科技,1992,04125肖健华，经顺林模糊控制在家电产品中的应用与展望J五邑大学学报自然科学版,200115218236ANONTHESECONDCOMINGOFTHEINFORMATIONAPPLIANCEJLASERFOCUSWORLD,20017林勇,余勇权单片机在控制系统中的应用M北京电子工业出版社,200310,1982068王永光新概念电热烹饪锅的节能探讨J家电科技,1992,0369连小卫电压力锅行业全接触J现代家电,2011,02172010李鹏厨房电器电压力锅设计D昆明理工大学,201311胡念平电饭煲模糊控制系统的设计J单片机与嵌入式系统应用，2001,14676912熊善柏，李建林，赵思明等米饭的压力无沸腾蒸煮及其工艺优化J,华中农业大学学报，200210,21546647013熊善柏,赵思明米饭理化指标与感官品质的相关性研究J华中农业大学学报20022,211838714王煜东传感器应用技术M西安西安电子科技大学出版社,20069,19620115赵建领等51系列单片机开发宝典M2版北京电子工业出版社,20122,33738916陈伯芳基于FNN的电压力锅控制系统研究与设计D华中科技大学,2011附录附录A电路原理图附录BPCB印板图附录C作品展示附录D总程序INCLUDEINCLUDEDEFINEP_OUT_SEGP0/段码数据SBITP_SMG_1P24/数码管1位选SBITP_SMG_2P23/数码管2位选SBITP_SMG_3P22/数码管3位选SBITP_SMG_4P21/数码管4位选SBITP_SMG_5P20/LED灯位选SBITP_KEY_1P37/保温选择按键SBITP_KEY_2P35/预约选择按键SBITP_KEY_3P10/口感选择按键SBITP_KEY_4P11/压力选择按键SBITP_KEY_5P36/功能选择按键SBITP_IN_YLKGP32/压力开关引脚SBITP_OUT_BUZZP25/蜂鸣器引脚SBITP_OUT_HEATP16/继电器引脚CODEUNSIGNEDCHARSEGTABLE/共阳极数码管字符编码0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,/0,1,2,3,4,5,6,7,8,90X40,0X79,0X24,0X30,0X19,0X12,0X02,0X78,0X00,0X10,/0,1,2,3,4,5,6,7,8,90XFF,0X0C,0X8C,0X83,0X86,0XFB,0XEF,0XF9,0XCF,0XF8,/P,P,B,E,数码管流水灯0XCE,0XD8,0XCC,0XC8,0X9D,0XFF,0XFF,0XFF,0XFF,0XBF,/数码管流水灯0XFE,0XFD,0XFB,0XF7,0XEF,0XDF,0XBF,0X7F/亮功能指示灯CODEUNSIGNEDCHARTABLE_TIM136/口感值,保压时间,温度值0,0,0,0,0,0,/0待机0,0,0,0,0,0,/1保温0,5,8,12,15,968,/2煮饭8保压时间115口感5812温度968165度0,18,22,25,35,968,/3煲汤22保压时间135口感182225温度968165度0,1,5,13,20,968,/4煲粥5保压时间120口感1513温度968165度0,11,14,18,20,968,/5鸡鸭14保压时间120口感111418温度968165度0,10,15,25,30,968,/6排骨15保压时间130口感101525温度968165度0,15,20,28,60,968,/7营养20保压时间160口感152028温度968165度0,10,15,18,25,968,/8五谷15保压时间125口感101518温度968165度0,12,15,23,25,968,/9焖炖15保压时间125口感121523温度968165度0,6,8,12,15,968,/A蒸鱼8保压时间115口感1812温度968165度0,30,35,40,45,968,/B豆筋35保压时间145口感303540温度968165度0,30,30,30,30,901,/C蛋糕30保压时间30口感温度901130度/DEFINESET_TIME_NOLTABLE_TIMR_FUN_MODER_SET_FEEL/默认保压时间DEFINESET_TIME_VOLTABLE_TIMR_FUN_MODE4/调节保压时间DEFINESET_TIME_MIDTABLE_TIMR_FUN_MODE2/默认保压时间DEFINESET_TIME_MAXTABLE_TIMR_FUN_MODE3/最大保压时间DEFINESET_TIME_MINTABLE_TIMR_FUN_MODE1/最小保压时间DEFINESET_TEMP_MIDTABLE_TIMR_FUN_MODE5/默认保压温度/DEFINETEMP_NTC_OPEN10/电压为零DEFINETEMP_NTC_CLOSE1010/电压为5VDEFINETEMP_HIGH990/195度DEFINETEMP_OFF938/145度DEFINETEMP_ON901/130度DEFINETEMP_DANGAO_OFF898/129度DEFINETEMP_BAOYA635/80度DEFINETEMP_BAOWEN_ON552/70度DEFINETEMP_BAOWEN_OFF506/65度DEFINEKEY_BAOWEN1/保温键DEFINEKEY_YUYUE2/预约键DEFINEKEY_KOUGAN3/口感选择DEFINEKEY_YALI4/压力选择DEFINEADC_POWER0X80/ADC电源开DEFINEADC_FLAG0X10/ADC转换结束标志位DEFINEADC_START0X08/ADC转换启动控制位DEFINECHANNEL50X05/P15为A/D输入通道DEFINEADC_SPEED0X60/90时钟/位功能标志定义位变量用“B“/BITB_T1MS/1MS时钟标志位BITB_T100MS/100MS时钟标志位BITB_T500MS/500MS时钟标志位BITB_ON_BUZZ/蜂鸣器鸣响标志位BITB_KEY_UP/按键释放标志位BITB_KEY_LONG/长按标志位BITB_FLASH_ERR/闪烁故障标志位BITB_SHOW_TEMP/温度显示标志位BITB_TEMP_ERRL/传感器开路故障标志位BITB_TEMP_ERRH/传感器短路故障标志位BITB_TEMP_HIGH/超高温故障标志位BITB_TEMP_FRIST/第1次出现高温BITB_TEMP_YLKG/压力开关故障标志位BITB_TEMP_BAOWEN/保温温度标志位BITB_TEMP_ERR/温度故障标志位BITB_FLASH_BAO