微波炉的智能控制系统设计概要

1、S 收稿日期：2007-10-11基金项目:重庆市教委基金资助项目（040607.作者简介:魏云茂（1982，男,河北人，硕士研究生，主要从事智能控制技术与系统方面的研究.【电子与自 动化】微波炉的智能控制系统设计魏云茂，肖蕙蕙，李 川，周桃文,陈忠华（重庆工学院，重庆 400050摘要:介绍了基于MCS -51单片机的微波炉智能控制系统.该系统采用温度传感 器检测食物的温度，采用压力传感器检测食物的质量，通过模糊推理自动推算加热时 间,实现微波炉系统的智能加热，从而避免了因操作者经验不足、设定时间不准确而 造成的烹调失败.测试表明，该系统具有操作简单，控制精确的特点.关键 词:模糊控制；微波

2、炉；MCS -51单片机;智能控制中图分类号:TS176 文献标识码:A文章编号:1671-0924（200712-0161-04Desig n of I n tellige nt Con trol System of Microw ave Ove nWEI Y un 2mao ,XI AO Hui 2hui ,LI Chuan ,ZHOU T ao 2wen ,CHE N Zho ng 2hua(Chongqing In stitute of T ech no logy ,Ch ongqing 400050,Chi naAbstract :This paper in troduces an

3、in tellige nt con trol system for microwave ove n based on MCS 251,which detects food tem perature with tem perature sens ors ,detects food weight with pressure sens ors automatically in duces heati ng time with fuzzy reas oning to realize the intelligent heating of a microwave oven ,thus to av oid

4、cooking failure because of the in experie need ,bad timi ng of operators.T ests show that this system possesses characteristics of easy operati on and accurate con trol.K ey w ords :fuzzy control ;microwave oven ;MCS 251singlechip ;intelligent con trol微波炉作为家用电器之一，已广泛进入了人们的生活，其类型也从最初的机 械控制发展到目前的电脑控制通

5、常用户根据经验，采用键盘输入的形式选择加热时 间由于每个人的经验不同，所以设定的控制时间也存在一定的差异在这种传统的控 制方法下，烹调过程中微波炉的加热时间难以精确控制比如设定的工作时间过长，含 水分较少的食物可能会产生过热碳化的现象，时间过短则达不到预期的烹调效果所以本文中提出了应用模糊控制技术来确定加热 时间，使其达到较高的精确度1系统的总体设计在微波炉加热食物的过程中，主要的影响因素有：食物的种类、食物的初始 温度、食物的质量等由于食物的种类不同，虽然初始温度和质量相第21卷 第12期Vol.21No.12重庆工学院学报(自然科学Jour nal of Chongqing In stit

6、ute of Tech no logy (Natural Scie nee Editi on2007 年 12 月 Dec.2007同，但加热的时间不会相同，而对于同种食物，由于质量不同加热时间也不相同所 以在加热的时候，人们依据自身的经验进行设置，很难得到精确的加热时间针对这个 问题，笔者设计了基于MCS -51单片机的模糊控制技术的微波炉智能控制系1该系统的总体结构如图1所示压力传感器VMCS-屯路51单整形放大电路*加热扌空制电路溫虞测張电賂->万-报警电珞机!|门检测>4"时间电珞图1系统总体结构该系统通过压力传感器采集食物的质量，通过温度传感器采集食物的温度 使

7、用模糊控制算法计算食物加热所需的时间，采用LC D显示和微触防水按键，使用 户可以直观地选择食物的种类.2模糊控制算法将模糊控制技术应用于微波炉智能系统来解决微波炉中的时间设定问题 , 能够精确地控制时间根据微波炉工作的特点，采用查询表”的方式设计模糊控制器 将控制表存储在单片机中，供控制系统查询使用.模糊控制微波炉是根据食物的质量、比热容和温度自动推算出加热时间 ，选择 食物的质量和比热容作为控制器的输入量，控制时间作为输出变量，其控制过程如图 2所示2-4图2食物加热时间的控制过程根据食物质量的分布（微波炉的质量量程，定义其模糊集如表1所示.表1质量的模糊集质量/kg很轻 00.2 轻 0

8、.20.4 中 0.40.6 重 0.60.8很重0.81.0食物的比热容是通过实验的方法来获得的实验所采用的工具包括超级恒 温器、密闭容器、刻度标准的温度计、天平比热容通过热平衡方程式计算4.按下 述热平衡方程式，可确定被测食物的比热容Ct.c t m t (t 1-t 2=c w m w (T 2-T 1+c b m b (T 2-T 1(1得到：c w m w (T 2-T 1+c b m b (T 2-T 1m t (t 1-t 2其中:c t ,m t表示待测量食物的比热容（k J/kg ? C和质量（kg ;c w ,m w表示恒温器中水的比热容（K J/kg ? °C和

9、质量（kg ;c b ,m b 表示密闭容器的比热容（K J/kg ? C和质量（kg ;T 1,T 2表示恒温器和水的初始温度 和最终的温度（C；t 1,t 2表示被测食物在实测时的初始温度和最终温度（C由于在测量的过程中，食物的温度在各点是不相同的，所以要在充分热交换后，当 温度稳定时采集这时可以测得一些食物的比热容，比如 油生菜的比热容为2.77k J/kg ? C ,宫爆鸡丁的比热容为2.78k J/kg ? C,葱爆牛柳的比热容为2.37k J/kg ? C 等，根据食物比热容的分布，定义其模糊集如表2所示.表2比热容的模糊集比热容/（k J/kg ? C小 01.5 中 1.52.

10、5大 2.53很大3以上为了便于人机信息的交换，把模糊化后的比热容用几种食物类型来概括：淀 粉类（小,蔬菜类（中潴肉（大，鱼肉（很大.261重庆工学院学报采用模糊控制的微波炉在自动的工作方式之下，首先通过压力测量电路对放入 食物的质量进行采集，由用户通过人机交互界面选择的食物种类获得比热容.根据采集到的食物的质量、比热容、烹调功率作为条件，来计算微波炉烹调的时间.由于食物的初始温度不同，所以建立时间/温度的查询表，微波炉的烹调时间/温 度（t和食物质量（m,食物的比热容（c,食物温升（VT成反比，和微波炉的功率（P和效率 （T成正比，实验过程中采用的微波炉功率为 1000W,它们之间的关系用式

11、（3表示：t g Pn /（mcV T其中:m的单位为kg,c的单位为k J/kg? °C,VT的单位为C ,P的 单位为 W,效率n取80%90%,t的单位为s/C .其加热时间/温度由下列模糊规则确定：I f m=很轻and c=小then时间/温度=0.6625;I f m=轻and c=小then 时间 /温度=1.3250;I f m=中and c=小then 时间 /温度=1.9875;I f m=很重and c=很大then时间/温度=4.5.表3所示为时间/温度的模糊控制查询表.表3烹调时间/温度的模糊控制查询表mc小中大很大很轻0.662thil°S热时间

12、小于1J*" Y50.9轻 1.3250 1.450 1.5750 1.8中 1.9875 2.715 2.3625 2.7重 2.6500 2.900 3.1500 3.6很重 3.3150 3.625 3.9375 4.53系统的软件设计本系统的软件设计流程主要包括主程序流程（如图3所示和键盘子程序流 程（如图4所示.图3主程序流程图4显示子程序流程显示程序采用单片机内部定时中断实现，当定时时间到时，进入定时中断.在 中断响应程序里关闭中断后先进定时计数值重装，然后调用显示程序，显示完毕后中断返回.这样的设计，避免了因主程序进入延时或其他子程序而造成的没有显示或显 示不能正常进行

13、.4系统测试系统的测试工作是把设计系统的加热时间和理论的加热时间作对比.361魏云茂，等:微波炉的智能控制系统设计因为系统的机械架构不在本次设计的范围之内，所以在测量电路中使用一个发 光二极管代替输出电路.发光二极管可以模拟光藕的导通状态.当发光二极管点亮时, 表明光藕导通.光藕驱动继电器驱动芯片，进而驱动继电器，使磁控管变压器原级线圈 导通，加热开始.发光二级管熄灭代表加热结束在系统总体测试时，使用秒表测量加热 时间5-6.将测量所得的加热时间与理论实践对比，经过多次测量，所得数据对比如表 4所示：表4理论加热时间和实际加热时间的对比食物类型质量/g初始温度/C理论时间/s实际时间/s相对误

14、差蔬 菜 30027132135 2.2% 50027198205 3.4% 70027263269 2.2% 900273293372.4%肉 类 30027106110 3.6% 50027159164 3.0% 70027212218 2.8% 900272652743.3%淀粉类 3002797100 3.0% 50027145149 2.7% 70027193201 3.9% 90027242251 3.6%鱼 类 30027115119 3.4% 50027173179 3.4% 70027230237 3.0% 90027287295 2.7%由表4可见,该设计系统实际的加热时间与理论的加热时间十分接近，精确度咼.5结束语该微波炉智能控制系统可以通过对食物的质量和温度的检测，应用模糊控 制器推理计算出食物的加热时间，与传统微波炉由人工设定时间相比，具有更好的准 确性7.人机交互界面使该系统具有更好的可操作性.该系统还可以根据用户的需要 进行有目的的扩展，比如可加上时钟和日历，用户能在放入食物后设定启动微波炉的 时间，使其能够定时加热.参考文献：1 王立新.模糊系统与模糊控制教程M.王迎军，译.北京:清华大学出版社,2003.2 林钢.模糊控制及其在实用电器中的应用M.北京：机械工业出版社,2006.3 李芳,白晓虎，纪建伟.基于模糊