智能电饭煲控制系统

1、 燕山大学课 程 设 计 说 明 书题目：智能电饭煲控制系统 学院（系）： 电院自动化系 年级专业： 07级工业自动化2班 学 号： 070103010114 学生姓名： 蒲超杰 指导教师：吴忠强 陈志旺 教师职称： 教授 讲师 燕山大学课程设计（论文）任务书院（系）： 基层教学单位： 学 号学生姓名专业（班级）设计题目设计技术参数设计要求工作量工作计划参考资料指导教师签字基层教学单位主任签字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。年 月 日摘要摘要本设计以 MCS51系列中的89C51单片机为核心，通过热敏电阻把温度信号转变成电压信号，再经 A/D 转换把电压信号变成的

2、数字信号，然后由 CPU 处理进而去控制继电器，达到对发热盘的温度控制工作。本电饭煲采用波浪式起伏加热模式，通过微电脑控制，模拟人工炊煮。轻轻按下开始键，便能完成煮饭功能，通过时间显示提醒操作者距离完成时间，给消费者带来便捷的生活享受。 关键词：单片机；传感器；A/D转换；控制；IAbstractThis design is based on 89C51 micro single-chip computer , use the quick temperature resistance to change the temperature signal into the voltage signa

3、l, and then chang the voltage signal into digital signal by ADC , at last the CPU deal with it and control the relay electrical mechine ,so as to control the heat coil.The electrical rice cooker adopt wave type rise and fall to heat up pattern, through the control of the micro single-chip computer,

4、simulated man-days cooks to boil.Can boil meal consummately gently according to 6buttons , boil meal , boil meal quickly,boil gruel, stew soup and5 insulation cooking functions and one make an appointment function. Bring convenient life to customer to enjoy. Key Words: micro single-chip computer; Se

5、nsor; A/D conversion；control III目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 本系统研究现状11.3 本文主要研究内容2第2章 系统总体设计32.1 系统的整体设计32.2 89C51芯片介绍32.3 A/D转换模块42.4 电源模块52.5 DS1302芯片介绍52.6 显示模块62.7 温度检测62.7.1 温度采样62.7.2 干烧检测62.8 蜂鸣器7第3章 系统工作过程93.1 判断米量93.2 温度点的设置与吸水103.3 沸腾过程113.4 焖饭过程123.5 保温过程133.6 主程序流程图14第4章 程序设计174.1

6、 系统程序17结论22参考文献23I第1章 绪论第1章 绪论1.1 课题背景随着我国经济的不断发展，城乡居民生活水平的不断提高，对饮食的要求也越来越高，过去的那种机械式、电子式的电饭煲已不能满足人们的要求，安全、简便、节能、实用已是当今代人追求的主旋律，而微电脑电饭煲的问世，不仅能满足人们的要求，而且把电饭煲的各项功能发挥的淋漓尽致。回顾电饭煲在中国的发展历程，虽然只有短短的 20 几年，但中国的电饭煲生产行业由弱到强，由强到精，生产规模以年增长率不低于 30%的高速度扩大，技术含量也不低于进口产品。1.2 本系统研究现状我国从 80 年代初开始生产电饭煲，经过近 20 年的发展电饭煲的质量已

7、经接近国际水平，技术日趋成熟。据国家统计局统计，1992 年我国内地的电饭煲产量达 113.08 万个；1993 年的 1 到 8 月份，全国电饭煲产量约 946.85 万个，全年生产了约为 1500 万个；2000 年，我国内地全年电饭煲生产量约为 5000 万个；到 2003 年，我国内地全年电饭煲生产量约为 10000 万个，增长幅度达 44.5。销售方面，1992 年，全国累计销售 14.8 万个；1993 年累计销售 25 万个，比 1992 年增长 58.7%；2000年的全国销售量为 250 万个，是 1993 年的 10 倍；2003 年的全国销售量为 650 万个。我国是一个

8、人口大国，电饭煲市场具有很大的发展潜力；随着技术的不断成熟，我国电饭煲的出口量也不断增加。据中国消费者协会预测，这种销售势头在我国未来几年内不会减弱。电饭煲作为传统的厨房家电，发展至今，家家厨房差不多都摆上一个，对于这种持有率极高的产品，厂家的唯一策略就是运用新技术生产新产品，电饭煲技术已经从机械、电子控制、转入微电脑智能化控制阶段，数字技术、电磁技术也将纷纷应用到了电饭煲的更新换代产品中。电磁电饭煲则是利用变化的磁场促进饭煲内胆铁分子的震动，铁分子振动所产生的热量可轻易的传给锅中的米水，热效率提高了 15%左右，但价格在 500 元到 1200 元。具一项调查显示，大量的消费者都能够接受 2

9、00 元到 300 元的电饭煲，超过 500 元就几乎无人问津了。而微电脑电饭煲不仅功能多、功耗低、保温性能好等特点，而且价格在 150 元到 350 元，是人们的理想选择。一种产品是否能够生存，不仅看它能否给厂家带来利润，更重要的是看它有没有市场。而今，智能电饭煲不仅在市场将占据主导地位，而且前景一片光明，因此我们选择智能电饭煲的开发。1.3 本文主要研究内容本系统以 MCS51系列中的89C51单片机为核心，通过热敏电阻把温度信号转变成电压信号，再经 A/D 转换把电压信号变成的数字信号，然后由 CPU 处理进而去控制继电器，达到对发热盘的温度控制工作。本电饭煲采用波浪式起伏加热模式，通过

10、微电脑控制，模拟人工炊煮。轻轻按下开始键，便能完成煮饭功能，通过时间显示提醒操作者完成煮饭时间，给消费者带来便捷的生活享受。基于以上系统设计思想，我将从单片机，电源，显示，故障检测及保护模块详细介绍系统的设计。 III第2章 系统总体设计第2章 系统总体设计2.1 系统的整体设计智能电饭煲控制系统原理框图如图2-1所示，通过按键来选择开始，显示电路完成显示完成时间；通过热敏电阻来对温度进行采样；通过单片机的的控制最终实现对继电器的控制，从而来控制对加热盘的加热与否，电源部分完成对单片机系统和外围电路提供5V电源，并且对加热盘进行加热。图2-1 采用89C51单片机的电饭煲原理框图2.2 89C

11、51芯片介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可 擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多 功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机 为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 主要特性：与MCS-51 兼容 ；4K字节可编程闪

12、烁存储器 ；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路 2.3 A/D转换模块A/D转换选用ADC0809，ADC0809是美国国家半导体公司的CMOS型8位28条引脚A/D转化器，采用逐次逼近技术，输出的数字信号由TTL三台缓冲器顺序控制，可以直接与数据总线相连。分辨率为八位，精度为七位，时钟频率范围在101280KHz之间，单一的+5V电源供电，具有锁存功能的八位模拟开关，可锁存三态输出，输出与

13、TTL兼容，功耗为15mW,不必进行零点和满度调整，易于与微处理器相连。 ADC0809与单片机89C51的接口采用查询方式。由于ADC0809片内无时钟，可利用89C51提供的地址锁存允许信号ALE经D触发器二分频后获得，ALE端的频率是单片机频率的1/6，ADC0809具有输出三台锁存器，其八位数据输出引脚可直接与数据总线相连。地址译码器引脚A、B、C分别与地址总线的三位A0、A1、A2相连，以选通IN0IN7中的一个通道。将(Q7与RD)作为选通信号，当选通信号等于低电平时，选中的ADC0809允许启动各通道转换与读取相应的转换结果。转换结束信号EOC经导相后接至单片机的外部中断INT1

14、'(P3.3).当P3.3=0时，说明转换结束。我们选用0通道作为输入。因而可以把0809视为一个地址为03F8的外部数据存储单元，当其写入数据时，89C51的WR'信号使ALE和START有效，将74LS373锁存的地址低3位存入0809，并启动ADC。当EOC为低电平时，说明A/D转换正在进行。当EOC变成高电平时（即P3.3=0时），表示转换结束，89C51可以读入转换好的数据。2.4 电源模块 采用常用的三端稳压芯片 7805 得到 5 伏的电源。如图2-2。图2-2 5V电源原理图2.5 DS1302芯片介绍低功耗时钟芯片DS1302可以对年、月、日、时、分、秒进行计

15、时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析以及对异常数据出现的原因的查找有重要意义。采用DS1302作为记录测控系统中的数据记录，其软硬件设计简单，时间记录准确，既避免了连续记录的大工作量，又避免了定时记录的盲目性，给连续长时间的测量、控制系统的正常运行及检查都来了很大的方便，可广泛应用于长时间连续的测控系统中。在测量控制系统中，特别是长时间无人职守的测控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间。记录及分析这些特殊意义的数据，对测控系统的性能分析

16、及正常运行具有重要的意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且某些测控系统可能不允许。而在系统中采用DS1302则能很好地解决这个问题。2.6 显示模块LED显示电路由2个7段LED数码显示管组成。用于做饭计时显示，电饭煲按下开始键时开始显示，当饭做好时显示为“b”，以提醒用户注意关闭电源以节省用电。数码管采用串行输出的2位共阳极LED静态显示接口电路。TXD为移位时钟输出，RXD位移位数据输出，P1.0作为显示器允许

17、控制输出线。串并转换器采用74LS163。2.7 温度检测温度的检测和控制是此设计成败的关键。温度的控制是本设计的成败关键，而对温度的控制主要依赖于传感器的检测。如果传感器出现了故障，电饭煲就无法进行正常工作（虽然有加热时间限制），所以，在一上电时，必须对传感器进行检测，判断是否开路或短路。检测的方法为：在电饭煲工作之前，对传感器的电压进行 10 次采样，求其平均值，再进行比较，当平均值大于 FCH 时为短路，小于 04H 时为开路。这个比较点的设置必须要满足在任何温度下都能够检测出传感器的故障而不是误判断。2.7.1 温度采样在本设计中，温度的检测是通过锅底和锅盖的两个50K热敏电阻来完成。

18、不同的温度，热敏电阻的阻值就不同，阻值的大小与它的温度成反比。当温度高，热敏电阻的阻值就小，分到的电压就低，取样电阻上分到的电压就高，A/D 转换的值就大；相反，当温度低时，热敏电阻上分到的电压就高，取样电阻上分到的电压就小，A/D 转换的值相对就小。CPU 通过 A/D 转换值的大小去控制温度。温度采样原理图如图 1.4 所示。为了防止干扰信号而产生的误判断，在对温度进行采样时，首先进行十次采样，再取平均值。采样周期为 10ms，完成十次采样需 100ms，这样就能消除干扰。温度的采样和求平均值，都是在 1 ms的中断中完成的。2.7.2 干烧检测干烧有两种情况，一种是空锅发热盘干烧，另一种

19、是无锅发热盘干烧。检测干烧是通过锅底传感器温度的变化率来判断的。当变化率大于 K1为空锅干烧，小于 K2 时，为无锅干烧。检测方法是按下功能键之后，先让电饭煲预烧一分钟，一分钟到记下此时底部传感器温度转换的 A/D 值 AD1 ，然后再烧一分钟，第二分钟到，再记下此时底部传感器的温度转换的 A/D 值 AD2 ，计算 K=AD2-AD1 ，当 K 大于某一个值 K1 时为空锅干烧，当 K 小于某一个值 K2 时为无锅干烧。但是，在不同的电压下，发热盘的功率会有所变化，电压高，发热盘的功率会增加，电压低时，发热盘的功率会减小。因此，当电压处于不停波动，且波动的幅度比较大时，或者电压一直处于 20

20、0V以下时，在这种情况下，虽然处于空锅干烧，但是它的变化率 K 还是小于 K1 却大于 K2 ，当作一种正常情况来处理而继续干烧下去。为了避免这种误判断，本设计采用了第二次干烧检测法，就是在第一次判断有锅后，再在第三分钟时进行第二次判断，如果是空锅干烧时，锅底的温度接近 200，无论从斜率上还是从温度点上，都有很容易判断出干烧来。另外在检锅完成之后，对锅底的温度进行了过热保护。当锅底温度超过 150时，强制断开继电器。这样既能防止干烧，更重要的是避免锅底过热而使米饭烧焦而有锅巴。2.8 蜂鸣器蜂鸣器的提示音，主要通过CPU的输出端产生高电平，打开蜂鸣器的使能端，让其工作。当切断电源时停止工作。

21、第3章 系统工作过程第3章 系统工作过程对于一个电饭煲，要做到工作中无水或米浆溢出，做出的米饭口感好，饭香，无粘底或黄底，米饭的外观光亮；做出的粥/汤，香、无粘底，与水完全融合成一体。这并非一件容易的事。要想达到烹调的要求，必须要做好以下工作。3.1 判断米量因为不同的米量，在加热时吸收的热量不同，锅内实际温度与传感器检测到是温度相差大小也各不相同，因此相应的吸水点、沸腾点和焖饭点，所对应的传感器的电压值也就各不相同。所以在吸水点之前,必须要判断出米量来。在给米量的分等级上，当然是越细越好,那样便于温度的控制，但是要想准确的判断出米量就非常困难，而且要测的参数非常多。所以采用了以下两种方案。方

22、案一: 把米量分成大量、中量和小量三种等级。方案二: 把米量分成大量、中大量、中量、中小量和小量五种等级。 首先要看锅的容量。当锅的容量为 3 升或更小时，第一种方案优于第二种方案，因为方案一不仅能区分出米量，而且要测的参数也较少，软件的难度也大大的降低了；但是当锅的容量大于 3 升时，方案一就不能准确的区分出米量的多与少，米量判断就比较模糊，相应的吸水点、沸腾点和焖饭点所对应锅内温度就无法准确的判断，烹调的效果就不佳。这时方案二的优点就显示出来。因此米量的分类要结合锅的容量来考虑。把米量分成几档之后，怎样才知道米量处在那个档次呢？此时必须要进行米量的判断。对锅底、锅盖的传感器的斜率同时加以判

23、断。 由于米是一种不良导体，对热量的传导速度比较慢。当米量多时，不仅本身吸收的热量比较多，而且把热量传导到上面的速度也比较慢，因此上面传感器温度的变化率就比较小；相反，当米量少时，上面传感器温度的变化率就比较大。因此，在不同米量下，即使下部传感器的温度变化率是相同的，而上部传感器的变化率却能区别开来，如下表 4 所示。测量条件：锅的容量：4 升；功率：700W，电压：220V 左右，米和水的比例：1:1.5。从表 4 可以看出，不同的米量虽然时间相同，但上面传感器的斜率却有很大的差异。把上下传感器的斜率同时进行比较，基本上就能判断出米量来。 由于吸水点的温度在 65左右，所以在判断米量期间，锅

24、内的温度上升不能超过 65。正是考虑到这一点，在判断米量，选择锅底传感器从 1.7V 升到 3.5V。从 1.7V 升到 3.5V 期间，米量少时，锅内温度达到 60，米量多时，锅内在温度 40左右。3.2 温度点的设置与吸水在判断米量之后，根据不同的米量来设置它不同的吸水点（65温度点）、沸腾点（100温度点）和焖饭点（130温度点）。在正常煮饭时，吸水时的温度基本控制在 65左右，在吸水判断中，当温度达到吸水点的温度时，停两分钟，让锅底温度和锅内温度平衡，两分钟到，再次检测锅内的温度（依据顶部传感器），当低于 65时，进行小功率加热，当高于 65时，停止加热。开始吸水，吸水的时间为五分钟，

25、五分钟吸水时间到，又开始满功率加热，一直到煮沸。吸水的目的是使后活性水相对减少，在沸腾时水不易溢锅，而且煮出的饭不会很硬，口感好。3.3 沸腾过程吸水后，满功率加热到沸腾点，然后改用间歇式的加热方式，直到锅内的水沸腾。这种波浪式加热方式，让锅内的米浆有一个缓冲的余地，避免米浆的溢出。在判断米量之后，根据米量来设置相应的沸腾点。沸腾点的设置是否得当非常关键，当沸腾点过高，有米浆溢出，而沸腾点过低，波浪式加热到煮沸的时间太长，煮出的米饭就不香，口感也不佳。在本没计中，沸腾点所对应锅内的温度为 95左右，而不是 100，如果沸腾点设为 100时，当满功率加热到 100，米浆就会一涌而上，就有大量的米

26、浆溢出；若设定的过底，也达不到烹调的要求。因此沸腾点的设置要得当。在本设计中，调整发热盘的热能是靠断开和吸合继电器来完成的。在调功中，调功的周期为 30秒，在 30 秒内，继电器合上的时间越长，加热的能量就越大，相反，合上的时间越短，加热的能量就越小。另外，电压的高低也会影响发热盘的功率，电压高，功率增加，加热相等的时间能量就高，相反，电压低，功率减小，能量就小；而米量的不同，需要的能量也各不相同，米量多，需要的能量就大，米量少，需要的能量相对也小。因此，调功不仅需要考虑到当时的电压，而且也要和米量合起来。所以，在调功前必须判断当前的电压。在每次调功之前，首先判断此时的电压，判断电压通过 69

27、P42 的 A/D 转换输入端口 AN6 来检测，电路图如图 1.4 所示。本设计把电压分为八个档，每 10V 为一档，不同的电压档中，对应的寄存器RAM1 中的值不同，如下表所示。相互弥补方式。也就是当高电压遇到了大米量或低电压遇到少米量时，都当作正常情况处理，如上表 4 和表达式所示，当 RAM1+ RAM2=7、8 或 9 时，为正常情况；若 RAM1+ RAM2的值过大或过小时，也就是低电压遇到大米量或高电压遇到小米量时，占空比的调整的幅度就比较大。而这种调功是通过查表来完成，根据 RAM1+ RAM2的值查表，取得相应的调功占空比。这种方案的优点是可相互弥补，把调功可能的情况压缩到了

28、 16 种，而且修改参数时，只需调整所查表格的占空比便能完成。3.4 焖饭过程焖饭点就是锅内水蒸干时的温度点。不同的米量，设置不同的焖饭点。米量多时，设置的温度点就高一些，相反米量少时，设置的温度点就相对低些。如果米量判断有误时，锅内的水分有可能没蒸干就转入焖饭调功，为了避免这种情况出现，本设计采用了二次烘干的措施，也就是第一次温度达到焖饭点后，让继电器停止工作三分钟，让锅内的水分渗透到锅底，若有水分或水分很多时，锅底的温度会下降很快；若无水分，锅底温度下降就很慢。三分钟到，再以小功率加热直到温度达到焖饭点。这样，锅内的水分基本上能够蒸干。这样一来，煮出的饭的效果就更佳。内水蒸干后，就转入焖饭

29、过程。在焖饭过程中，对锅底最高温度进行限制，超过某个温度，强行断开继电器，进行过热保护，避免锅底有黄底，达不到烹调的要求。焖饭的调功也是采用调功方案。把米量和电压结合起来，然后通过查表取得调功占空比进行调功。3.5 保温过程当电饭煲完成功能时，蜂鸣器鸣响，进入保温状态。此时数码管显示“b”,此时温度控制在6575，最佳温度为72。 保温方法为直接断开或吸合继电器。当传感器检测到温度高于 75，就直接断开继电器；当传感器检测到温度低于 65，就吸合继电器；这样温度基本上能控制在 72左右。当煮饭时，因为锅内是固态，热量不易传导，受热就不均匀，温度只能控制 6575之间。保温程序流程图如下3.6

30、主程序流程图 图 10-2 主程序流程图一 图 10-3 主程序流程图二第4章 程序设计第4章 程序设计4.1 系统程序A/D转换程序A/DMAIN: MOV R1,#data ;置数据区地址 MOV DPTR#7FF8B ;P2.7=0,且指向通道 MOV R7,#08H ;置数通道LOOP: MOVX DPTR,A ;启动A/D转换 MOV R6,#0AH ;软件延时，等待转换结束DLAY: NOP NOP NOP DJNZ R6，DLAY MOVX A,DPTR ;读取转换结果 MOV R1,A ;转储 INC DPTR ;指向下一个通道 INC R1 ;修改数据区指针 DJNZ R7，

31、LOOP ;8个通道完全采样完了吗？JR1: LCALL JRX JNB 00H,JR1RET CLR P1.3 CLR P1.4 CLR P1.5 MOV A,34H CJNE A,2FH,JR1 MOV A,35H CJNE A,2EH,JR1 MOV A,36H CJNE A,2DH,JR1 MOV A,37H CJNE A,2CH,JR1JR11: LCALL JRX JNB 00H,JR1RET SETB P1.3 CLR P1.4 CLR P1.5 MOV A,38H CJNE A,2FH,JR11 MOV A,39H CJNE A,2EH,JR11 MOV A,3AH CJNE

32、A,2DH,JR11 MOV A,3BH CJNE A,2CH,JR11JR12: LCALL JRX JNB 00H,JR1RET SETB P1.3 SETB P1.4 CLR P1.5 AJMP JR12ADIM DPH, 01HJMPCLR_ROM0CLR_RAM2: SBIDPM, 04HBNZCLR_ROM0MAIN:ORIM PORTE,1111B;待机状态其它灯灭ORIM PORTD,1111B;ANDIM PORTD,1101BANDIM PORTC,1011B;关电不加热LDISTATUS_FLAG0,0H;BEGIM SCAN KEYLDIPOWER_FLAG,0HLDIRICE_FLAG,0HLDISTATUS_FLAG1