【正文】 and realization of the induction heating rice cooker control system using fuzzy control algorithm. It has increasingly bee one of indispensable kitchen wares in a modern kitchen and the market opportunities are huge. From the perspective of theoretical analysis, this thesis does an indepth discussion on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy control theory. Based on the principle of electromagnetic induction heating and fuzzy control theory, this thesis studies the control system design of the induction rice cooker, mainly including hardware circuit design and function principles of every part, software design and application of fuzzy control theory, and the design of electromagnetic patibility. Hardware circuit design mainly includes MCU system, switching power supply, main resonant circuit, IGBT control circuit, sensor detection circuit, key detection circuit, LCD and LED display circuit, and all kinds of protection and alarm circuits. Functions and working principles of every part are described in detail. In the part of software design, fuzzy controller is designed based on fuzzy control theory to realize ricequantity deduction, temperature control, and power control. According to the rice cooking process curve advised by expert, ricequantity is first deduced by fuzzy controller, then the corresponding rice heating process is set according to the rice quantity. In electromagnetic patibility design, the sources of electromagnetic interference are analyzed. Measures are proposed to overe electromagnetic interference and the electromagnetic patibility characteristics of the induction cooker are improved. Design on the control system of the induction rice cooker covers many fields such as intelligent control theory, power electronics, electromagnetic induction heating and sensors etc. Compared with traditional rice cooker that adopts resistance heating, induction rice cooker has many superior advantages and thus has high research values and social significance. After a long period running test, the control system functions well and runs stably and reliably.Keywords: electromagnetic induction heating, fuzzy control, switching power supply, induction rice cooker, electromagnetic patibility 目 錄第一章 緒論 1 1 課題背景 1 課題研究的目的及意義 1 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 2 國內(nèi)外電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 2 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的發(fā)展趨勢 3 課題來源與研究的主要內(nèi)容 4第二章 電磁感應(yīng)加熱原理及其在電飯煲中的應(yīng)用 5 電磁感應(yīng)加熱原理 5 電磁感應(yīng)加熱原理 5 6 電磁電飯煲電磁感應(yīng)加熱電路的組成 7 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析 8第三章 模糊控制理論及其在電磁電飯煲中的應(yīng)用 11 11 11 12 12 13 14 17第四章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計 19 電磁電飯煲控制系統(tǒng)硬件電路整體性設(shè)計 19 MCU 系統(tǒng)設(shè)計 20 單片機(jī) MC9S08AW32 簡介 20 單片機(jī) I/O 口資源分配 20 單片機(jī)電源、復(fù)位、晶振電路 21 顯示電路和鍵盤掃描電路的設(shè)計 21 開關(guān)電源的設(shè)計 23 同步電路的設(shè)計 24 側(cè)面和頂蓋加熱電路的設(shè)計 25 浪涌保護(hù)電路的設(shè)計 26 鍋底、頂蓋和 IGBT 溫度檢測電路的設(shè)計 26 風(fēng)扇驅(qū)動控制電路的設(shè)計 27 IGBT 控制電路的設(shè)計 28第五章 電磁電飯煲控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 29 程序總體架構(gòu)設(shè)計 29 液晶顯示子程序流程圖 30 按鍵掃描程序流程圖 31 軟件抗干擾設(shè)計 32參考文獻(xiàn) 34附錄1 36附錄2 51致謝 63天津工業(yè)大學(xué)2011屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）第一章 緒論 課題背景電磁感應(yīng)現(xiàn)象是電磁學(xué)中最重大的發(fā)現(xiàn)之一，它顯示了電、磁現(xiàn)象之間的相互聯(lián)系和轉(zhuǎn)化，對其本質(zhì)的深入研究所揭示的電、磁場之間的聯(lián)系，對麥克斯韋電磁場理論的建立具有重大意義。國內(nèi)的電力電子技術(shù)起步比較晚，所以電磁感應(yīng)加熱技術(shù)也落后于國外很多。(2)加熱效率高，速度快，可以減少表面氧化現(xiàn)象。市場上可供選擇的電磁電飯煲品種較少，價格昂貴，市場份額還相對來說還比較小。從技術(shù)的角度分析，現(xiàn)在市場上的電磁爐產(chǎn)品，雖然發(fā)展速度很快，但還處于電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用的初級階段，特點(diǎn)是：電路形式簡單，產(chǎn)品功率不大，連續(xù)功率調(diào)節(jié)范圍窄(特別是低功率時)以及外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)(特別是風(fēng)道設(shè)計)大同小異等。隨著市場對電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的深入研究，它必將會對我們的生產(chǎn)，生活等諸方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)而積極的影響。隨著電力電子技術(shù)、高性能半導(dǎo)體和先進(jìn)控制技術(shù)的發(fā)展，電磁感應(yīng)加熱技術(shù)的應(yīng)用日趨成熟并且其應(yīng)用范圍從工業(yè)領(lǐng)域向家電領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。本課題的主要研究內(nèi)容有以下幾個方面： (1)理論上分析電磁感應(yīng)加熱原理，推導(dǎo)出影響電磁感應(yīng)加熱功率的因素。(5)分析電磁電飯煲控制系統(tǒng)的電磁兼容問題，提出解決電磁干擾的具體措施并進(jìn)行驗(yàn)證。圖21是變壓器的基本形式，次級線圈電流值I2與初級線圈電流值I1之比等于初級線圈與次級線圈的匝數(shù)之比。 圖21 變壓器等效電路 圖22 次級短路圖23 電磁感應(yīng)加熱示意圖在電磁電飯煲中，采用銅線特制的圓形線盤作為感應(yīng)線圈。 圖24 集膚效應(yīng)示意圖 當(dāng)交流電流通過導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的外部和內(nèi)部都建立了磁場，磁力線的形狀是導(dǎo)體的中心為圓的同心圓，因?yàn)殡娏魇墙蛔兊模艌鲆彩墙蛔兊?，顯然與導(dǎo)體表面部分相交的磁力線，比與導(dǎo)體內(nèi)部所交連的磁力線要少，于是導(dǎo)體中心部分的自感電動勢，或者說，中心部分的電感和阻抗大于表面部分的電感和阻抗。(3)圓環(huán)效應(yīng) 若將交流電流通過圓環(huán)形螺管時，則最大電流密度出現(xiàn)在線圈導(dǎo)體的內(nèi)側(cè)，這種現(xiàn)象叫做圓環(huán)效應(yīng)。圖25 電磁感應(yīng)加熱電路的組成 電磁電飯煲主加熱電路及電壓逆變電路工作過程分析根據(jù)選定的并聯(lián)諧振電路結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計電磁電飯煲的主加熱電路結(jié)構(gòu)如圖26所示。電壓逆變電路將經(jīng)整流、濾波后的直流電壓變換為流經(jīng)感應(yīng)線圈的高頻振蕩的交流電，從而在感應(yīng)線圈的周圍感應(yīng)出與振蕩電流同頻率的磁場。因感應(yīng)線圈具有感抗作用，i3不能立即變?yōu)?，于是Ls兩端電動勢反向，即Ls兩端電位左正右負(fù)。但是，無論采用經(jīng)典控制理論還是現(xiàn)代控制理論設(shè)計一個控制系統(tǒng)，都需要事先知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型以及給定的性能指標(biāo)，選擇適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計。簡單模糊控制階段指在計算機(jī)系統(tǒng)上把控制器上的推理過程處理成模糊控制表，這種模糊控制器結(jié)構(gòu)簡單并且容易實(shí)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的PID控制相比不僅反應(yīng)速度更快、對被控對象參數(shù)變化適應(yīng)能力強(qiáng)，而且在對象模型結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化時也能獲得較好的控制效果。被控對象可以是缺乏精確的數(shù)學(xué)模型的，也可以是有比較精確的數(shù)學(xué)模型的對象。模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖32所示。模糊控制較之傳統(tǒng)的PID控制不僅有較強(qiáng)的魯棒性，而且在對象的結(jié)構(gòu)發(fā)生較大改變下仍能取得較好的控制效果。這個過程水溫應(yīng)低于55℃，否則大米中的淀粉α化，會使米飯變糊，影響煮飯的質(zhì)量。該過程中，鍋內(nèi)溫度上升到比較高的溫度，通?？蛇_(dá)155℃。(1)米量測定模糊控制器 在模糊控制電磁電飯煲中，控制過程的各段時間是和米量直接相關(guān)的。E 的整數(shù)論域?yàn)?X={3, 2, 1,0,1,2,3}，則量化因子 K1=3/35。圖36 E的隸屬函數(shù)曲線圖37 EC和Q的隸屬函數(shù)曲線 (2) 米量測定模糊控制規(guī)則的設(shè)計 根據(jù)煮飯過程分析可知，鍋底和頂蓋的溫度差及其鍋底溫度的變化率與米量及室溫等密切相關(guān)。在電磁電飯煲控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，A/D 采樣得到鍋底和頂蓋溫度差的精確量會通過單片機(jī)模糊量化到整數(shù)論域 X的 7個元素中的某一個，A/D 采樣得到的鍋底溫度的變化率會通過單片機(jī)模糊量化到整數(shù)論域 Y 的7個元素中的某一個。由煮飯專家提出的煮飯最佳工藝曲線可知，煮飯過程的溫度控制主要有兩種情況，一種是恒溫控制，另外一種是勻速升溫控制。輸出加熱溫度偏差e溫差變化率實(shí)測溫度模糊化模糊推理表反模糊化執(zhí)行機(jī)構(gòu)溫度傳感器給定溫度T1PWM占空比圖38 溫度模糊控制系統(tǒng)框圖表32(2) 勻速升溫控制 勻速升溫的控制原理與恒溫控制的原理類似，不同之處在于對于勻速升溫控制，溫度的給定值 Ti隨時間勻速變化?？刂浦麟娐分械拈_關(guān)器件 IGBT 驅(qū)動電壓的開關(guān)頻率和占空比，從而控制整個系統(tǒng)的工作。 MCU 系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī) MC9S08AW32 簡介 MC9S08AW32單片機(jī)是美國飛思卡爾半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于高性能HCS08核的系列成員之一。(2) 控制液晶顯示 I/O 口 第 40 腳至第 43 腳分別接液晶驅(qū)動芯片 HT1621的 CS、RD、WR、DATA 端口，用于控制液晶顯示。為提高電路的抗干擾性能，晶振電路采用外接32KHz晶振、內(nèi)部通過軟件設(shè)定鎖頻環(huán)FLL倍頻外部時鐘源的方式產(chǎn)生8MHz時鐘頻?！?WR”是寫時鐘輸入端口，當(dāng)“/WR”信號為上升沿時，端口“DATA”上的數(shù)據(jù)地址和命令被寫入 HT1621 上相應(yīng)的RAM 區(qū)。將高壓整流濾波電路產(chǎn)生的高壓直流電變成高頻脈沖直流電，送到主變壓器降壓，變成低頻脈沖直流電。 同步電路的設(shè)計通過對電壓逆變電路工作過程的分析可知，在 t3時刻，在 IGBT1的 C、E極間出現(xiàn)的電壓為逆程脈沖峰值電壓加上電源電壓，其值可達(dá) 1100V。此時，無論 V5為何值，U1A的輸出電壓均為低電平。當(dāng)電磁電飯煲開機(jī)工作時，由單片機(jī) MC9S08AW32輸出高電平至 RR4，三極管 4均導(dǎo)通，直流電壓 Us 加在位于電飯煲頂部和側(cè)面的電熱絲 RR8上，從而使電熱絲發(fā)熱來從頂部、側(cè)面同時加熱電磁電飯煲鍋具。當(dāng)發(fā)生浪涌時，正輸入端的電壓小于負(fù)輸入端，比較器輸出低電平即浪涌檢測為低電平，IGBT1關(guān)斷。頂蓋的溫度檢測電路與鍋底的溫度檢測電路相同。V6表示同步電路輸出電壓值，接比較器 U1A的負(fù)輸入端。為判斷“開/關(guān)機(jī)”狀態(tài)，程序設(shè)置了開/關(guān)機(jī)狀態(tài)標(biāo)志位 Power Flag。設(shè)計思路是，當(dāng)電磁電飯煲控制系統(tǒng)開機(jī)時，首先進(jìn)行液晶驅(qū)動芯片 HT1621 的模式配置初始化，將初始數(shù)據(jù)“寫”到 HT1621 的 LCD 驅(qū)動器使液晶顯示，然后循環(huán)執(zhí)行各個子程序。當(dāng)確定有按鍵標(biāo)志有效時，單片機(jī)更新與按鍵對應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)并寫到液晶驅(qū)動芯片 HT1621，當(dāng)更新后的顯示數(shù)據(jù)寫完時，液晶驅(qū)動芯片驅(qū)動相應(yīng)的 LCD 字符塊從而更新顯示內(nèi)容與按鍵選定的模式一致。若“飛” 到了三字節(jié)指令，出錯機(jī)