【正文】 式系統(tǒng)在小家電上的應(yīng)用遠(yuǎn)晚于其在黑色家電及其他大型家電上的應(yīng)用。比較出色的公司主要集中在日本。當(dāng)今社會科技發(fā)展迅速，人們生活水平迅速提高，家用電器越來越受到人們的重視，許多家用電器制造商都投入大量的人力、資金進(jìn)行家電的升級和智能化。家電中的模糊控制技術(shù)為了探索人工智能，使電腦模仿人腦，進(jìn)行更多的智力勞動，模糊數(shù)學(xué)便應(yīng)運而生，1965年美因著名系統(tǒng)及控制論專家、加州大學(xué)教授Zandeh創(chuàng)立的模糊集合論，在電腦與人腦之間架起了一座橋梁[14]。對一些很難或根本無法建立數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜系統(tǒng)和長時滯、非線性、多因素交互影響的時變系統(tǒng)，應(yīng)用模糊控制技術(shù)可對其實施有效的閉環(huán)控制。模糊控制器的設(shè)計相對較簡單，開發(fā)周期短、成本低，用傳統(tǒng)控制方法需PC機才能完成的，控制目標(biāo)用一個8位單片機就可實現(xiàn)，因此它具有很強的滲透性，應(yīng)用前景十分廣泛。但可以相信，它是一項控制工程領(lǐng)域的高新技術(shù)，有著誘人的發(fā)展前景和廣闊的應(yīng)用天地。本課題主要任務(wù)及相關(guān)問題：168。使其具備智能電飯煲基本功能。 在軟件上的實現(xiàn)預(yù)約、保溫、米量推算、智能炊煮和冷飯加熱等功能。168。168。其中包括用何種方法進(jìn)行米量推算。智能電飯煲整體設(shè)計智能電飯煲整體設(shè)計包含兩部分：硬件的整體設(shè)計和軟件的整體設(shè)計，硬件的整體框架主要是以單片機為核心集合了顯示，提示音，溫控等功能的外圍模塊電路。硬件整體框架硬件的整體框架包括MCU、電源、溫度傳感器、LCD顯示、EEPROM、RTC、加熱盤以及按鍵[9]。按鍵溫度傳感器DS18B20EEPROMLCD顯示加熱盤RTC電源蜂鳴器MCU圖21 硬件結(jié)構(gòu)框圖各模塊介紹電源模塊電源分為為加熱盤模塊提供電的220V電源，和為溫度傳感器模塊、按鍵模塊、顯示模塊和EEPROM模塊等提供電的5V電源。顯示模塊采用LCD 1602 實現(xiàn)時間顯示，功能選擇，是此電飯煲的人機對話界面。加熱盤模塊與220V市電直接相連，分為主、副加熱盤，并且分別對其采用繼電器和可控硅來控制功率。EEPROM模塊利用EEPROM AT24C16擴(kuò)展實現(xiàn)對系統(tǒng)斷電后的數(shù)據(jù)存儲。軟件整體框架軟件整體框架包括溫度采集程序模塊、RTC時鐘程序模塊、MCU的模糊控制程序模塊、LCD顯示程序模塊、蜂鳴器程序模塊和EEPROM存儲程序模塊。后者是當(dāng)溫度采集值與設(shè)定值產(chǎn)生偏差時需要對加熱盤功率進(jìn)行控制[2]。MCU模糊控制模塊此模塊是系統(tǒng)主要功能程序模塊，其中把上、下溫度傳感器的信號作為模糊推理米飯量的兩個輸入量，根據(jù)上、下兩溫度傳感器達(dá)到所設(shè)定溫度的時間差來進(jìn)行推算。附加功能附加功能有冷飯再加熱、炊煮完成后的保溫子程序，這些功能用了簡單的加熱器通斷功能實現(xiàn)，根據(jù)生活經(jīng)驗，冷飯再加熱要求的是快，因為需要再加熱的東西往往是熟的，且量也不會太多，只要達(dá)到適合使用的溫度即可，保溫功能也與其類似。EEPROM存儲程序作用是當(dāng)接收到中斷信號后立即把單片機所執(zhí)行的所有數(shù)據(jù)存入存儲器內(nèi)。圖31 美的FS406面板電源電路該單元為本系統(tǒng)的其他電路提供工作所需要的電源。圖32 電源電路圖抗浪涌電路壓敏電阻和PCB電流熔斷絲（長約ｌ5mm很細(xì)的PCB銅箔）共同組成了抗浪涌電路當(dāng)有異常高電壓輸入時，壓敏電阻瞬間短路，這樣電源、壓敏電阻和PCB電流熔斷絲（PARTTERNFUSE）構(gòu)成的回路電流瞬間增大，當(dāng)電流尖峰值瞬間超過PCB電流熔斷絲的電流容量，PCB電流熔斷絲立即熔斷，從而保護(hù)了后面電路元件的安全。過零檢測電路可控硅及繼電器的觸發(fā)信號需要對市電進(jìn)行過零檢測，以實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的相位延時，該電路的目的是檢測交流220V電源信號，也可稱之為交流電過零點檢測電路。圖33 過零檢測電路圖加熱盤電路圖34所示是加熱盤電路，主加熱器是電飯煲的基本加熱單元，是實現(xiàn)各種加熱功能的基礎(chǔ)，采用盤狀的外觀所以也被稱為加熱盤。副加熱盤電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制[6]，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。圖34 加熱盤電路時鐘電路設(shè)計時鐘電路如圖35所示，采用的是系統(tǒng)振蕩為外部RC振蕩方式，單片機內(nèi)有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和TXAL2分別是次放大器的輸入端和輸出端，把這兩個引腳與作為反饋元件的晶體諧振器連接。圖35 時鐘電路復(fù)位電路設(shè)計系統(tǒng)要能長時間可靠工作就離不開復(fù)位電路，復(fù)位電路可在單片機運行出錯或進(jìn)入死循環(huán)時，通過復(fù)位使系統(tǒng)重新運行。考慮到從電源接通到電源電壓穩(wěn)定需要一定的時間，故圖36所示RC復(fù)位時間一般均應(yīng)大于10ms，圖示復(fù)位電路是廣泛應(yīng)用的上電復(fù)位電路[12]，典型取值為R=1k C=22PF。AT24C16的特性有：單電源供電，工作電壓范圍寬（~），低功耗CMOS技術(shù)100KHZ（）和400KHZ（5V）兼容，自定時寫周期（包含自動擦除）、頁面寫周期的典型值為2ns，具有硬件保護(hù)[18]。RS和R/W為數(shù)據(jù)/命令選擇和讀/寫選擇，引腳15和16分別是背光源正、負(fù)極。圖38 LCD顯示電路蜂鳴器電路設(shè)計蜂鳴器電路要求在炊煮結(jié)束時“奏出”出悅耳的提示音給使用者。圖39 蜂鳴器電路鍵盤接口電路設(shè)計獨立式鍵盤是直接用I/O口構(gòu)成的單個按鍵電路，如圖310所示，每根I/O口線上按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口的工作狀態(tài)，該電路屬于查詢方式電路，當(dāng)按鍵沒有按下時，CPU對應(yīng)的I/O口由于有上拉電阻，其輸入為高電平；當(dāng)某按鍵按下后，對應(yīng)I/O口變低電平，同時在VCC=5V的情況下，I/O輸出灌電流在5mA左右[16]。2℃，在10℃～85℃范圍內(nèi)，其精度為177。如圖311所示，為了保證DS18B20溫度變換的精確性，當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換時，數(shù)據(jù)線必須提供足夠功率，此時必須提供一個強上拉。圖311 溫度傳感器電路智能電飯煲軟件部分的詳細(xì)設(shè)計電飯煲的基本功能就是煮飯，如何將米煮成香噴噴的米飯是電飯煲需要解決的主要問題。理想的最佳煮飯方法生米煮成熟飯的過程是相當(dāng)復(fù)雜的生化轉(zhuǎn)化過程。影響轉(zhuǎn)化的最主要因素是溫度及溫度的變化。這種溫度發(fā)生變化大致分為5個階段：低溫吸水：讓大米在30~40℃的溫水中浸泡足夠時間，使米粒充分吸水膨脹，米粒內(nèi)外隨水溫慢慢升高至60℃~70℃。為了避免米粒表面糊化后不向內(nèi)部傳熱，這時應(yīng)快速升溫，使米粒內(nèi)外在極短時問內(nèi)，同時達(dá)到高溫，有利于米粒內(nèi)外同時糊化、熟化。烘飯：在高溫沸騰停止后，鍋內(nèi)的水蒸汽將冷卻液化，滴回米飯表面。燜飯：在熟飯后維持一定溫度，使米粒進(jìn)一步釋水松軟，靠鍋的米粒得熱較多而出現(xiàn)少許焦黃，整鍋米飯浸透燒香味。電源一旦接通，就持續(xù)加熱。這種電飯煲的煮飯過程中沒有也難以實現(xiàn)吸水和燜飯過程，同時也不能準(zhǔn)確的控制各個階段的溫度以及溫度變化。如圖42所示為煮飯最佳曲線圖。所以，一般將水溫控制在60℃以下。沸騰階段是將米中不易溶于水、難以消化的淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)橐兹苡谒?、易于消化的淀粉，?yīng)保持一定的時間。大米充分吸水后，鍋內(nèi)的水逐漸減少，鍋底趨于干燥，當(dāng)鍋底的水分減少到一定程度后，米飯的溫度迅速上升進(jìn)入圖41中的烘飯階段，在該曲線圖中，烘飯包含在高溫沸騰的階段中。一般燜飯之后的米飯含水率在69％左右。煮飯功能模糊控制器模糊控制基本思想模糊控制是一種計算機數(shù)字控制，所以其控制系統(tǒng)框架同一般的數(shù)字控制系統(tǒng)一樣，只不過它的控制器是模糊控制器。在模糊控制過程中，將測到的過程精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，再經(jīng)過根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)成的若干模糊規(guī)則和必要的模糊處理后，模糊判斷系統(tǒng)根據(jù)輸入的模糊信息按照控制規(guī)則和推理法則，做出模糊決策，然后輸出解模糊后的控制量并作用于執(zhí)行系統(tǒng)，完成控制動作，且這種動作足以精確量表現(xiàn)出來的[13]。在實際應(yīng)用中，常常選擇三角形作為語言變量的隸屬度曲線。模糊推理模糊推理包括三個組成部分：大前提、小前提和結(jié)論。模糊推理就是以已知的規(guī)則庫和輸入變量為依據(jù)，基于模糊變換推出新的模糊命題作為結(jié)論的過程。它的目標(biāo)是產(chǎn)化確切的控制動作，應(yīng)該能夠最好的反映出推理出的模糊控制動作分配的可能性。如圖42所示的模糊控制框架圖。查表法是將輸入的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則和輸出隸屬度函數(shù)都用表格來表示，從輸入量的模糊化、模糊推理和模糊判決都通過查表來實現(xiàn)。對于本文研究的米量和加熱功率模糊推理機來說，其推理過程是開環(huán)的，模糊推理機只包含輸入量的模糊化、利用規(guī)則的模糊推理及輸出量的解模糊，隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則可以用表格來表示，模糊推理機的最終輸出量為具體米量的值和加熱功率的值。Warmup: 下傳感器預(yù)約溫度 初始值：30～80℃Steam: 上傳感器檢測到的蒸汽溫度 初始值：60～90℃Qtystart: 下傳感器米量判斷開始溫度 初始值：50～70℃Hightem: 上傳感器防凝露控制溫度 初始值：95～115℃米量的模糊推理電飯煲的結(jié)構(gòu)不允許采用重量傳感器等可以直接測量的方法，根據(jù)多年的設(shè)計經(jīng)驗，采用上、下溫度傳感器配合測出飯溫信號，利用模糊推理，組成測定飯量的軟傳感器，最后通過模糊決策來判斷米量的值是一種十分有效的、可行的方法。米量判斷過程是通過下傳感器達(dá)到統(tǒng)一的溫度值(qtystart)開始計時，采用大功率持續(xù)加熱，直到上傳感器檢測到蒸汽溫度為止，根據(jù)多年的電飯煲開發(fā)經(jīng)驗，這是一種非?？煽康拿琢繖z測方法，不同米量的值，這個過程所需的時間不等，具有明顯的梯度，所以可以比較準(zhǔn)確的判斷出米量。本項課題采用的方法是通過設(shè)定底部傳感器溫度值，當(dāng)?shù)撞繙刂蹬c設(shè)定值(qtystart)相等時，取上傳感器一個適當(dāng)?shù)墓潭ǖ臏囟取皊team”，不同的米量加熱到電飯煲上傳感器達(dá)到這個溫度“steam”的時間Trx是不同的。米量判斷時間Trx對應(yīng)的米量判斷值Q。30時間段內(nèi)，得到的Q值為0。31～639。表41 FS460的米量判斷對應(yīng)表精煮 Trx快煮 Trx對應(yīng)米量少量米 Trx對應(yīng)米量判定值~539。201杯~339。50～639。201杯1~739。302杯~539。10～839。402杯3~939。003杯~739。50～1039。003杯5~1239。204杯~939。50～1339。204杯7~2039。005杯以上~2039。表42 主加熱盤加熱模式表 模式 TP (s)Q精煮快煮少量米01113811214102131612314181541620175182219620242172326238252825通過控制主加熱盤的通斷，保證基本的煮飯功率，如表所示，之所以不能讓TP完全導(dǎo)通，一方面為了不讓鍋底過熱，導(dǎo)致鍋里的飯下面焦而上面未熟透，另一方面也為副加熱盤進(jìn)行模糊溫度控制從而更逼近最佳炊煮曲線提供了必要的初始、穩(wěn)定的溫度保障。2℃。進(jìn)行模糊推理，根據(jù)E和△E量化后的模糊集合A和B得出每條規(guī)則的模糊算子進(jìn)而求的輸出量的模糊集合C?；谀：刂撇襟E：模糊化、規(guī)則庫建立、模糊推理、解模糊，對加熱盤的溫度模糊控制采用鍋身溫度傳感器的溫度信號作為系統(tǒng)輸入，晶閘管控制量作為系統(tǒng)輸出，采用二維模糊控制器進(jìn)行模糊算法的設(shè)計。本課題采用線性的變換方法，實際輸入量為E變化范圍為[2,2]，要求的論域為[6,6],則量化因子為: (1)量化公式為: (2)同理，也可以得到△E的量化值。通過量化，我們可以方便計算，方便理解，也方便劃分論域及模糊集合。和△E39。、△E39。其中T(E39。)= {NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)小),ZE(零),PS(正小),PM(正中),PB(正大)}T(Z)={BB(大大),BM(大中),BS(大小),M(中),SB(小大),SM(小中),SS(小小)}每個模糊集合可以用不同形狀表示，如梯形、鐘形等，本課題采用三角形、高斯型和 型隸屬度函數(shù)公式表示各模糊集合，并計算得到數(shù)據(jù)三角形隸屬度函數(shù)公式： （3）其中a和c為對應(yīng)隸屬度值為0的點，b為三角形的頂點。經(jīng)過以上公式計算后得到下表45到表47中數(shù)據(jù)。的隸屬度函數(shù) e隸屬值E39。隸屬度函數(shù) △e隸屬值△E39。隸屬度函數(shù) z隸屬值Z39。表48 模糊控制規(guī)則表 △E39。E39。=NB and △E39。 是 BBR2:if E39。=NS then Z39。=PB and △E39。 是 SS已知輸入e0和△e0模糊化運算采用單點模糊集合，則相應(yīng)的輸入量模糊集合A39。分別為：