智能模糊电饭煲控制系统设计--毕业设计论文.doc
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1、摘 要信息家电是21世纪家用电器发展的主流方向。论文通过探讨信息家电的发展和技术要点,从实际工程出发,对传统家用电饭煲进行深入细致研究,实现电饭煲智能化控制设计。针对电饭煲的加热控制方法和电饭煲炊煮的最佳炊制加温曲线进行理论研究,提出了一种电饭煲炊煮工艺流程的设计方案,详尽分析炊煮流程的各个阶段和异常处理对策。针对炊煮流程,研制了一个易于实现的米量推算和加热功率的一维模糊控制器。定制了不同煮饭模式、不同米种、不同米量的炊煮模糊控制和保温、煲粥、蒸煮等状态的加热控制方案,并给出在炊煮各个阶段的参数。论文分析了模糊电饭煲控制系统的硬件结构和软件系统的设计。本文重点研究了HT46R47单片机在硬件设
2、计过程中的低成本设计方法。在软件方面,研究了模糊电饭煲控制系统的软件控制流程并给出其流程图,同时重点介绍了根据推理结果设计的米量判断程序的流程。关键词:电饭煲 HT46R47 模糊控制AbstractThe information appliances is the main products of the appliances in the 21th century. The paper discusses the core technique and the development of the information appliances. According to the practi
3、cal project, the research on the traditional electronic rice cooker has been made and the application of the network and intelligence technique on the electronic rice cooker is realized.According to the heating control rules and the best heating curve of the electronic rice cooker, the paper puts fo
4、rward a new cooking process of the cooker, analyses all the steps of the cooking process and the exceptions at large. With the new cooking process, a one-dimension fuzzy controller that can calculate the weight of rice and the heating power more easily is designed. In the paper, the fuzzy control wa
5、y for different cooking modes, different kinds of rice and different weight of rice is provided o The paper also provides the heating control rules and the parameters in the status of heat preservation, cooking conjee, steaming etc. The paper analyses the design of the fuzzy rice cooker form of the
6、hardwares control circuit and the software system. The emphasis of the introduction is HT46R47 MCU. The main software flowchart is show to analysis how the cooker works.Whats more,procedure of getting the quantity of rice by reasoning is contrived and the main flow chart is shown.Key words:Electrica
7、l Cooker;HT46R47;Fuzzy Control目 录第一章 绪 论11.1研究的目的和意义及课题来源11.2国内外在模糊控制方面的研究及分析11.2.1 国外在模糊控制方面的研究现状11.2.2 国内发展状况分析21.3国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望21.4主要研究内容2第二章 智能化电饭煲的设计42.1电饭煲工作流程设计42.2电饭煲模糊控制器设计92.2.1模糊控制的基本思想102.2.2炊饭量的模糊推理112.2.3加热功率的模糊控制13第三章 电饭煲控制系统的硬件设计153.1电饭煲硬件系统构成153.2 HT46R47单片机介绍163.2.1 HT46R47引
8、脚配置图163.2.2 HT46R47/HT46C47主要特性163.2.3 HT46R47/HT46C47引脚说明173.3 电饭煲各部分硬件电路设计18第四章 电饭煲控制系统的软件设计234.1 模糊电饭煲控制系统软件设计234.2模糊电饭煲模糊控制软件设计24结 论26参考文献28致 谢29附录一:电路原理图3069第一章 绪 论1.1研究的目的和意义及课题来源在科学技术进步、日新月异的今天,节能、高效、环保的观念逐渐深入人心,人们对家电智能化的要求也越来越高。本文研究的一种模糊控制的微电脑电饭煲正是智能化家电的典型代表。基于模糊控制的电饭煲能够判断出米量的大小,并对不同的米量选择不同的
9、加热方案,因此不但控制效果好,而且高效、节能。微电脑控制的电饭煲还可以实现预约、记忆等功能,大大方便了人们的生活。本文从实际工程出发,对模糊控制的微电脑电饭煲进行了深入的研究,主要讨论了一种准确判断米量的方法,真正实现了电饭煲的模糊控制。这对电饭煲控制程序的研究将是很有意义的,将使之在高效、节能方面做得更好。1.2国内外在模糊控制方面的研究及分析1.2.1 国外在模糊控制方面的研究现状自从1965年美国的控制论专家L.A.Zadeh教授创立了模糊集合论以来,将模糊集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论,在近年来得到了迅速的发展。模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法,已经在工业
10、控制领域,家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决的问题,取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关领域的广大工程技术人员的极大兴趣。随着计算机及其相关技术的发展,模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。其实现方式也由最初在微型机(单片机)上用软件方法实现发展到应用模糊控制开发出模糊计算机进行直接控制。但是我们也应该看到,模糊控制的理论和应用虽然已经取得了很大的进展,但是就目前的状况来看,尚缺乏重大的突破,因此模糊控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨。目前,最令模糊控制
11、专家们感兴趣的是模糊逻辑同神经网络算法的结合。神经网络在知识的获取方面表现卓越,它能够生成无须明确表现知识的规则和具有强大的自学习能力。而模糊技术的优点在于可以用模糊性的自然语言表现知识,和可以用简单的max-min运算实现知识的推理,但在知识的获取方面十分脆弱。模糊逻辑同神经网络算法互相结合,取长补短,可以通过学习自动地进行模糊规则的产生和修改,从而在智能控制方面产生强大的威力。1.2.2 国内发展状况分析在我国,模糊控制技术的研究起步较晚,近年来,随着模糊家用电器的兴起,模糊控制在各个领域的应用获得了飞速的发展,同时培养了一大批进行模糊控制研究的优秀人才。但总的来说,在我国,模糊控制的应用
12、水平落后于模糊控制理论方面的研究。这主要是因为研究者常常把模糊控制器的设计分成几个独立的部分来进行,如隶属度函数的确定,规则的获取,控制器的合成等。这样做的好处是把问题简单化,便于初学者上手,快速进行问题的分析和解决。但是这样做带来的问题是很难对设计好的系统进行理论分析和设计优化。当然,在我国,也有一批学者走在了模糊控制理论研究的前列。如,作为模糊论的创始人L.A.Zadeh的学生,香港科技大学的王立新教授,在模糊系统与模糊控制理论领域做出了很大贡献,给模糊系统与模糊控制理论带来了三个突破,具体是:(1) 证明了一类模糊系统是万能逼近器;(2) 发明了Wang-Mendel方法,实现从数据中获
13、取模糊规则;(3) 提出了一种能够确保稳定的自适应模糊控制器的设计方法。1.3国内外在模糊家电方面的状况分析及发展展望在智能家电的研究方面,日本走在世界的前面。资料统计表明,目前日本家用电器的单片机使用率在85%-94%之间,其中使用模糊控制的家电产品约占50%。日本甚至在几乎所有的模糊控制应用领域都在世界上领先。日本在九十年代初期就有模糊家电问世,而那时我国的模糊家电尚未起步。现在,在家电控制器中应用模糊控制在我国受到普遍重视。由于我国家电行业的飞速发展,模糊家电在我国大有可为。目前看来,模糊家电的发展有三大发展动向:(1) 进一步扩大传感器的组合利用多个传感器的功能组合可以不断改 进家电的
14、控制技术,而对多个量采样后再进行综合判断正是模糊家电之所长。(2) 与AI(人工智能)和神经网络技术相结合如前所述,与AI(人工智能)和神经网络技术相结合将进一步提高模糊家电的智能化水平。(3) 模糊家电网络化随着网络经济的逐步发展,未来的家用电器必将改变目前这种单机运作的模式,而具有与Internet网通信的能力。家用电器走网络化的道路,这也是当今家电产业发展的趋势之一。1.4主要研究内容本课题以单片机为主要手段,以电饭煲为控制对象,将模糊控制技术应用于电饭煲的控制当中。由于在模糊电饭煲的开发方面,许多前辈已经做了大量卓有成效的工作,即使在今天,模糊电饭煲在市场上也是比比皆是。本文在借鉴前人
15、工作的基础上,研制出了一种模糊电饭煲控制系统,并重点研究了如下内容:(1) 在进行大量测试及实验之后,提出一种新的判断米量的方法,并取得良好的应用效果;(2) 研究了电饭煲硬件控制系统,重点研究了低成本化设计方法;(3) 对硬件系统的各单元电路设计详细的进行了叙述;(4) 根据新的米量判断方法,设计了相应的软模糊控制流程及模糊电饭煲控制软件流程,并给出了相应的程序源代码。第二章 智能化电饭煲的设计为了得到最佳的炊煮质量,电饭煲炊煮过程中,需要解决的主要问题往往是确定合理的炊煮工艺流程设计方案,找到一个易于实现的控制方法,同时对异常处理采取的何种策略,最终实现准确推算炊煮量和最佳的升温控制过程。
16、当前的模糊控制电饭煲普遍采用二维控制器,虽然可以较准确的推算出米量,但由于算法复杂和存储空间限制等原因,致使米量不能细致划分,影响米饭的煮出效果,而且限制了其智能化功能的扩展。2.1电饭煲工作流程设计 要想做出松软香滑的米饭,必须掌握加热对象的性质及详细的加热过程,只有这样,才能够将米中不易溶于水、难以消化的淀粉转变为易溶于水、易于消化的淀粉。电饭煲作为加热对象,其特性的影响因素是多方面的,如结构、材料、发热盘的形状、甚至是顶盖出气孔的大小对其吸热散热都有影响。当然,在电饭煲煮饭的过程中,米量的大小对其吸热散热特性的影响是最大的,米量的大小甚至影响到烹调的工艺过程。换句话说,电饭煲必须对不同的
17、米量采取相应的不同的控制方案和工艺过程,才能达到期望中的效果。所以,在其它因素(如结构、材料、发热盘的形状、顶盖出气孔的大小等)一定的情况下,对米量进行模糊判断是决定控制效果好坏的关键。为了选取合适的输入量进行米量的估算,首先必须确定电饭煲的炊煮工艺。图2.1为最佳米饭炊制底部升温曲线。图中显示出,米饭的炊制过程大致分为吸水、加热、沸腾、焖饭和保温五个阶段。图2. 1最佳米饭炊制升温曲线 (1)吸水阶段(t0一t1)吸水阶段的作用是在对大米进行加热之前,使大米在一定的温度下充分吸水,使大米含水率从14%上升到25%左右,以保证米粒在加热过程中内外均匀受热,热量透到大米的芯部,从而使之烧成柔软鼓
18、胀状。但是,一旦水温超过60,米中含有的淀粉开始转化为淀粉,米将变成糊状。所以,一般将水温控制在60以下。 (2)加热阶段(t1一t2 )加热升温阶段把已吸足水份的米采用大功率进行加热。这样,米、水的温度迅速升高,将较快的达到沸点。而且随着水的对流,米被均匀加热。在此阶段,必须完成米量的判别工作,根据投入米量的多少以及温度的变化来调节加热功率。(3)沸腾阶段(t2一t3)沸腾阶段是促成米粒由淀粉转化为淀粉的主要阶段,应保持一定的时间。沸腾阶段电饭煲内的温度保持在100的水平。大米充分吸水后,锅内的水逐渐减少,锅底趋于干燥,当锅底的水份减少到一定程度后,锅底温度就会迅速上升,这时沸腾过程结束。由
19、图2.1可见,在沸腾阶段的最后部分使锅底温度上冲,升高到125左右,一般根据饭量不同,控制沸腾阶段的时间和锅底部上冲温度也不同。(4)焖饭阶段(t3一t4)焖饭阶段是为了让热量透到米饭的芯部,使之充分受热而内外质量趋于一致,也就是使米芯的淀粉化。焖饭阶段还使大米外部的水份一部分渗透入米芯,促使内部的成熟变化,另一部分蒸发掉,这样就使得整粒米饭内外一致。一般焖饭之后的米饭含水率在69%左右。在焖饭阶段一般可采用间歇加热,目的是使锅内的温度达到焖饭的温度,当达到一定的温度时,停止加热或小功率加热,由饭锅利用余热对米饭进行热焖,焖饭结束后,米饭将完全成熟,无论硬度或黏度都会令人满意。(5)保温阶段(
20、大于t4 )保温阶段可使米饭维持在70左右等待食用。日常使用的机械式电饭煲,利用磁钢受热后磁性减弱来控制加热丝的通断。电源一旦接通,就持续加热。达到最高温度后,开关自动断开,结束煮饭。这种电饭煲无法实现吸水和保温过程,因而不可能实现图2.1所示的煮饭过程,使得米饭的口感和质量较差,也无法实现和用户之间的交互以完成各种附加功能。普通电脑式电饭煲,一般都能够实现上述工艺曲线。但也存在不少质量问题:例如,在低电压下,煮饭米多时,表面夹生;在高电压下,底部烧焦现象比较严重,且快速煮饭时有米汤溢出情况;煮粥过程中,由于担心沸腾后米汤溢出,普遍保守地采用过小的火力煮粥,在水多时,造成粥始终不沸腾,或沸腾时
21、间极短,煮成清水粥;和用户的交互性差,实现的功能少,使用时不方便;还有就是不能区分米种,由于各个米种在吸水性等指标上的区别,若统一用一个固定的加热火力来进行,同样会造成米饭夹生、烧焦,甚至根本无法煮熟(例如什锦米)。主要解决的方法是增加内锅厚度和采用三维立体加热模式,这都会使米饭的加热更加均匀,避免烧焦和夹生等情况的发生。另外,基于专家经验,采用模糊控制算法准确的判断炊煮的米量,找出在炊煮过程中出现的异常问题的处理对策,针对不同的米种会实施不同的加热火力,都是解决上述问题的关键。图2.2是一种国外三维立体加热式电饭煲的煮饭过程顶底温度曲线,图2.3是它的煲粥、煲汤、蒸煮过程顶底温度曲线。实验中
22、发现,由于它的内锅较厚并且采用三维立体式加热,所以在煮饭和煲粥的过程中火力比较均匀,煮出的米饭和粥口感较好,而且未出现烧焦、夹生等情况。在程序中使用模糊控制算法,即所谓的“模糊控制电饭煲”与普通电脑式电饭煲不同之处在于控制中运用了模糊控制技术。传统控制方式中,控制效果的好坏取决于是否知道受控对象的精确数学模型,而在电饭煲的控制中,随着烹煮的米量和水量的不同,受控对象的数学模型变化是很大的。初始水温、环境温度和电饭煲顶盖的密封程度等参数对控制效果也有较大影响,很难用一个精确的数学模型来描述受控对象。此外,煮饭工艺曲线的各个过程,控制目标也不相同,这是传统控制方法用于煮饭和煮粥等功能的困难之处。尤
23、其是在煮粥的过程中,由于米量和水量的不同和半导体热敏电阻的误差,当锅内水沸腾时,锅底温度的差异可能达到10左右。而火力稍大一点,要溢出;火力小一点,水不开锅。要在煮粥的lh6h之内,保持最短约40min的沸腾状态而不溢出,是一件相当困难的事情。所以,即使是已经采用模糊逻辑控制的电饭煲,如果不对模糊控制策略和规则进行精心调整,也难于达到满意的控制效果。图2. 2三维立体加热式电饭煲的煮饭特性图图2. 3三维立体加热式电饭煲的煲粥、煲汤、蒸煮特性图电饭煲的炊煮流程和模糊控制策略是密切相关的,在设计炊煮流程的过程中要考虑模糊控制策略。不但如此,由于电饭煲是一个家庭日用品,所以要考虑到各种异常情况的发
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