SPMC65P2404A在智能電飯煲中的應(yīng)用

摘  要：本文主要介紹利用SPMC65P2404A單片機作為整個電飯煲的主控芯片，并且結(jié)合模糊控制技術(shù)來實現(xiàn)電飯煲的各種功能。
關(guān)鍵詞：單片機，AD轉(zhuǎn)換，溫度控制，繼電器,凌陽單片機，www.sunplusmcu.com

1 引言
    目前，市場上的電飯煲大部分采用機械式或者是采用固定功率的方式加熱，能源利用率低，功能單一，難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需求。因此，開發(fā)功能齊全、安全可靠的微電腦電飯煲是非常用必要的。電飯煲從機械式到現(xiàn)在的智能電飯煲，期間經(jīng)歷了許多的階段。電飯煲發(fā)揮高新技術(shù)優(yōu)勢，以美味炊煮為主導(dǎo)，使產(chǎn)品更加豐富與時尚化，現(xiàn)已形成微電腦、電腦與機械三大類型、十大不同款式。機械電飯煲雖然價格方面體現(xiàn)它的優(yōu)勢之外，其他方面就很難滿足人們對現(xiàn)代生活高品質(zhì)的需求。微電腦或電腦控制的智能電飯煲符合現(xiàn)代人的要求，人性化的界面設(shè)計，使得人們一眼看出當(dāng)前工作狀態(tài)，讓您更安心，各種烹調(diào)過程全部由電腦自動控制，并且大多的智能電飯煲采用太空“黑晶”內(nèi)膽，超硬耐磨，恒久美觀，所有的這些特點符合現(xiàn)代人的省時、省力、耐用的觀念。
    本文主要介紹利用SPMC65P2404A芯片來對電飯煲的過程進行控制，SPMC65P2404A是凌陽公司的8位工業(yè)級通用單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3V~5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時/計數(shù)器，2通道16位定時/計數(shù)器，1個12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號、錯誤地址復(fù)位，并且有一個蜂鳴器輸出口。
    利用這些資源完成的電飯煲具有以下功能：精煮、超快煮、冷飯加熱、小米量、45分稀飯、2小時粥、1小時湯、2小時湯，并且具有人性化的操作界面，使用者很容易掌握。電飯煲的功能不再只是簡簡單單的煮飯了，它可以完成許許多多的功能，它是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚募彝ズ脦褪?，正是由于智能控制的問世，人們的生活才變得越來越簡單?
 
2 電飯煲煮飯過程介紹
    要想煮出高質(zhì)量的米飯，就要掌握各種大米的吸水量，加溫時間，控溫過程，維持沸騰時間，停止升溫過程，燜飯過程等規(guī)律。煮飯的過程實質(zhì)上就是使大米由難以為人體所消化吸收的β淀粉轉(zhuǎn)化成為人體較易吸收的α淀粉的過程，經(jīng)過大量的實踐和探索，一次理想的煮飯過程可以抽象成以下幾個過程：
▲吸水過程
    在適合的溫度下，讓大米盡可能的吸收水分，這樣煮出來的米飯的更加的飽滿，口感更好。讓大米的含水量達到25%左右，溫度越高，吸水越快。但是溫度一旦超過60度，大米中含有的β淀粉就會轉(zhuǎn)化成α淀粉，會變成糊狀，所以控制溫度在60度以下是非常有必要的，一般控制在35度左右為最佳溫度。
▲升溫過程
    這一個過程必須使鍋內(nèi)的熱量充分對流，以至于不會造成夾生飯。一般說來，加熱值沸騰的時間最佳是10分鐘。
▲維持沸騰
    為了使β淀粉充分轉(zhuǎn)化成為α淀粉，需要在沸騰的狀態(tài)下，溫度大約控制在98度左右，維持20分鐘左右，可以通過控制繼電器的開與閉來實現(xiàn)溫度的控制。
▲補炊過程
    斷電之后，溫度會慢慢下降，當(dāng)溫度降到100度左右的時候，在通電一段時間，將鍋內(nèi)的多余的水分蒸發(fā)掉，補炊的時間根據(jù)個人而定。
▲燜飯過程
    在補炊過程結(jié)束后，鍋內(nèi)基本上沒有太多的水分，應(yīng)停止加熱，利用余熱來進行燜飯，促進大米α淀粉的生成。一般的燜飯時間大約控制在12分鐘左右。
▲保溫過程
    整個煮飯過程結(jié)束后，自動進入保溫模式，溫度低于65度左右，加熱盤就會對鍋體進行加熱。使用者在此種狀態(tài)下就可以享用美食了。

3 功能介紹
    利用凌陽8位單片機SPMC65P2404A開發(fā)的智能電飯煲具有以下的兩大功能：
3.1 煲煮功能
1） 精煮
    選擇精煮功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，大約45分鐘后電飯煲進入燜飯狀態(tài)，此時數(shù)碼顯示“n”，10分鐘后，電飯煲進入保溫狀態(tài)，數(shù)碼顯示“b” ，這表明飯已經(jīng)煮好。
2） 超快煮
    選擇超快煮功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，大約30分鐘后電飯煲進入燜飯狀態(tài)，此時數(shù)碼顯示“n”，8分鐘后飯煮好，電飯煲進入保溫狀態(tài)，數(shù)碼顯示“b”，這表明飯已經(jīng)煮好。
3） 冷飯加熱
    選擇冷飯加熱功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，大約15分鐘后電飯煲進入保溫狀態(tài)，數(shù)碼顯示“b” ，這表示冷飯加熱完成。
4） 小米量煮
    選擇小米量煮功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，大約40分鐘后電飯煲進入燜飯狀態(tài)，此時數(shù)碼顯示“n”，10分鐘后飯煮好，電飯煲進入保溫狀態(tài)，這表明小米量的飯已經(jīng)煮好。
5）45分鐘稀飯
    選擇45分鐘稀飯功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時數(shù)碼顯示“-”，45分鐘后粥將煮好。
6）2小時粥
    選擇2小時粥功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時數(shù)碼顯示“2”，2小時后粥將煮好。
7）1小時湯
    選擇1小時湯功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時數(shù)碼顯示“1”，1小時后湯將熬好。
8）2小時湯
    選擇2小時湯功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時數(shù)碼顯示“2”， 2小時后湯將熬好。
    注：以上8種功能模式中，每一種功能結(jié)束之后都自動進入保溫模式，數(shù)碼顯示“b”。
3.2 定時功能
    選擇相應(yīng)功能后設(shè)置相應(yīng)的定時時間，按下開始鍵，定時開始，每過1小時顯示時間數(shù)減1。在定時時間內(nèi)，根據(jù)定時的時間和所需過程的時間差電飯鍋就能自動啟動，自動加熱，自動保溫，完成選擇的功能，例如果45分鐘稀飯定時2小時的話，電飯煲會在1小時15分鐘的時候開時啟動加熱工作，并進入45分鐘稀飯功能模式。

4 總體方案介紹
    利用凌陽8位單片機SPMC65P2404A設(shè)計的智能電飯煲控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，通過按鍵來選擇功能模式、顯示電路完成顯示當(dāng)前狀態(tài)和定時時間；通過溫度傳感器來對溫度進行采樣；通過MCU的控制最終實現(xiàn)對繼電器的控制，從而來控制對加熱盤的加熱與否，電源部分完成對單片機系統(tǒng)和外圍電路提供5V電源，并且對加熱盤進行加熱。


圖4-1  控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計
5.1 單片機主控電路
    主控電路如圖5-1所示，它包括按鍵輸入部分，溫度檢測輸入電路，復(fù)位和晶振電路，PA6、PA7完成對頂蓋和底盤的溫度的檢測，PA5完成對繼電器的控制，SPMC65P2404A是系統(tǒng)的核心部分。


圖5-1 電飯煲的電路原理圖

芯片特性簡介
    SPMC65P2404A是凌陽公司的8位工控單片機，最高工作頻率為8MHz，工作電壓3V~5.5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時/計數(shù)器，2通道16位定時/計數(shù)器，1個12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號、錯誤地址復(fù)位，并且有一個蜂鳴器輸出口……。利用這些資源，能夠?qū)崿F(xiàn)電飯煲的功能。
具體特性包括：
◆凌陽科技8位單片機；
☉189條指令
☉11種尋址模式
☉最高工作頻率為8MHz
☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆2個8位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)
☉普通的定時/計數(shù)器
☉具有8位捕獲功能
☉具有8位比較功能
◆2個16位可編程定時器/計數(shù)器
☉普通的定時/計數(shù)器
☉具有8或16位捕獲功能
☉具有16位比較功能
☉12位PWM輸出
◆中斷方式
☉支持IRQ和NMI中斷
☉4種外部中斷
☉11種內(nèi)部中斷
◆工作電壓：2.5V~5V；
◆8通道10位模數(shù)轉(zhuǎn)換（100KHz） 
◆內(nèi)置4K Byte的OTP ROM； 
◆內(nèi)置192K Byte的RAM；
◆23個可編程輸入/輸出口
◆5種復(fù)位功能
◆時鐘選擇：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號 
◆電源模式：Halt模式和Stop模式  
◆低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能； 
◆一個蜂鳴器輸出口
◆可進行SPI通信
◆內(nèi)置在線仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。

5.2 顯示電路
    顯示電路由共陽極數(shù)碼管和10個LED組成，通過單片機位選和所送的數(shù)據(jù)來點亮相應(yīng)的LED和數(shù)碼管的顯示狀態(tài)。其電路原理圖如圖5-2所示：


圖5-2  顯示電路

5.3 電源電路
    電源部分為單片機提供+5V的直流穩(wěn)壓源，并且通過降壓、整流、濾波之后的+14V電壓對繼電器進行供電，通過控制三極管射極的導(dǎo)通與否來控制繼電器的工作狀態(tài)。電源電路原理圖如圖5-4所示


圖5-3  電源電路

5.4 溫度采集部分電路圖
    J2和J3是溫度傳感器的兩個接口，其中J2和J3分別是頂蓋和底盤溫度傳感器的接口，單片機檢測的信號實際上是與溫度傳感器分壓的電阻的電壓值，因為溫度傳感器的電阻值會隨溫度的上升而減小，所以分壓電阻的電壓值間接反映了某一時刻的溫度，電路原理圖如圖5-4所示：


圖5-4  溫度傳感器電路

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計
6.1 主程序流程
    整個系統(tǒng)輸入包括2個溫度傳感器，5個按鍵；輸出包括2位七段數(shù)碼管、10個發(fā)光二極管、繼電器控制信號等。根據(jù)控制功能，將程序設(shè)計為幾個主要的模塊，程序主流程見圖6-1所示：


6-1 程序主流程圖

6.2 子程序介紹
1、 診斷子程序
    診斷程序主要進行溫度采集并判斷傳感器是否良好，主要對2個溫度傳感器連續(xù)檢測20次，若測到的數(shù)據(jù)不在范圍內(nèi)（溫度范圍：-10℃~160℃），則表明傳感器短路或斷路錯誤，數(shù)碼顯示“E”，并禁止按鍵操作。
2、 鍵盤掃描子程序
    程序每循環(huán)一次掃描一次鍵盤，如果掃描到有鍵按下，則暫存鍵值，如果連續(xù)5次掃描到的鍵值都一樣，則認(rèn)為是穩(wěn)定的鍵值。
系統(tǒng)共有5個按鍵，在不同的狀態(tài)下，每個鍵只要輕按一次就有效。系統(tǒng)的五個鍵接于PA1 、PA3、PA2 、PA0、PA4，如果按鍵值有效則返回值的相應(yīng)位為0，否則相應(yīng)位為1。
3、 溫度采集子程序
    熱敏電阻靈敏度高，為了防止干擾及其它原因?qū)е聹y出的溫度值變化太快，引起控制部件頻繁動作，溫度采集采用滑動平均值濾波方法。即在同一個通道上連續(xù)采集三個數(shù)據(jù)，取其中的中間值。
4、 顯示子程序
    系統(tǒng)共有2位七段數(shù)碼管顯示及10個發(fā)光二極管顯示。數(shù)碼管主要有6種狀態(tài)需要顯示：待機狀態(tài)、出錯顯示、燜飯、保溫、煮飯中及定時時間顯示。發(fā)光二極管顯示所選擇的功能、開始及保溫狀態(tài)。功能顯示需采用輪循方式，在按下開始鍵之前，開始燈閃爍。進入保溫狀態(tài)后，保溫指示燈亮。LED顯示程序由位碼掃描子程序及數(shù)碼顯示狀態(tài)選定子程序組成。
5、 功能執(zhí)行子程序
    當(dāng)執(zhí)行功能的時候，判斷所選擇的功能號，（每一種煮飯功能對應(yīng)著一種升溫加熱曲線），然后按照其升溫加熱階段進行煮飯?zhí)幚?

7 結(jié)語
    電飯煲的功能不再只是單純的煮飯，它可以完成很多的功能，利用凌陽的8位MCU實現(xiàn)的智能電飯煲可以完成煮飯、煮粥、煮湯、冷飯加熱等功能，另外未來的小家電應(yīng)該具備“智能、安全、多功能、節(jié)約以及環(huán)保”這五大功能。
    首先，小家電應(yīng)該具備“智能”化的功能。它的使用與設(shè)計應(yīng)更多地運用高科技，尤其是運用先進的電子計算機技術(shù)，使人們的生活變得更加的簡單，更適合現(xiàn)代人的生活節(jié)奏。
    其次，小家電也應(yīng)完善“安全”功能。安全是一個普遍關(guān)注的問題，如果在人們使用的過程中存在著安全隱患，那么這就會對使用者的生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅。
    第三，小家電應(yīng)具備“多功能”的優(yōu)勢，具有多功能的商品才會使得消費者有購買的欲望，多功能已經(jīng)成為一個主流，消費者最看中的就是它的多功能性。
    第四，家電應(yīng)該具備“節(jié)能”功能。在我們生活的今天和未來，每個家庭都將擁有很多種家用電器，而我國的能源工業(yè)尤其是電力工業(yè)，有可能因為投資不足而難以滿足和適應(yīng)這個節(jié)奏，假如小家電耗能巨大，家庭經(jīng)濟支出將負(fù)擔(dān)很重。

8 參考文獻 
[1] 肖健華,經(jīng)順林.模糊控制在家電產(chǎn)品中的應(yīng)用與展望.五邑大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001
[2] 顧勇.模糊控制及其應(yīng)用.現(xiàn)代物理知識,1998.

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