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(jī)作為整個(gè)電飯煲的主控芯片，并且結(jié)合模糊控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電飯煲的各種功能。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)，AD轉(zhuǎn)換，溫度控制，繼電器,凌陽(yáng)單片機(jī)，www.sunplusmcu.com

1 引言
    目前，市場(chǎng)上的電飯煲大部分采用機(jī)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(zhǎng)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(jī)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(shì)，以美味炊煮為主導(dǎo)，使產(chǎn)品更加豐富與時(shí)尚化，現(xiàn)已形成微電腦、電腦與機(jī)械三大類型、十大不同款式。機(jī)械電飯煲雖然價(jià)格方面體現(xiàn)它的優(yōu)勢(shì)之外，其他方面就很難滿足人們對(duì)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(jì)，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(guò)程全部由電腦自動(dòng)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(diǎn)符合現(xiàn)代人的省時(shí)、省力、耐用的觀念。
    本文主要介紹利用SPMC65P2404A芯片來(lái)對(duì)電飯煲的過(guò)程進(jìn)行控制，SPMC65P2404A是凌陽(yáng)公司的8位工業(yè)級(jí)通用單片機(jī)，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(gè)可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號(hào)、錯(cuò)誤地址復(fù)位，并且有一個(gè)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(shí)粥、1小時(shí)湯、2小時(shí)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(jiǎn)簡(jiǎn)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?lái)越簡(jiǎn)單。
 
2 電飯煲煮飯過(guò)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(shí)間，控溫過(guò)程，維持沸騰時(shí)間，停止升溫過(guò)程，燜飯過(guò)程等規(guī)律。煮飯的過(guò)程實(shí)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(guò)程，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐和探索，一次理想的煮飯過(guò)程可以抽象成以下幾個(gè)過(guò)程：
▲吸水過(guò)程
    在適合的溫度下，讓大米盡可能的吸收水分，這樣煮出來(lái)的米飯的更加的飽滿，口感更好。讓大米的含水量達(dá)到25%左右，溫度越高，吸水越快。但是溫度一旦超過(guò)60度，大米中含有的β淀粉就會(huì)轉(zhuǎn)化成α淀粉，會(huì)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(guò)程
    這一個(gè)過(guò)程必須使鍋內(nèi)的熱量充分對(duì)流，以至于不會(huì)造成夾生飯。一般說(shuō)來(lái)，加熱值沸騰的時(shí)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(guò)控制繼電器的開與閉來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的控制。
▲補(bǔ)炊過(guò)程
    斷電之后，溫度會(huì)慢慢下降，當(dāng)溫度降到100度左右的時(shí)候，在通電一段時(shí)間，將鍋內(nèi)的多余的水分蒸發(fā)掉，補(bǔ)炊的時(shí)間根據(jù)個(gè)人而定。
▲燜飯過(guò)程
    在補(bǔ)炊過(guò)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(lái)進(jìn)行燜飯，促進(jìn)大米α淀粉的生成。一般的燜飯時(shí)間大約控制在12分鐘左右。
▲保溫過(guò)程
    整個(gè)煮飯過(guò)程結(jié)束后，自動(dòng)進(jìn)入保溫模式，溫度低于65度左右，加熱盤就會(huì)對(duì)鍋體進(jìn)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(yáng)8位單片機(jī)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(jìn)入燜飯狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼顯示“n”，10分鐘后，電飯煲進(jìn)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(jìn)入燜飯狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼顯示“n”，8分鐘后飯煮好，電飯煲進(jìn)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(jìn)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(jìn)入燜飯狀態(tài)，此時(shí)數(shù)碼顯示“n”，10分鐘后飯煮好，電飯煲進(jìn)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(shí)數(shù)碼顯示“-”，45分鐘后粥將煮好。
6）2小時(shí)粥
    選擇2小時(shí)粥功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時(shí)數(shù)碼顯示“2”，2小時(shí)后粥將煮好。
7）1小時(shí)湯
    選擇1小時(shí)湯功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時(shí)數(shù)碼顯示“1”，1小時(shí)后湯將熬好。
8）2小時(shí)湯
    選擇2小時(shí)湯功能，按下開始鍵，電飯煲開始加熱，此時(shí)數(shù)碼顯示“2”， 2小時(shí)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(dòng)進(jìn)入保溫模式，數(shù)碼顯示“b”。
3.2 定時(shí)功能
    選擇相應(yīng)功能后設(shè)置相應(yīng)的定時(shí)時(shí)間，按下開始鍵，定時(shí)開始，每過(guò)1小時(shí)顯示時(shí)間數(shù)減1。在定時(shí)時(shí)間內(nèi)，根據(jù)定時(shí)的時(shí)間和所需過(guò)程的時(shí)間差電飯鍋就能自動(dòng)啟動(dòng)，自動(dòng)加熱，自動(dòng)保溫，完成選擇的功能，例如果45分鐘稀飯定時(shí)2小時(shí)的話，電飯煲會(huì)在1小時(shí)15分鐘的時(shí)候開時(shí)啟動(dòng)加熱工作，并進(jìn)入45分鐘稀飯功能模式。

4 總體方案介紹
    利用凌陽(yáng)8位單片機(jī)SPMC65P2404A設(shè)計(jì)的智能電飯煲控制系統(tǒng)原理框圖如圖4-1所示，通過(guò)按鍵來(lái)選擇功能模式、顯示電路完成顯示當(dāng)前狀態(tài)和定時(shí)時(shí)間；通過(guò)溫度傳感器來(lái)對(duì)溫度進(jìn)行采樣；通過(guò)MCU的控制最終實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制，從而來(lái)控制對(duì)加熱盤的加熱與否，電源部分完成對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)和外圍電路提供5V電源，并且對(duì)加熱盤進(jìn)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(jì)
5.1 單片機(jī)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(cè)輸入電路，復(fù)位和晶振電路，PA6、PA7完成對(duì)頂蓋和底盤的溫度的檢測(cè)，PA5完成對(duì)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(jiǎn)介
    SPMC65P2404A是凌陽(yáng)公司的8位工控單片機(jī)，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(gè)可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號(hào)、錯(cuò)誤地址復(fù)位，并且有一個(gè)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(yáng)科技8位單片機(jī)；
☉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(gè)8位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)
☉普通的定時(shí)/計(jì)數(shù)器
☉具有8位捕獲功能
☉具有8位比較功能
◆2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器
☉普通的定時(shí)/計(jì)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(gè)可編程輸入/輸出口
◆5種復(fù)位功能
◆時(shí)鐘選擇：晶體振蕩器、RC振蕩、外部信號(hào) 
◆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(cè)(LVD)功能； 
◆一個(gè)蜂鳴器輸出口
◆可進(jìn)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(yáng)極數(shù)碼管和10個(gè)LED組成，通過(guò)單片機(jī)位選和所送的數(shù)據(jù)來(lái)點(diǎn)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(jī)提供+5V的直流穩(wěn)壓源，并且通過(guò)降壓、整流、濾波之后的+14V電壓對(duì)繼電器進(jìn)行供電，通過(guò)控制三極管射極的導(dǎo)通與否來(lái)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(gè)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(jī)檢測(cè)的信號(hào)實(shí)際上是與溫度傳感器分壓的電阻的電壓值，因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯碾娮柚禃?huì)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(shí)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(jì)
6.1 主程序流程
    整個(gè)系統(tǒng)輸入包括2個(gè)溫度傳感器，5個(gè)按鍵；輸出包括2位七段數(shù)碼管、10個(gè)發(fā)光二極管、繼電器控制信號(hào)等。根據(jù)控制功能，將程序設(shè)計(jì)為幾個(gè)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(jìn)行溫度采集并判斷傳感器是否良好，主要對(duì)2個(gè)溫度傳感器連續(xù)檢測(cè)20次，若測(cè)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(cuò)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(gè)按鍵，在不同的狀態(tài)下，每個(gè)鍵只要輕按一次就有效。系統(tǒng)的五個(gè)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(cè)出的溫度值變化太快，引起控制部件頻繁動(dòng)作，溫度采集采用滑動(dòng)平均值濾波方法。即在同一個(gè)通道上連續(xù)采集三個(gè)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(gè)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(jī)狀態(tài)、出錯(cuò)顯示、燜飯、保溫、煮飯中及定時(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)候，判斷所選擇的功能號(hào)，（每一種煮飯功能對(duì)應(yīng)著一種升溫加熱曲線），然后按照其升溫加熱階段進(jìn)行煮飯?zhí)幚?

7 結(jié)語(yǔ)
    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(yáng)的8位MCU實(shí)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(lái)的小家電應(yīng)該具備“智能、安全、多功能、節(jié)約以及環(huán)?！边@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(jì)應(yīng)更多地運(yùn)用高科技，尤其是運(yùn)用先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)，使人們的生活變得更加的簡(jiǎn)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(gè)普遍關(guān)注的問題，如果在人們使用的過(guò)程中存在著安全隱患，那么這就會(huì)對(duì)使用者的生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成威脅。
    第三，小家電應(yīng)具備“多功能”的優(yōu)勢(shì)，具有多功能的商品才會(huì)使得消費(fèi)者有購(gòu)買的欲望，多功能已經(jīng)成為一個(gè)主流，消費(fèi)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(lái)，每個(gè)家庭都將擁有很多種家用電器，而我國(guó)的能源工業(yè)尤其是電力工業(yè)，有可能因?yàn)橥顿Y不足而難以滿足和適應(yīng)這個(gè)節(jié)奏，假如小家電耗能巨大，家庭經(jīng)濟(jì)支出將負(fù)擔(dān)很重。

8 參考文獻(xiàn) 
[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(bào)(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(shí),1998.

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