电饭煲单片机智能控制系统毕业设计(编辑修改稿)

电饭煲单片机智能控制系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

模糊控制来判断更为准确。 二维 模糊推理机的设计 模糊控制器的设计方法可以分为两类 :试错法 (trialanderror approach)和理论法 (theoretical approach)。 在试错法中，首要任务是建立一个模糊IFTHEN 规则集合，规则可以通过 总结经验知识而得到，也可以通过精心组织的问卷向领域内专家请教而得到。 然后，基于这些模糊 IFTHEN 规则建立模糊控制器。 最后，在实际系统中检验模糊控制器，如果性能指标不满意，则对上述规则进行细微调整或通过反复用试错法进行再设计，直至效果达到指标要求为止。 用理论法进行设计，模糊控制器的结构和参数是以保证某一性能标准 (如，稳定性 )为设计原则的，显然，一种适合本文所述的模糊推理机的设计方法为试错法。 其设计方法可以概括为以下三步 : (1)分析实际系统并选择状态变量和控制变量。 状态变量应能描述系统关键特性，控制变量应 该能够影响系统的状态。 状态变量是模糊系统的输入，控制变量是模糊系统的输出。 本质上说，这一步骤界定了模糊控制器的应用范围。 (2)推演连接状态变量与控制变量的模糊规则。 本文所使用的 IFTHEN 规则是自我总结归纳的经验并以语言表达出来。 (3)将推演出的模糊 IFTHEN 规则组合成模糊系统，并检验此模糊系统作为控制器的闭环系统。 机试运行带有模糊控制器的闭环系统，如果不满意其性能指标，景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 9 则对其进行微调或再设计，并重复此过程，直至效果满意为止。 下面将对本文使用的，以试错法设计的米量模糊推理机的具体设计过程进行详细 介绍。 输入变量的选取 从理论上来说，模糊控制器的维数越高，控制越精细。 但是维数过高，模糊控制的规则将变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。 这也是人们普遍采用二维模糊控制器的原因。 本文采用的同样为二维的模糊控制器，这也是出于对控制效果及计算量的综合考虑 .输出量是米量的大小，输入量是底部温度达到 100℃时的顶部温度的值 Tbot100 和底部从 50℃上升到 100℃的时间长度 选取 Tbot100 和 t100 作为米量的判断量，是因为米量的差异对这两个量的影响最大。 米量越大， t100 越大而 Tbot100 越小。 在实际测试过程中发现 Tbot100的变化相对更为显著。 图 24为经过处理后的测试数据。 图 24相同电压不同米量下顶、底温度图 图 24 中纵坐标为温度 (单位为℃ )，横坐标为时间 (单位为分钟 )。 10cup,5cup,2cup 表示米量的大小，分别表示十杯、五杯、二杯。 由图可见，不同米量下的温度从 50℃上升到 100℃的时间差别并不是很大。 反倒是底部温度到达 95℃时的顶部温度在不同米量下差别更为显著。 当米 量少时，底部加热产生的热量很容易从底部渗透到液面的顶部，米量为 2 杯米时，底部温度到达 95℃时的顶部温度可高达 80℃。 反之，当米量很大时，热量很难从底部渗透到液面的顶部，底部温度到达 95℃时，顶部温度甚至可能维持初始水温不变 .可以单纯地选取了集中加热时间 t100 作为米量的判断量，但由于当底部加热丝功率很高时，景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 10 不同的米量带来的温度从 50℃上升到 100℃的时间的差别会比较小，从而导致判断不准确。 也可以单纯地选取 Tbot100 作为判断量，选择顶部温度作为判断量有其明显的优点，那就是分档值拉得很开 (即其隶属度曲线可以 相对很尖 )，在正常情况下判断准确，但顶盖温度容易受到初始水温的影响，同样导致判断不准确。 因此，本文综合了集中加热时间 t100 和顶温 Tbot100 为判断依据，进行米量的推理。 如前所述，在米量的推理过程中使用了二维模糊推理机，模糊推理机的结构示意图如图 25 所示。 图 25模糊推理机的结构示意图 The configuration of the fuzzy inference engine 其中， INPUT 1 为顶温 Tbot100, INPUT2 为集中加热时间 t100。 本文所述的米量推理机 是严格按照模糊控制器的试错法来设计的。 下面将讲述其具体推理过程。 输入量和输出量的模糊语言描述顶部温度值 Tbot100 的大小分为六 档，语言描述为很高、较高、偏高、偏低、较低、很低，其对应的模糊子集为 {PB， PS, PO, NO, NS, NB} 量化为七个等级，则有 Tbot100= {3， 2， 1, 0, 1, 2, 3} 其对应的隶属度曲线选用三角形和 Z形函数，主要是为了计算简单。 其语言变量的隶属度曲线图如图 26。 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 11 图 26 Tbot100 隶属度函数 选用这种形状的隶属度函数还是为了同 MATLAH 中的隶属度函数配合，后面将会提到，鉴于具体计算过程的复杂性，本文所述的模糊推理过程实际 上是在MATLAB 的 FUZZY LOGIC 工具箱下完成的。 因此，所选用的隶属 度函数曲线实际上是 MATLAB 提供的曲线。 由图可得如表 21所示的模糊变量的赋值表。 集中加热时间的语言描述分为五档，分别为很长、长、中等、短、很短， 其对应的模糊子集为 {PB， PS， O, NS, NB} 同样量 化为七个等级，则有 t100= {3,2,1,0,1,2,3} 表 21 Tbot100 赋值表 对应的隶属度曲线选用三角形和 Z形，如图 27 所示。 图 26 t100 隶属度函数 The membership function of t100 对应的模糊变量赋值表见表 22。 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 12 表 22 t100 隶属度表 Table 22 Membership of t100 米量 R 分为五档，语言描述为很大、较大、中等、较小、很小， 对应的 模糊子集为 {PB， PS, O, NS, NS}。 同样量化为七个等级，则有 R={3,2,1,0,1,2,3 } 采用和 t100 相同的隶属度曲线，故米量 R 的赋值表同 上 表 22。 模糊控制规则的语言描述 依据工程师的经验，关于米量的推理规则可以描述为 : 如果顶温很高，且加热时间很短，则米量很小。 如果顶温很高，且加热时间较短，则米量很小。 如果顶温很高，且加热时间中等，则米量很小。 如果顶温很高，且加热时间较长，则米量很小。 如果顶温很高，且加热时间很长，则米量很小。 如果顶温较高，且加热时间很短，则米量很小。 如果顶温较高，且加热时间较短，则米量很小。 如果顶温较高，且加热时间中等，则米量中等 如果顶温较低，且加热时间很长，则米量很大。 如果顶温很低，且加热时间很短，则米量很大。 如果顶温很低，且加热时间较短，则米量很大。 如果顶温很低，且加热时间中等，则米量很大。 如果顶温很低，且加热时间较长，则米量很大。 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 13 如果顶温很低，且加热时间很长，则米量很大。 等 30 条规则，总结成表格的形式，可得语言变 量的判断规则表，如表 23 所 示。 表 23 语言变量的判断规则表 由此可得表 24 所示的模糊判断规则 : 表 24 模糊判断规则表 建立模糊推理器的推理规则由上述规则表可见，手动控制规则的条件语句为IF A 且 B则 C(即 IF A AND B THEN C)的形式，由似然推理的 MAMDANI 推理方法，其对应的模糊关系为 : R = ( A C ) ( B C ) = A B C     对于推理规则 (1)如果顶温很高，且加热时间很短，则米量很小，即 : R1=TPB X tNB X RNB 同理 R2=TPB X tNS X RNB R3=TPB X tO X RNS R4=TPB X tPS X RNs R5=TPB X tPB X RNs 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 14 R6=TPS X tNB X RNB „„ R26=TNB X tNB X RPS R27=TNB X tNS X RPB R28=TNB X to X RPB R29=TNB X tPS X RPB R30=TNB X tPB X RPB 总的控制规则为 R=R1+R1 十 R3 十„„ +R29 十 R30 (26) R 应该是一个 (7X7) X6 的矩阵。 R 是控制规则的总和，由基于模糊关系 R 的 MAMDANI 推理法，对任意一组精确输入量 Tbot100 和 t100，由模糊集合的合成运算，即可得到输出的基于隶属度的米量的模糊向量，通过适当的解模糊处理，即可得到精确的米量的值。 加热功率的模糊控制 模糊控制电饭煲加热控制是逼近最佳加热曲线进行的，在沸腾阶段的加热功率 Pw 直接影响着米饭的质量。 在实际应用中，利用加热时间占空比参数 Tp 来替代 Pw。 通过改变 Tp，可改变热元件上的有效电压 U，从而改变热元件的加热功率 Pw。 这里取 32s 为一个周期 (在小段时间内可以取 16s 为一个周期 )，通过调节这 32s 中主辅加热器的通断来控制电饭煲加热的功率 Pw。 综上所述，在沸腾阶段，不同的米量要采用不同的底部 Pw，这是建立以米量 Q为输入，底部 Tp 为输出，实现对 Pw 控制的一维模糊推理过程原因所在。 在保证可以实现最佳加热曲线的前提下，以简化算法，易于实现为原则，可以设计一个一维的模糊控制器，其输入是米水总量 Q，输出为底部加热器的 Tp。 根据 Q 的模糊化，将输出变量的隶属度函数。 定义为单点，底部加热器 Tp 的单点隶属度函数如图 所示。 图 单点隶属度函数曲线 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 15 模糊控制器在不同米种和不同煮饭模式的控制规则如表 所示。 表 表中，模式一表示非什锦米的标准、精煮、稍硬、稍软、煲仔模式。 模式二表示非什锦米的高速、寿司、咖 哩 模式。 模式三表示非香米的少量米模式。 模式四表示香米的少量米模式。 模式五表示什锦米模式。 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 16 第 3 章 电饭煲控制系统的设计 前两节给出了电饭煲的炊煮工艺流程和模糊控制器的设计，这一节将重点阐述电饭煲控制系统的的实现。 由于电饭煲属于一种家电产品，所以，在硬件实现时要充分考虑到成本 、易用性等因素。 系统的总体控制方案设计 电饭煲工作原理如图。 上电后，系统进入待机状态，此时系统可接受用户的功能选择，用户所选功能通过显示电路显示出来，当用户按下相应按键时， MCU 可以对温度进行检测，对各种功能进行相应的加热控制。 各种功能结束时，会发出相应的报警提示。 图 电饭煲硬件系统构成 系统选用以低成本、功耗小、性能良好的 8位 A/D with LCD 型 HT46R65 单片机为控制核心的控制电路。 HT46R65 的引脚如图。 MCU 显示 /按键电路 声音报警电路 加热执行电路 测温电路 电源 /电池供电电路 时钟与复位电路 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 17 图 HT46R65 引脚配置图 它的主要技术特性如下 : (1)高性能 RISC 结构 (2)低功率完全静态 CMOS 设计 (3)工作电压 :在 4MHz 下，由 到。 在 8MHz 下，由 到 (4)功率损耗 :在 5V/8MHz 下，典型值为 3mA(针对 ADC 除能时的晶体振荡器 )。 不使用看门狗定时器时， 3V 下静态 (standby)电流小于 l uA (5)周期时间 :在 8MHz 系统时钟下指令周期达到 景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文） 18 (6)温度范围 :工作温度 40℃到 85℃ (工业级规格 )。 储存温度 50℃到 125℃ 它的主要内核特性 : (1)程序存储器 :8K X 16 ROM (2)数据存储器 :384 X 8 RAM (3) LCD 驱动 :41X2, 41X3 或 40 X 4 Segments (4) 16 层硬件堆栈 它的主要周边特性 : (1) 20 个具有上拉功能的双向输入 /输出口 (2) 10 位多通道 A/D 转换。