基于单片机的智能电饭煲设计毕业设计.docx

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基于单片机的智能电饭煲设计毕业设计

安徽工程大学本科

毕业设计（论文）

专业：

电子信息科学与技术

题目：

基于单片机的智能电饭煲

控制器设计

安徽工程大学

本科毕业设计（论文）任务书

2012届电气工程学院

电子信息科学与技术专业

******

Ⅰ毕业设计（论文）题目

中文：

基于单片机的智能电饭煲控制器设计

英文：

DesignofIntelligentricecookercontrollerBasedonMCU

Ⅱ原始资料

[1]张毅刚.单片机原理与应用[M].北京：

高等教育出版社，2010.11

[2]余永权.模糊控制技术与模糊家用电器[M].北京：

北京航空航天大学出版社，2000.7

[3]王守中.51单片机开发入门与典型实例[M].北京：

人民邮电出版社，2008.10

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2009.12

[5]杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京：

中国电力出版社，2007.6

[6]侯振义.直流开关电源技术及应用[J].北京：

电子工业出版社，2006:

56-62.

Ⅲ毕业设计（论文）任务内容

近几年智能家电发展迅速，为人们生活带来便捷。

市场上机械式电饭锅大部分采用固定功率的方法加热，能效利用率低、功能单一。

为改善电饭煲性能要求学生运用信号采集、模糊控制、单片机原理及应用等基础知识，设计一智能电饭煲控制器，具有多种烹调方式及预约功能。

要求通过对温度及加热时间的检测和分析，来判断米量大小；通过调节继电器的通断比，来控制加热盘发热功率；由按键选择各种烹调方式，并经LED显示。

技术指标及功能要求：

1.具有多种烹调功能，烹调时间设定，24小时预约功能；

2.多段位数码显示；

3.判断米量大小，并对加热功率进行调节；

4.立体加热，传感器开短路保护；

5.开关电源解决方案；

6.要求独立选择芯片、设计电路、编制程序、仿真、调试，完成整个系统的功能。

课题完成形式：

1.提交毕业论文（设计报告书）一本；

2.电路原理图；

3.完整的单片机源程序。

指导教师（签字）

教研室主任（签字）

批准日期2012年1月5日

接受任务书日期2012年1月10日

完成日期2012年6月13日

接受任务书学生（签字）

基于单片机的智能电饭煲控制器设计

摘要

电饭煲是人们日常生活中最普遍的家用电器，随着人们生活水平的提到，电饭煲也日趋智能化。

本设计主要基于家电智能化的背景下，借鉴智能电饭煲的发展现状，实现电饭煲烹调方式选择、预约、LED显示等功能。

烹调功率控制方面，设计主要采用模糊控制方式实现对加热功率的调节。

硬件电路方面，以现代单片机公司（ABOVsemiconductor）的MC80F7708单片机为主控制器，包括复位电路、时钟电路、LED显示电路、触摸按键控制电路、温度采集电路、功率输出电路、开关电源。

软件方面，包括主程序及其中嵌套的子程序：

中断处理程序、AD转换程序、蜂鸣器程序、LED显示程序、按键处理程序、以及功率控制程序。

根据各个烹调方式的典型烹调温度曲线编写出功率控制程序，各种烹调模式通过功率控制参数的设定来调整输出功率。

在煮饭温度控制方面，参考了模糊控制方案。

关键词：

智能家电；电饭煲；MC80F7708单片机；模糊控制；温控曲线。

DesignofIntelligentricecookercontrollerBasedonMCU

Abstract

Thericecookeristhemostcommonhouseholdappliancesinpeople'sdailylife.Aspeople'slivingstandardsmentioned,ricecookersarebecomingincreasinglyintelligent.Thistopicismainlybasedonthebackgroundofintelligenthomeappliances.Referencetothecurrentsituationofthedevelopmentofintelligentricecooker.Discussinghowtorealizethecookingmodeselection,appointment,LEDdisplayandotherfunctions.Thedesignofcookingpowercontrol,usingthefuzzycontrolmethodtoachievetheadjustmentofheatingpower.

Hardwarecircuits,ABOVsemiconductorInc.MC80F7708microcontrollerasthemaincontroller,includingtheresetcircuit,clockcircuit,theLEDdisplaycircuit,touchbuttoncontrolcircuit,temperaturedataacquisitioncircuit,thepoweroutputcircuitandswitchingpowersupply.

Softwareprograms,includingthemainprogramandthenestedsubroutine:

interrupthandler,ADconversionprocess,buzzerdriver,LEDdisplayprogram,keyprocesses,aswellaspowercontrolprocedures.Accordingtothetypicalcookingtemperaturecurveofthevariouscookingmethods,Writepowercontrolprocedure,avarietyofcookingmodetoadjusttheoutputpowerthroughthepowercontrolparametersettings.Cookingtemperaturecontrol,withreferencetothefuzzycontrolscheme.

Keywords:

smartappliances;ricecooker;MC80F7708microcontroller;fuzzycontrol;temperaturecontrolcurve.

插图清单

表格清单

引言

电饭煲因其安全、简便、实用而普及到千家万户。

随着科技的不断发展，这类小家电也在不断的完善和提升自己，并向着智能化、节能化、网络化的方向发展。

传统的机械式电饭锅大部分采用固定功率的方法加热，能效利用率低、功能单一，难以满足人们的多样化需求，因此，功能丰富的智能电饭煲有着广阔的市场前景。

本设计即通过对电饭煲的硬件和软件的设计以实现电饭煲的智能化。

智能控制技术、信息技术的飞速发展为家电自动化和智能化提供了可能。

智能家电就是微处理器和计算机技术引入家电设备后形成的家电产品，具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远程控制中心通信功能的家电设备。

随着信息技术，特别是数字化技术、多媒体技术和网络技术的飞速发展，智能家电产业也在迅速崛起。

世界著名的电脑和家电企业如IBM、夏普、微软、英特尔、松下、NEC、东芝等都大力开发研制自己的智能家电产品，我国的许多公司如联想、长虹、海信、TCL、海尔等也都投入到智能家电的开发工作。

作为传统家电代表，电饭煲智能化也不例外，功能齐全、操作简便、人性化的界面，烹调过程自动化控制，甚至是网络控制的智能电饭煲已成为快节奏的现代生活需求。

伴随着生活水平的提高，电饭煲的智能化和网络化将成为一种趋势。

第1章绪论

1.1选题背景

随着智能控制技术的发展，各种智能家电产品不断出现，给人们生活带来便捷。

快节奏的现代生活，人们对家电智能化的要求也越来越高，安全、简便、节能、实用，多功能化是现代化家用电器应具有的基本特性。

作为家用电器的典型代表，传统的机械式电饭煲难以满足需求。

智能电饭煲的问世，解决了人们的多样化需求，也为人们日常生活带来便捷。

本文研究的一种模糊控制的智能电饭煲正是满足人们需求的典型代表。

基于模糊控制方式判断米量的多少，并对不同的米量选择不同的加热方案，并且具有多种烹调功能，因此不但控制效果好，而且高效、节能环保。

同时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。

1.2选题的现实意义

自从1955年东芝开发出世界上第一台电饭煲，电饭煲的发展已经过了50年，到现在，电饭煲已经成为了现代家庭必备的生活电器之一。

随着电饭煲技术的发展，电饭煲的控制技术也经历了几个重要的阶段，首先是机械式控制，然后是电子式控制，再是微电脑控制，目前较为流行有主流的电磁式电饭煲和微压力电饭煲。

今天，智能控制技术、信息技术发展已较为成熟，同时无线通信技术快速发展以及物联网行业的兴起，为家用电器的智能化，提供了一个难得的机遇和环境，我们坚信包括电饭煲在内的所有智能家电控制技术将会有一质的飞跃。

随着生活水平的提高，人们对电饭煲的要求也越来越高。

煮出来的米饭的可口程度、营养以及是否多功能、是否节能这些因素将成为判断一个电饭煲好坏的标准。

目前，市场上的大部分采用机械式或者是采用固定功率的方式加热，能源利用率低，功能单一，难以满足人们日益增长的生活需求。

电饭煲从机械式原理到现在的智能电饭煲，期间经历了许多的阶段。

电饭煲发挥高新技术优势，以美味炊煮为主导，使产品更加丰富与时尚化，现已形成机械、模拟电子及智能三大类型、多种款式。

机械电饭煲虽然价格方面体现它的优势之外，其他方面就很难满足人们对现代生活高品质的需求。

智能电饭煲符合现代人的要求，人性化的界面设计，使得人们一眼看出当前工作状态，让您更安心，各种烹调过程全部由电脑自动控制，并且美观、简洁、实用，所有的这些特点符合现代人的省时、省力、耐用的观念。

中国农业部农产品质量监督检测测试中心实验报告表明：

使用智能电饭煲蒸煮米饭，可以将米饭中维生素E的含量提高55.62%，赖氨酸的含量提高10.92%，而天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、酪氨酸等游离氨基酸更是首次现身米饭当中，从而大大提升了米饭的营养和口感。

电饭煲是一种把电能转化成热能的新型多功能烹饪器具。

在科技发展日新月异的今天，电饭煲也同其它家用电器一样经历了从简单到复杂，从手动到半自动、全自动以及到现在的智能化产品的过程。

但因为价格较高，所以它不能为普通家庭所接受。

做出一种价格低廉、体积又小、带语音功能的人性化的电饭煲是市场所需求。

因此，开发功能齐全，安全可靠的微电脑智能电饭煲是非常用必要的。

电饭煲的功能不再只是简简单单的煮饭了，它可以完成许许多多的功能，它是人们日常生活中不可缺少的家庭好帮手，由于智能控制的问世，人们的生活才变得越来越简单。

本文既基于单片机的智能电饭煲设计，以MC80F7708单片机作为主控制器，实现：

精煮、快煮、再加热、煮粥、预约等功能，并且具有人性化的操作界面，易于使用。

第2章总体方案设计

2.1设计内容和设计目标

2.1.1设计内容

电饭煲作为人们日常生活中的必需品，无疑对我们的生活有着重要影响，传统机械式电饭煲功能单一，由于其工作原理是利用磁钢受热失磁（冷却后恢复磁性）原理，对锅底温度进行自动控制，这使电饭煲的整个加热过程输出功率恒定，既浪费电能，又不能对加热方式进行调整以煮出多种口感的米饭。

又如用机械式电饭煲煮粥为防止粥溢出，需要人看管，因此给日常生活带来不变，随着电子信息技术及智能控制技术的飞速发展，智能家电产业迅速壮大，各种智能家电产品不断出现，例如数控冰箱、变频式空调、全自动洗衣机等，作为基本日常生活用具的电饭煲也不例外，智能煲由于是利用微电脑芯片，控制加热器件的输出功率以及对加热食物的温度进行实时检测，可以实现对加热温度的精确的自动控制。

这样就可以满足我们加热不同食物类型以及不同口感的多样化需求。

本毕业设计要求使用现行智能家电中常用的模糊控制方法，实现电饭煲的基本功能。

2.1.2设计目标

要求设计一个电饭煲控制器，具有按键，按键指示灯、多段位数码显示屏，实现对电饭煲运行状态的选择和显示。

通过插座及引线与电饭煲的加热盘和传感器等部件相连，由单片机控制继电器的通断来控制负载，并按设定程序执行动作。

具体功能如下：

（1）具有多种烹调功能。

（2）预约功能。

（3）多段位数码显。

（4）顶部、底部双温度传感器。

（5）故障告警，传感器开短路显示。

（6）开关电源供电。

2.2方案对比和方案选择

方案一：

采用普通机械式按键、LCD显示、底盘加热方式、片内无AD单片机，使用数字温度传感器，或外扩AD转换器使用模拟温度传感器。

方案二：

采用电容感应按键、LED显示、立体加热方式、片内集成AD转换器的单片机、热敏电阻及分压电路来采集温度信号。

若使用片内无AD的单片机，若使用数字温度传感器成本较高，且多数数字温度传感器测温范围较窄，很难满足电饭煲要求的（-10~+180℃）范围。

若采用外部扩展AD转换器的方法，无疑会增加电路的复杂程度，不利于生产，同时成本会上升，这对于成本十分敏感的小家电产品不具有可行性。

若使用片内集成ADC型单片机，只需外接一NTC（负温度特性）热敏电阻及一个分压电阻即可，电路简单，成本低廉，且能简化软件程序设计，仅需设置AD转换相关的控制寄存器，就能轻松地实现数据转换。

LED显示相比LCD显示具有亮度高不需要背光源的优点，而采用电容感应按键具有美观、简洁、时尚等特点，控制器与外界可以无接缝，这样就可以防止进水造成漏电事故，采用立体加热方式，食物受热均匀，口感更好，加热米饭也不容易出现夹生现象。

考虑以上原因，决定选择方案二进行电饭煲控制系统设计，程序编写采用C语言（汇编语言编写过于繁杂）。

2.3方案及总体框图

方案设计的细节如下：

电饭煲设有多种烹调方式，使用按键进行选择，并通过数码管对当前的选择和系统的运行状态经行选择，考虑到本设计所要实现的功能，设置八个按键其功能分别如下：

“功能”键：

精煮、快煮、蒸煮、粥汤、稀饭、再加热、炖等功能的选择。

“米类”键：

煮饭功能时，用于调整米类。

“口感”键：

精煮功能状态下，用于调整口感。

“小时”、“分钟”键：

在选定了烹调时间的功能后（蒸煮、粥汤、稀饭、炖），按“小时”“分钟”键调整烹调时间。

“预约”键：

选定了有预约功能档位（精煮、蒸煮、粥汤、稀饭、炖）后按此键，按此键，进入预约时间设定状态。

“开始”键：

选择了某一功能后按此键，进入相应的功能工作。

“保温/关“键：

在任何工作状态下按此键退出工作模式进入待机状态，在待机状态下按此键进入保温模式。

由于电饭煲主要用于煮米饭，为了保证煮出美味可口符合不同口感要求的米饭，就要将设计的重点放在米饭加热温度控制方式上，这要求我们掌握各种大米的吸水量，加温时间，控温过程，维持沸腾时间，停止升温过程，焖饭过程等规律。

查阅相关资料，将煮饭过程总结为以下几个过程：

（1）吸水过程：

在适合的温度下，让大米尽可能的吸收水分，这样煮出来的米饭的更加的饱满，口感更好。

让大米的含水量达到25%左右，温度越高，吸水越快。

但是温度一旦超过70℃，大米中含有的β淀粉就会转化成α淀粉，会变成糊状，所以一般将温度控制在60℃以下（35℃左右为最佳温度，但此温度吸水时间较长）。

（2）升温过程：

这一个过程必须使锅内的热量充分对流，以至于不会造成夹生饭。

一般说来，加热至沸腾的最佳时间是10分钟。

（3）维持沸腾：

为了使β淀粉充分转化成为α淀粉，需要在沸腾的状态下，维持20分钟左右，同时此过程可以将多余的水分蒸发掉，可以通过控制继电器的开与闭来实现温度的控制。

（4）焖饭过程：

在补炊过程结束后，锅内基本上没有太多的水分，应采用较小功率加热，促进大米α淀粉的生成。

一般的焖饭时间大约控制在12分钟左右。

（5）保温过程：

整个煮饭过程结束后，自动进入保温模式，温度一般控制在70℃左右。

米饭加热温度控制过程中分为以下几个步骤，首先：

使用大功率加热使底部温度迅速达到60℃，以便大米快速吸水。

第二步：

吸水过程，吸水时间根据选择的煮饭模式与口感来调整。

第三部是米量测量阶段，通过测量顶部温度到达52℃所用时间来判断米量大小，以此来调整继电器输出通断比，以及加热方式及温度点控制。

第三步：

根据米量大小进行相应加热方式调整，达到沸腾状态、并维持一段时间。

第四步：

焖饭阶段，根据煮饭模式与米量大小，选择加热方式。

第四步：

保温阶段。

米饭加热温度控制曲线如图2-1所示：

图2-1米饭加热温度控制曲线

硬件包括单片机最小系统、温度采集电路、显示电路、蜂鸣器电路、按键电路、功率输出控制电路。

系统整体结构框图如图2-2所示：

图2-2系统整体结构框图

第3章硬件设计

本章主要介绍电饭煲控制器的硬件硬件电路设计方案，主要包括单片机最小系统、按键、显示、蜂鸣器驱动、温度采集、功率输出等部分。

具体电路设计如下：

3.1单片机最小系统

3.1.1单片机选择

单片微型计算机简称单片机，它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器计算器集成在一块芯片上，具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点。

广泛应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。

本设计采用的是现代半导体公司（ABOVsemiconductor）的MC80F7708单片机，芯片有如下特点：

8K字节FLASHROM，256字节RAM，20字节分段LCD显示RAM，8/16位定时/计数器，10位A/D转换器，7位看门狗定时器，拥有7位自动重计数的21位实时定时器，8位UART，片内晶振和时钟电路等。

另外，本芯片还支持节电模式以降低功耗。

MC80F7708灵活度高、成本低，是ADC系统中优良的控制器解决方案。

其引脚如图3-1所示，表3-1是各引脚对应的功能。

图3-1MC80F7708引脚图

表3-1MC80F7708单片机引脚功能

引脚名称

引脚序号

主要功能

第二功能

I/O

说明

I/O

说明

VDD

3

-

电源

-

-

VSS

4

-

地

-

-

RESET/R47

11

I

复位（低电平有效）

-

-

XIN/R43,XOUT/R42

7,6

I,O

主时钟振荡器

-

-

SXIN/R45,SXOUT/R46

9,10

I,O

子时钟振荡器

-

-

R53/SEG3~R57/SEG7

17~21

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

LCD通用输出

R60/SEG8~R61/SEG9

22~23

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

R62/SEG10~R67/SEG15

24~29

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

R70/SEG16~R73/SEG19

30~33

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

R74/COM3~R77/COM0

34~37

I/O

通用I/O口

O

LCD通用输出

R01/EC0

44

I/O

通用I/O口

I

外部计数器中断输入

R04/BUZO

2

I/O

O

蜂鸣器输出

R06/INT0

1

I/O

I

中断输入

R07/INT1

12

I/O

I

中断输入

R10/PWM1/T2O

13

I/O

O

定时器3PWM输出

定时器2输出

R20/AN0~R23/AN3

43~40

I/O

I

A/D转换模拟输入

R24/AN4~R25/AN5

39,38

I/O

I

A/D转换模拟输入

R50/SEG0

14

I/O

通用I/O口

O

I

LCD段输出

UART0数据输入

R51/SEG1

15

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

UART0数据输出

R52/SEG2

16

I/O

通用I/O口

O

LCD段输出

UART0外部中断输入

3.1.2振荡电路

MC80F7708内部有三个振荡电路。

双时钟操作：

主时钟400KHz~12MHz，子时钟32.768KHz。

主时钟晶振类型：

石英/陶瓷晶体振荡器，内部晶振：

8MHz/4MHz/2MHz。

由于外部振荡器使电路复杂化，且成本较高，故不宜采用；而内部RC振荡器有精度低、温度系数高等缺点。

综合考虑成本因素与精度要求，选用8MHz三引脚直插封装负载电容内藏式陶瓷振荡器，此封装不需要使用外部安装的电容器，可以减少元件数量，从而使电路更加紧凑。

陶瓷谐振器具有如下优点：

（1）振荡频率具有很高的温度稳定性，比RC振荡器高两个数量级，比石英振荡器略低。

（2）尺寸小、重量轻，通常只有石英晶体尺寸的一半。

（3）价格低，免调整，与RC或LC电路不同，陶瓷振子利用的是机械谐振。

这意味着它基本上不受外部电路或电源电压波动的影响，从而可以制作成无需调整的高度稳定的震荡电路。

MCU内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XIN和XOUT分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器。

MCU虽然有内部振荡电路，但要形成时钟必须外接元件，所以实际构成的振荡时钟，外接晶振以及电容构成并联谐振电路接在放大器的反馈回路中，对接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡频率的高低，振荡器的稳定性，起振的快速性和温度稳定性。

图3-2外部振荡器与石英/陶瓷振荡器接法

3.1.3复位电路

MC80F7708支持四种复位方式：

外部复位，上电复位（POR），片内复位（BIR）和看门狗复位。

表3-2为通过复位操作对片内硬件进行初始化值。

表3-2复位初始化内部寄存器状态

片内硬件

初值

Programcounter（PC）

（FFFFH）~（FFFEH）

RAMpageregister（RPR）

0

G-flag（G）

0

Operationmode

Main-frequencyclock

Peripheralclock

On

Controlregisters

参考MC80F7708中文数据手册表8-1

本设计硬件复位采用上电复位方式，其电路原理图如图3-3所示。

刚上电时由于电容C6、C7中无电荷，故两端电势都为零。

此时+12V的电源通过R8给C6充电，Q4基极电势上升，在达到Q4导通电势UbeON之前，Q4管截止Q5管导通，RESET被拉为低电平。

Q4基极电势达到导通电势UbeON后，Q4导通Q5基极被拉为低电平，Q5管截止，VCC通过R9给C7充电。

此过程中C6、C7充电波形如图3-4所示：

图3-3复位电路

图3-4上电时复位电路中C6、C7充电波形

3.2LED显示驱动控制电路

3.2.1GY4690B高段位数码管

由于本电饭煲实现的功能较