SPMC65P2404A在智能电饭煲中的应用
——
加入技术交流群
关键词：单片机，AD转换，温度控制，继电器,凌阳单片机，www.sunplusmcu.com
1 引言
目前，市场上的电饭煲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。因此，开发功能齐全、安全可靠的微电脑电饭煲是非常用必要的。电饭煲从机械式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，现已形成微电脑、电脑与机械三大类型、十大不同款式。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。微电脑或电脑控制的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，并且大多的智能电饭煲采用太空“黑晶”内胆，超硬耐磨，恒久美观，所有的这些特点符合现代人的省时、省力、耐用的观念。
本文主要介绍利用SPMC65P2404A芯片来对电饭煲的过程进行控制，SPMC65P2404A是凌阳公司的8位工业级通用单片机，最高工作频率为8MHz，工作电压3V~5V，有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM，有23个可编程IO口，8通道10位A/D转换器，2通道8位定时/计数器，2通道16位定时/计数器，1个12位PWM输出口，有低电压、上电、看门狗、外部信号、错误地址复位，并且有一个蜂鸣器输出口。
利用这些资源完成的电饭煲具有以下功能：精煮、超快煮、冷饭加热、小米量、45分稀饭、2小时粥、1小时汤、2小时汤，并且具有人性化的操作界面，使用者很容易掌握。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，正是由于智能控制的问世，人们的生活才变得越来越简单。
2 电饭煲煮饭过程介绍
要想煮出高质量的米饭，就要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。煮饭的过程实质上就是使大米由难以为人体所消化吸收的β淀粉转化成为人体较易吸收的α淀粉的过程，经过大量的实践和探索，一次理想的煮饭过程可以抽象成以下几个过程：
▲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60度，大米中含有的β淀粉就会转化成α淀粉，会变成糊状，所以控制温度在60度以下是非常有必要的，一般控制在35度左右为最佳温度。
▲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，加热值沸腾的时间最佳是10分钟。
▲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，温度大约控制在98度左右，维持20分钟左右，可以通过控制继电器的开与闭来实现温度的控制。
▲补炊过程
断电之后，温度会慢慢下降，当温度降到100度左右的时候，在通电一段时间，将锅内的多余的水分蒸发掉，补炊的时间根据个人而定。
▲焖饭过程
在补炊过程结束后，锅内基本上没有太多的水分，应停止加热，利用余热来进行焖饭，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。
▲保温过程
整个煮饭过程结束后，自动进入保温模式，温度低于65度左右，加热盘就会对锅体进行加热。使用者在此种状态下就可以享用美食了。
3 功能介绍
利用凌阳8位单片机SPMC65P2404A开发的智能电饭煲具有以下的两大功能：
3.1 煲煮功能
1） 精煮
选择精煮功能，按下开始键，电饭煲开始加热，大约45分钟后电饭煲进入焖饭状态，此时数码显示“n”，10分钟后，电饭煲进入保温状态，数码显示“b” ，这表明饭已经煮好。
2） 超快煮
选择超快煮功能，按下开始键，电饭煲开始加热，大约30分钟后电饭煲进入焖饭状态，此时数码显示“n”，8分钟后饭煮好，电饭煲进入保温状态，数码显示“b”，这表明饭已经煮好。
3） 冷饭加热
选择冷饭加热功能，按下开始键，电饭煲开始加热，大约15分钟后电饭煲进入保温状态，数码显示“b” ，这表示冷饭加热完成。
4） 小米量煮
选择小米量煮功能，按下开始键，电饭煲开始加热，大约40分钟后电饭煲进入焖饭状态，此时数码显示“n”，10分钟后饭煮好，电饭煲进入保温状态，这表明小米量的饭已经煮好。
5）45分钟稀饭
选择45分钟稀饭功能，按下开始键，电饭煲开始加热，此时数码显示“-”，45分钟后粥将煮好。
6）2小时粥
选择2小时粥功能，按下开始键，电饭煲开始加热，此时数码显示“2”，2小时后粥将煮好。
7）1小时汤
选择1小时汤功能，按下开始键，电饭煲开始加热，此时数码显示“1”，1小时后汤将熬好。
8）2小时汤
选择2小时汤功能，按下开始键，电饭煲开始加热，此时数码显示“2”， 2小时后汤将熬好。
注：以上8种功能模式中，每一种功能结束之后都自动进入保温模式，数码显示“b”。
3.2 定时功能
选择相应功能后设置相应的定时时间，按下开始键，定时开始，每过1小时显示时间数减1。在定时时间内，根据定时的时间和所需过程的时间差电饭锅就能自动启动，自动加热，自动保温，完成选择的功能，例如果45分钟稀饭定时2小时的话，电饭煲会在1小时15分钟的时候开时启动加热工作，并进入45分钟稀饭功能模式。
4 总体方案介绍
利用凌阳8位单片机SPMC65P2404A设计的智能电饭煲控制系统原理框图如图4-1所示，通过按键来选择功能模式、显示电路完成显示当前状态和定时时间；通过温度传感器来对温度进行采样；通过MCU的控制最终实现对继电器的控制，从而来控制对加热盘的加热与否，电源部分完成对单片机系统和外围电路提供5V电源，并且对加热盘进行加热。
图4-1 控制系统构成框图
5 系统硬件设计
5.1 单片机主控电路
主控电路如图5-1所示，它包括按键输入部分，温度检测输入电路，复位和晶振电路，PA6、PA7完成对顶盖和底盘的温度的检测，PA5完成对继电器的控制，SPMC65P2404A是系统的核心部分。
图5-1 电饭煲的电路原理图
芯片特性简介
SPMC65P2404A是凌阳公司的8位工控单片机，最高工作频率为8MHz，工作电压3V~5.5V，有192字节的RAM和4K字节的OTP ROM，有23个可编程IO口，8通道10位A/D转换器，2通道8位定时/计数器，2通道16位定时/计数器，1个12位PWM输出口，有低电压、上电、看门狗、外部信号、错误地址复位，并且有一个蜂鸣器输出口……。利用这些资源，能够实现电饭煲的功能。
具体特性包括：
◆凌阳科技8位单片机；
☉189条指令
☉11种寻址模式
☉最高工作频率为8MHz
☉支持位操作（Set,Clear,Inverse,Test）
◆2个8位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)
☉普通的定时/计数器
☉具有8位捕获功能
☉具有8位比较功能
◆2个16位可编程定时器/计数器
☉普通的定时/计数器
☉具有8或16位捕获功能
☉具有16位比较功能
☉12位PWM输出
◆中断方式
☉支持IRQ和NMI中断
☉4种外部中断
☉11种内部中断
◆工作电压：2.5V~5V；
◆8通道10位模数转换（100KHz）
◆内置4K Byte的OTP ROM；
◆内置192K Byte的RAM；
◆23个可编程输入/输出口
◆5种复位功能
◆时钟选择：晶体振荡器、RC振荡、外部信号
◆电源模式：Halt模式和Stop模式
◆低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；
◆一个蜂鸣器输出口
◆可进行SPI通信
◆内置在线仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。
5.2 显示电路
显示电路由共阳极数码管和10个LED组成，通过单片机位选和所送的数据来点亮相应的LED和数码管的显示状态。其电路原理图如图5-2所示：
图5-2 显示电路
5.3 电源电路
电源部分为单片机提供+5V的直流稳压源，并且通过降压、整流、滤波之后的+14V电压对继电器进行供电，通过控制三极管射极的导通与否来控制继电器的工作状态。电源电路原理图如图5-4所示
图5-3 电源电路
5.4 温度采集部分电路图
J2和J3是温度传感器的两个接口，其中J2和J3分别是顶盖和底盘温度传感器的接口，单片机检测的信号实际上是与温度传感器分压的电阻的电压值，因为温度传感器的电阻值会随温度的上升而减小，所以分压电阻的电压值间接反映了某一时刻的温度，电路原理图如图5-4所示：
图5-4 温度传感器电路
6 系统软件设计
6.1 主程序流程
整个系统输入包括2个温度传感器，5个按键；输出包括2位七段数码管、10个发光二极管、继电器控制信号等。根据控制功能，将程序设计为几个主要的模块，程序主流程见图6-1所示：
6-1 程序主流程图
6.2 子程序介绍
1、 诊断子程序
诊断程序主要进行温度采集并判断传感器是否良好，主要对2个温度传感器连续检测20次，若测到的数据不在范围内（温度范围：-10℃~160℃），则表明传感器短路或断路错误，数码显示“E”，并禁止按键操作。
2、 键盘扫描子程序
程序每循环一次扫描一次键盘，如果扫描到有键按下，则暂存键值，如果连续5次扫描到的键值都一样，则认为是稳定的键值。
系统共有5个按键，在不同的状态下，每个键只要轻按一次就有效。系统的五个键接于PA1 、PA3、PA2 、PA0、PA4，如果按键值有效则返回值的相应位为0，否则相应位为1。
3、 温度采集子程序
热敏电阻灵敏度高，为了防止干扰及其它原因导致测出的温度值变化太快，引起控制部件频繁动作，温度采集采用滑动平均值滤波方法。即在同一个通道上连续采集三个数据，取其中的中间值。
4、 显示子程序
系统共有2位七段数码管显示及10个发光二极管显示。数码管主要有6种状态需要显示：待机状态、出错显示、焖饭、保温、煮饭中及定时时间显示。发光二极管显示所选择的功能、开始及保温状态。功能显示需采用轮循方式，在按下开始键之前，开始灯闪烁。进入保温状态后，保温指示灯亮。LED显示程序由位码扫描子程序及数码显示状态选定子程序组成。
5、 功能执行子程序
当执行功能的时候，判断所选择的功能号，（每一种煮饭功能对应着一种升温加热曲线），然后按照其升温加热阶段进行煮饭处理
7 结语
电饭煲的功能不再只是单纯的煮饭，它可以完成很多的功能，利用凌阳的8位MCU实现的智能电饭煲可以完成煮饭、煮粥、煮汤、冷饭加热等功能，另外未来的小家电应该具备“智能、安全、多功能、节约以及环保”这五大功能。
首先，小家电应该具备“智能”化的功能。它的使用与设计应更多地运用高科技，尤其是运用先进的电子计算机技术，使人们的生活变得更加的简单，更适合现代人的生活节奏。
其次，小家电也应完善“安全”功能。安全是一个普遍关注的问题，如果在人们使用的过程中存在着安全隐患，那么这就会对使用者的生命财产构成威胁。
第三，小家电应具备“多功能”的优势，具有多功能的商品才会使得消费者有购买的欲望，多功能已经成为一个主流，消费者最看中的就是它的多功能性。
第四，家电应该具备“节能”功能。在我们生活的今天和未来，每个家庭都将拥有很多种家用电器，而我国的能源工业尤其是电力工业，有可能因为投资不足而难以满足和适应这个节奏，假如小家电耗能巨大，家庭经济支出将负担很重。
8 参考文献
[1] 肖健华,经顺林.模糊控制在家电产品中的应用与展望.五邑大学学报(自然科学版),2001
[2] 顾勇.模糊控制及其应用.现代物理知识,1998.
蜂鸣器相关文章:蜂鸣器原理
评论