IH電磁加熱電飯鍋模糊邏輯智能控制系統設計

楊文龍，王春梅

（1.廣東省電子職業技術學校 廣東 廣州510515；2.廣東金融學院 互聯網金融與信息工程系，廣東 廣州510521）

IH電磁加熱電飯鍋模糊邏輯智能控制系統設計

楊文龍1，王春梅2

（1.廣東省電子職業技術學校 廣東 廣州510515；2.廣東金融學院 互聯網金融與信息工程系，廣東 廣州510521）

本文針對當前IH電磁加熱電飯鍋，采用單片機控制技術，運用模糊邏輯控制原理進行系統控制設計。文中對整個控制系統的工作機制作了全面的論述，特別是對電飯鍋整個煮飯加熱過程模糊邏輯控制、米量測定模糊推理的算法作了深入的分析，并給出了模糊邏輯溫控程序代碼。實踐證明，模糊邏輯控制的IH電磁加熱電飯鍋，米量判斷準確，受熱均勻，煮飯加溫工藝曲線符合要求，智能化程度高。

IH；電飯鍋；模糊邏輯控制；模糊推理

傳統的電飯鍋大多數是磁鋼控制的，從開始煮飯就全功率加溫，當磁鋼居里溫度點溫度（105℃）時，磁鋼失去磁性而斷開電源，加熱工序無法控制，米飯質量不高。后來引入單片機控制加熱工序，模擬人們煮飯溫度調節過程，能實現吸水、沸騰和燜飯3個階段控制，米飯質量有所提高，但熱源還是采用底盤發熱絲，存在熱效率低（<60%）及受熱不均勻等問題，米飯質量還是比不上碳燒工藝的米飯。為了解決電飯鍋受熱均勻問題，將IH（Induction Heating）電磁感應加熱技術取代傳統的電飯鍋電熱絲發熱盤［1］，使熱效率大大提高（>90%），能實現全方位的立體加熱，使得煮飯受熱均勻，再利用基于單片機的模糊邏輯控制［2］，根據煮飯專家的工藝，控制整個煮飯過程各階段的溫度，獲得最佳質量的米飯。

1　IH模糊邏輯智能控制電飯鍋系統結構

1.1IH電磁加熱工作機制

電磁感應加熱技術是通過電磁加熱裝置的轉換，將交流電變換成直流電壓，再經過逆變INVERTER控制電路將直流電壓轉換頻率為20～40 kHz的高頻電壓去驅動線圈，高頻電流在線圈內產生高頻磁場，當磁場內的磁力線穿過導磁金屬材料時，導磁金屬是將產生無數小渦流（高頻電流），使容器底部發熱。如圖1所示。

采用20 kHz以上高頻振蕩，可以避免因負載的產生機械噪音。IH具有高火力、高效率和節能等特性。調整線圈的幾何結構，使得電飯鍋底部和側向全方位加熱，使米飯受熱更均勻。IH是在越來越多的產品和領域開始被廣泛應用的一種加熱方式，正逐步代替傳統加熱方式成為新的熱源。

圖1　IH電磁加熱原理

1.2IH電飯鍋系統結構

IH電磁加熱糊邏輯控制的電飯鍋系統結構如圖2所示，由單片機控制與鍵盤/顯示器接口電路、溫度檢測電路、IGBT功率驅動電路，電源電路等組成。單片機采用STC12C5A60S2單時鐘/機器周期 （1T）的高速單片機，最高時鐘頻率為35 MHz，指令系統與MCS51完全兼容，內部集成MAX810專用復位電路、2路PWM和8通道10位高速A/D轉換器。

單片機采樣鍋底和鍋蓋的溫度，有A/D轉換器轉化為數字信號，進行模糊推理、智能判斷米量和模糊邏輯控制［3］。利用單片機內部的PWM （脈寬調制Pulse Width Modulation）模塊輸出PWM信號去驅動IBGT管。加熱線圈L和補償電容C組成并聯諧振回路。220 V交流直接通過橋式整流器整流輸出脈動直流，再經濾波電容C2后平滑后得到高壓直流，施加到LC并聯諧振回路，并由IGBT管控制。

單片機輸出PWM信號經光電耦合器隔離后去控制IGBT功率開關管，按一定頻率導通和截止使LC并聯諧振電路工作。諧振回路交變電流在感應線圈L的周圍感應出高頻交變的磁場，使位于磁場內的鍋底部鐵磁材料感應形成渦流而發熱。高頻磁場強度取決于PWM信號的占空比。此外在電源電路中還增加了過流檢測電路，單片機一旦檢測到電源電流超限，將切斷PWM信號，起保護作用。

2　煮飯的加熱溫度工藝曲線

煮飯的主要目的是將大米中含有的β淀粉轉化為人體所能吸收的α淀粉。根據如圖3所示的煮飯專家最佳加熱溫度工藝曲線，煮飯的過程可分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫6個階段。

圖2　IH模糊邏輯控制電飯鍋系統結構

圖3　煮飯最佳加熱溫度曲線

①吸水階段

大米的含水量通常為14%，在加熱之前要求大米含水量達到25%，才能使大米加熱階段的加熱趨于均勻，并能透到米粒中心部位，使飯粒飽滿和松軟。大米吸水速度與水溫成正比，實踐證明吸水階段水溫應低于56℃。

②加熱階段

加熱階段是使水溫從56℃不斷均勻上升對大米進行加熱，直到沸騰。大米在加熱階段繼續吸收水分并開始淀粉α化。由于水溫的升高，水分子急劇運動使水形成對流，所有的大米都能夠充分均勻受熱。升溫速度與米量有關，將影響米飯質量。

③沸騰階段

沸騰階段是使淀粉在100℃高溫狀態下繼續α化。隨著水分的進一步減少，鍋內趨于干燥，鍋內的米飯溫度繼續升高，當鍋底溫度到達125℃時沸騰過程結束。

④燜飯階段

燜飯階段使熱量滲透到米飯的芯部，使米飯充分受熱而內外質量保持一致。該過程中，鍋內溫度上升高達153℃。在此高溫下，米芯的淀粉α化，內外都熟透，并使飯面多于的水分蒸發掉。在米飯溫度達到153℃時，停止加熱。

⑤膨脹階段

膨脹階段停止加熱，但仍處于高溫使飯面中水分進一步蒸發膨脹使米飯松化的過程。

⑥保溫階段

在米飯溫度下降到70℃時，通過低功率加熱使米飯溫度維持在70℃左右，保持米飯質量完好。

3　模糊邏輯控制設計

3.1米量測定模糊推理

在模糊控制電磁電飯煲中，控制過程的各段時間與米量直接相關。在電飯鍋鍋內室溫tr恒定的情況下，溫度變化率和米量Q有關，其變化程度也與初始水溫不同而異［4］。在電飯鍋剛開始煮飯的半分鐘內，由鍋蓋溫度傳感器測得室溫tr，鍋底溫度傳感器測得初始水溫t0，然后進入加熱吸水階段。在室溫tr為恒定情況下，根據初始水溫t0和鍋底溫度變化率Δtd和推斷米量Q。如圖4所示。

圖4　米量模糊推理

將t0、Δtd和Q的模糊化為5個模糊量，其中t0、Δtd的隸屬函數為梯形函數，Q用單點表示。如圖5所示。

圖5　米量隸屬函數

由于室溫為恒定值，米量Q的模糊推理可視為雙輸入單輸出系統，控制規則為：“if t0 andΔtb then Q”，模糊推理規則如表1所示。

表1　模糊推理規則

表1共有25條推理規則，例如第i條“if t0=M andΔtb=Sthen Q=P4”，用fM（t0）表示t0對M的隸屬度，fS（Δtb）表示Δtb對S的隸屬度，采用極大極小運算，則有第i條控制規則隸屬度為：

根據此算法，對n條的推理規則就有n個隸屬度f1，f2，……fn，以fi作為Qi的加權系數，采用加權平均求得米量Q值：

3.2溫度控制模糊推理

模糊控制電磁電飯煲煮飯過程的各個階段的溫度控制采用模糊控制的方式。由煮飯專家提出的煮飯最佳工藝曲線可知，煮飯過程的溫度控制主要有兩種情況，一種是恒溫控制，另外一種是升溫控制。恒溫控制主要用于沸騰和保溫階段，升溫控制主要用于吸水、加熱和燜飯階段。無論是哪一種溫度控制，都是采用閉環控制，給定的參考溫度tref與鍋底傳感器檢測到的加熱溫度tb進行相減，獲得溫度偏差e=tref-tb，并計算溫度偏差變化率 Δe=en-en-1，溫控模糊推理是根據e和Δe來確定PWM信號的占空比去調節輸出功率，從而達到溫控的目的［5］。如圖6所示。

圖6　模糊邏輯溫控模型

對于恒溫控制，溫度給定值terf為恒定值。把溫度偏差e和偏差變化率Δe都分成負大（NB）、負小（NS）、零（O）、正小（PS）、正大（PB）5個模糊量，其隸屬函數仍然采用梯形函數。把輸出控制量PWM信號的占空比分成為 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%共 9個單點模糊量。如圖7所示。

圖7　溫控隸屬函數

溫度控制的模糊控制過程與米量測定模糊推理過程類似，它是一個雙輸入單輸出系統。恒溫模糊控制的推理表，如表2所示。

表2　模糊推理表

升溫控制與恒溫控制的原理類似，不同之處在于對于升溫控制，按煮飯曲線要求，溫度的給定值tref隨時間上升。

4　模糊邏輯溫控程序設計

根據表2模糊推理表進行查表，以便輸出表格中規定的占空比PWM信號［6］。將偏差e和偏差變化Δe的5個模糊量論域都取為｛-2，-1，0，1，2｝，程序代碼如下：

MOVA，R7；R7為偏差e

ADDA，#2；轉換為表格列號

MOVR7，A；暫存

MOVA，R6；取偏差變化Δe

CLRC；為減法清借位

SUBBA，#2；變為表格行號

MOVB，#5；每行5個字節數

MULAB；行號乘以5

ADDA，R7；加上列序號

MOVDPTR，#TAB；取表首地址

MOVCA，@DPTR+A；查表獲得PWM占空比

LCALL PWM ；調用輸出PWM子程序

RET；返回

TAB:DB 30，40，60，80，90；PWM占空比表

DB20，30，50，70，80

DB20，30，40，60，70

DB10，20，40，60，70

DB10，20，30，50，50

程序中LCALL PWM指令是利用STC12C5A60S2單片機內部的PWM模塊，調用PWM輸出子程序，將累加器ACC中的查表值作為PWM信號的占空比，由P1.3輸出PWM控制信號去驅動IGBT。

STC12C5A60S2單片機內部的PCA（可編程計數器陣列）模塊包含2個結構相同的16位捕捉/比較計數器，每個模塊可編程為外部脈沖捕捉模式、軟件定時模式、高速輸出模式及PWM輸出模式，由模塊模式寄存器CCAPMn來設置。CCAPMn的代碼為42H時，相應的PCA模塊工作在 8位PWM輸出方式。當PCA計數器低8位（CL）大于或等于比較/捕捉寄存器低8位CCAPnL時，PWM輸出為高電平；當CL的值小于比較/捕捉寄存器低8位CCAPnL時，PWM輸出為低電平。圖8給出3種不同的PWM信號，圖8（a）是一個占空比為10%的PWM輸出，即在信號一個周期中，10%的時間為高電平，其余90%的時間為低電平。圖8（b）和圖8（c）分別是占空比為50%和90%的PWM輸出。不同的PWM輸出使得IGBT管輸出功率不同。

圖8　三種占空比的PWM波形

5　結束語

IH智能電飯鍋是目前電飯鍋的新產品，文中利用單片機模糊邏輯控制技術，對IH電飯鍋智能化設計，實踐證明，基于模糊控制的IH電飯鍋確實能煮出高質量的米飯，代表目前電飯鍋的最先進的技術，對推動我國電飯鍋設計和生產具有重要的參考意義［7］。

［1］申宇輝，劉迎晨.IH技術應用的發展和前景［J］.現代家電，2006（9）：47-74.

［2］楊文龍.單片機原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［3］楊文龍.虛擬儀器及其在信號處理實驗中的應用［J］.實驗室研究與探索，2007，26（12）：297-309.

［4］林茂先，張建軍，葉向陽，等.一種電飯鍋模糊控制器［J］.電子技術應用，1996（5）：58-60.

［5］毛兆榮，劉杰.PIC16C56單片機在模糊控制電飯鍋中的應用［J］.電子技術應用，1997（4）：29-31.

［6］沈杰，靳東明，李志堅.模糊控制和模糊控制芯片［J］.電子學報，1997（2）：51-55.

［7］Jerry M.Mendel.基于不確定規則的模糊邏輯系統:導論與新方向［M］.北京：清華大學出版社，2013.

Design of fuzzy logic intelligent control system for IH electromagnetic heating electric cooker

YANGWen-long1，WANG Chun-mei2
（1.Guangdong Vocational School of Electronic Technology，Guangzhou 510515，China；2.Departmentof InternetFinance&Information Engineering，GuangdongUniversityof Finance，Guangzhou 510521，China）

This paper is to explain the design of control system of the current IH electromagnetic heating electric cooker by introducing the single chipmicrocontroller control technology and advancing fuzzy logic control principle.The comprehensive description of the workingmechanism of the whole control system ismade，especially，the fuzzy logic control of heating process of the electric cooker and the fuzzy inference algorithm tomeasure rice quantity are in-depth analyzed in the paper. The control temperature program code is given by fuzzy logic，which is to realize the intelligent controlling ofelectric cooker. Practice has proved that IH electromagnetic heating electric cooker by fuzzy logic control has accurate to measure rice，uniform heating，cooking heating process curve conform to requirements，high intelligence.

IH；electric cooker；fuzzy logic control；fuzzy inference

TN99

A

1674-6236（2016）19-0135-04

2015-10-04稿件編號：201510009

2015年廣東省重大科技專項（2015B010124004）；廣東金融學院校級項目（SY2014A08，E20510014068）

楊文龍（1958—），男，廣東大埔人，高級講師，高級工程師。研究方向：信號處理和測控技術。