楊文龍，王春梅

（1.廣東省電子職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 廣州510515；2.廣東金融學(xué)院 互聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)設(shè)計(jì)

楊文龍1，王春梅2

（1.廣東省電子職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東 廣州510515；2.廣東金融學(xué)院 互聯(lián)網(wǎng)金融與信息工程系，廣東 廣州510521）

本文針對(duì)當(dāng)前IH電磁加熱電飯鍋，采用單片機(jī)控制技術(shù)，運(yùn)用模糊邏輯控制原理進(jìn)行系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)。文中對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的工作機(jī)制作了全面的論述，特別是對(duì)電飯鍋整個(gè)煮飯加熱過(guò)程模糊邏輯控制、米量測(cè)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(shí)踐證明，模糊邏輯控制的IH電磁加熱電飯鍋，米量判斷準(zhǔn)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(tǒng)的電飯鍋大多數(shù)是磁鋼控制的，從開(kāi)始煮飯就全功率加溫，當(dāng)磁鋼居里溫度點(diǎn)溫度（105℃）時(shí)，磁鋼失去磁性而斷開(kāi)電源，加熱工序無(wú)法控制，米飯質(zhì)量不高。后來(lái)引入單片機(jī)控制加熱工序，模擬人們煮飯溫度調(diào)節(jié)過(guò)程，能實(shí)現(xiàn)吸水、沸騰和燜飯3個(gè)階段控制，米飯質(zhì)量有所提高，但熱源還是采用底盤發(fā)熱絲，存在熱效率低（<60%）及受熱不均勻等問(wèn)題，米飯質(zhì)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(wèn)題，將IH（Induction Heating）電磁感應(yīng)加熱技術(shù)取代傳統(tǒng)的電飯鍋電熱絲發(fā)熱盤［1］，使熱效率大大提高（>90%），能實(shí)現(xiàn)全方位的立體加熱，使得煮飯受熱均勻，再利用基于單片機(jī)的模糊邏輯控制［2］，根據(jù)煮飯專家的工藝，控制整個(gè)煮飯過(guò)程各階段的溫度，獲得最佳質(zhì)量的米飯。

1　IH模糊邏輯智能控制電飯鍋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1IH電磁加熱工作機(jī)制

電磁感應(yīng)加熱技術(shù)是通過(guò)電磁加熱裝置的轉(zhuǎn)換，將交流電變換成直流電壓，再經(jīng)過(guò)逆變INVERTER控制電路將直流電壓轉(zhuǎn)換頻率為20～40 kHz的高頻電壓去驅(qū)動(dòng)線圈，高頻電流在線圈內(nèi)產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)，當(dāng)磁場(chǎng)內(nèi)的磁力線穿過(guò)導(dǎo)磁金屬材料時(shí)，導(dǎo)磁金屬是將產(chǎn)生無(wú)數(shù)小渦流（高頻電流），使容器底部發(fā)熱。如圖1所示。

采用20 kHz以上高頻振蕩，可以避免因負(fù)載的產(chǎn)生機(jī)械噪音。IH具有高火力、高效率和節(jié)能等特性。調(diào)整線圈的幾何結(jié)構(gòu)，使得電飯鍋底部和側(cè)向全方位加熱，使米飯受熱更均勻。IH是在越來(lái)越多的產(chǎn)品和領(lǐng)域開(kāi)始被廣泛應(yīng)用的一種加熱方式，正逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

IH電磁加熱糊邏輯控制的電飯鍋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，由單片機(jī)控制與鍵盤/顯示器接口電路、溫度檢測(cè)電路、IGBT功率驅(qū)動(dòng)電路，電源電路等組成。單片機(jī)采用STC12C5A60S2單時(shí)鐘/機(jī)器周期 （1T）的高速單片機(jī)，最高時(shí)鐘頻率為35 MHz，指令系統(tǒng)與MCS51完全兼容，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM和8通道10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。

單片機(jī)采樣鍋底和鍋蓋的溫度，有A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行模糊推理、智能判斷米量和模糊邏輯控制［3］。利用單片機(jī)內(nèi)部的PWM （脈寬調(diào)制Pulse Width Modulation）模塊輸出PWM信號(hào)去驅(qū)動(dòng)IBGT管。加熱線圈L和補(bǔ)償電容C組成并聯(lián)諧振回路。220 V交流直接通過(guò)橋式整流器整流輸出脈動(dòng)直流，再經(jīng)濾波電容C2后平滑后得到高壓直流，施加到LC并聯(lián)諧振回路，并由IGBT管控制。

單片機(jī)輸出PWM信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離后去控制IGBT功率開(kāi)關(guān)管，按一定頻率導(dǎo)通和截止使LC并聯(lián)諧振電路工作。諧振回路交變電流在感應(yīng)線圈L的周圍感應(yīng)出高頻交變的磁場(chǎng)，使位于磁場(chǎng)內(nèi)的鍋底部鐵磁材料感應(yīng)形成渦流而發(fā)熱。高頻磁場(chǎng)強(qiáng)度取決于PWM信號(hào)的占空比。此外在電源電路中還增加了過(guò)流檢測(cè)電路，單片機(jī)一旦檢測(cè)到電源電流超限，將切斷PWM信號(hào)，起保護(hù)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(zhuǎn)化為人體所能吸收的α淀粉。根據(jù)如圖3所示的煮飯專家最佳加熱溫度工藝曲線，煮飯的過(guò)程可分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫6個(gè)階段。

圖2　IH模糊邏輯控制電飯鍋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(dá)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(shí)踐證明吸水階段水溫應(yīng)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(duì)大米進(jìn)行加熱，直到沸騰。大米在加熱階段繼續(xù)吸收水分并開(kāi)始淀粉α化。由于水溫的升高，水分子急劇運(yùn)動(dòng)使水形成對(duì)流，所有的大米都能夠充分均勻受熱。升溫速度與米量有關(guān)，將影響米飯質(zhì)量。

③沸騰階段

沸騰階段是使淀粉在100℃高溫狀態(tài)下繼續(xù)α化。隨著水分的進(jìn)一步減少，鍋內(nèi)趨于干燥，鍋內(nèi)的米飯溫度繼續(xù)升高，當(dāng)鍋底溫度到達(dá)125℃時(shí)沸騰過(guò)程結(jié)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(nèi)外質(zhì)量保持一致。該過(guò)程中，鍋內(nèi)溫度上升高達(dá)153℃。在此高溫下，米芯的淀粉α化，內(nèi)外都熟透，并使飯面多于的水分蒸發(fā)掉。在米飯溫度達(dá)到153℃時(shí)，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(jìn)一步蒸發(fā)膨脹使米飯松化的過(guò)程。

⑥保溫階段

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

3　模糊邏輯控制設(shè)計(jì)

3.1米量測(cè)定模糊推理

在模糊控制電磁電飯煲中，控制過(guò)程的各段時(shí)間與米量直接相關(guān)。在電飯鍋鍋內(nèi)室溫tr恒定的情況下，溫度變化率和米量Q有關(guān)，其變化程度也與初始水溫不同而異［4］。在電飯鍋剛開(kāi)始煮飯的半分鐘內(nèi)，由鍋蓋溫度傳感器測(cè)得室溫tr，鍋底溫度傳感器測(cè)得初始水溫t0，然后進(jìn)入加熱吸水階段。在室溫tr為恒定情況下，根據(jù)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(gè)模糊量，其中t0、Δtd的隸屬函數(shù)為梯形函數(shù)，Q用單點(diǎn)表示。如圖5所示。

圖5　米量隸屬函數(shù)

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(tǒng)，控制規(guī)則為：“if t0 andΔtb then Q”，模糊推理規(guī)則如表1所示。

表1　模糊推理規(guī)則

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

根據(jù)此算法，對(duì)n條的推理規(guī)則就有n個(gè)隸屬度f(wàn)1，f2，……fn，以fi作為Qi的加權(quán)系數(shù)，采用加權(quán)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(guò)程的各個(gè)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(guò)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(wú)論是哪一種溫度控制，都是采用閉環(huán)控制，給定的參考溫度tref與鍋底傳感器檢測(cè)到的加熱溫度tb進(jìn)行相減，獲得溫度偏差e=tref-tb，并計(jì)算溫度偏差變化率 Δe=en-en-1，溫控模糊推理是根據(jù)e和Δe來(lái)確定PWM信號(hào)的占空比去調(diào)節(jié)輸出功率，從而達(dá)到溫控的目的［5］。如圖6所示。

圖6　模糊邏輯溫控模型

對(duì)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(fù)大（NB）、負(fù)?。∟S）、零（O）、正小（PS）、正大（PB）5個(gè)模糊量，其隸屬函數(shù)仍然采用梯形函數(shù)。把輸出控制量PWM信號(hào)的占空比分成為 10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%共 9個(gè)單點(diǎn)模糊量。如圖7所示。

圖7　溫控隸屬函數(shù)

溫度控制的模糊控制過(guò)程與米量測(cè)定模糊推理過(guò)程類似，它是一個(gè)雙輸入單輸出系統(tǒng)。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(duì)于升溫控制，按煮飯曲線要求，溫度的給定值tref隨時(shí)間上升。

4　模糊邏輯溫控程序設(shè)計(jì)

根據(jù)表2模糊推理表進(jìn)行查表，以便輸出表格中規(guī)定的占空比PWM信號(hào)［6］。將偏差e和偏差變化Δe的5個(gè)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(zhuǎn)換為表格列號(hào)

MOVR7，A；暫存

MOVA，R6；取偏差變化Δe

CLRC；為減法清借位

SUBBA，#2；變?yōu)楸砀裥刑?hào)

MOVB，#5；每行5個(gè)字節(jié)數(shù)

MULAB；行號(hào)乘以5

ADDA，R7；加上列序號(hào)

MOVDPTR，#TAB；取表首地址

MOVCA，@DPTR+A；查表獲得PWM占空比

LCALL PWM ；調(diào)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(jī)內(nèi)部的PWM模塊，調(diào)用PWM輸出子程序，將累加器ACC中的查表值作為PWM信號(hào)的占空比，由P1.3輸出PWM控制信號(hào)去驅(qū)動(dòng)IGBT。

STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部的PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）模塊包含2個(gè)結(jié)構(gòu)相同的16位捕捉/比較計(jì)數(shù)器，每個(gè)模塊可編程為外部脈沖捕捉模式、軟件定時(shí)模式、高速輸出模式及PWM輸出模式，由模塊模式寄存器CCAPMn來(lái)設(shè)置。CCAPMn的代碼為42H時(shí)，相應(yīng)的PCA模塊工作在 8位PWM輸出方式。當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器低8位（CL）大于或等于比較/捕捉寄存器低8位CCAPnL時(shí)，PWM輸出為高電平；當(dāng)CL的值小于比較/捕捉寄存器低8位CCAPnL時(shí)，PWM輸出為低電平。圖8給出3種不同的PWM信號(hào)，圖8（a）是一個(gè)占空比為10%的PWM輸出，即在信號(hào)一個(gè)周期中，10%的時(shí)間為高電平，其余90%的時(shí)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(jié)束語(yǔ)

IH智能電飯鍋是目前電飯鍋的新產(chǎn)品，文中利用單片機(jī)模糊邏輯控制技術(shù)，對(duì)IH電飯鍋智能化設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明，基于模糊控制的IH電飯鍋確實(shí)能煮出高質(zhì)量的米飯，代表目前電飯鍋的最先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)電飯鍋設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有重要的參考意義［7］。

［1］申宇輝，劉迎晨.IH技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展和前景［J］.現(xiàn)代家電，2006（9）：47-74.

［2］楊文龍.單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］楊文龍.虛擬儀器及其在信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2007，26（12）：297-309.

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

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

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

［7］Jerry M.Mendel.基于不確定規(guī)則的模糊邏輯系統(tǒng):導(dǎo)論與新方向［M］.北京：清華大學(xué)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(hào)：201510009

2015年廣東省重大科技專項(xiàng)（2015B010124004）；廣東金融學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目（SY2014A08，E20510014068）

楊文龍（1958—），男，廣東大埔人，高級(jí)講師，高級(jí)工程師。研究方向：信號(hào)處理和測(cè)控技術(shù)。