基于FPGA的智能電飯煲的制作

宋艷麗

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

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基于FPGA的智能電飯煲的制作

宋艷麗

(黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電學(xué)院，湖北 黃岡 438002)

電飯煲是日常生活中常用的小家電產(chǎn)品，簡單便捷、實用是大家追求的目標(biāo)。本文描述了設(shè)計制作的一款通過控制器件，實時監(jiān)測狀態(tài)和溫度，靈活調(diào)節(jié)火力大小，自動完成煮食過程的智能電飯煲。其硬件電路由微控制器、狀態(tài)顯示電路、蜂鳴器控制電路、溫度控制電路、繼電器、按鍵控制電路和電源電路組成，實現(xiàn)了溫度智能控制。

電飯煲；智能控制；溫度調(diào)節(jié)

電飯煲是日常生活常用的小家電產(chǎn)品，而智能電飯煲則是區(qū)別于普通電飯煲一款產(chǎn)品，它能實現(xiàn)智能控制，通過控制器件，實時監(jiān)測狀態(tài)和溫度，靈活調(diào)節(jié)火力大小，自動完成煮食過程。現(xiàn)在的智能電飯煲一般具有預(yù)約定時、煮飯、保溫等功能，時尚、便捷、衛(wèi)生，是現(xiàn)代生活流行的新潮廚房家電產(chǎn)品。而在能源日益緊張的今天，節(jié)能是永恒的話題，也是科技發(fā)展的方向。筆者在充分吸收國內(nèi)外先進成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款新型的智能電飯煲產(chǎn)品。

1 工作要求及說明

從食品營養(yǎng)的角度進行分析，電飯煲煮飯一般可以分為吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫六個過程。每個階段均有溫度的控制，每個溫度控制還有一定的時間的控制。傳統(tǒng)的電飯鍋的溫度控制元件是用雙金屬片溫度控制系統(tǒng)和磁性材料溫度控制系統(tǒng)，利用磁鋼受熱失磁冷卻后恢復(fù)磁性的原理，對鍋底溫度進行自動控制；而智能電飯煲的工作是利用微電腦芯片，控制加熱器件的溫度，精準(zhǔn)的對鍋底溫度進行自動控制。同時在制作電飯煲時，還要考慮煮飯的速度和功率損耗，在不同的烹飪過程中采取相應(yīng)的功率，使烹飪效果更佳。為此設(shè)計制作的電飯煲控制原理框圖如圖1所示，其硬件電路由微控制器、狀態(tài)顯示電路、蜂鳴器控制電路、溫度控制電路、繼電器、按鍵控制電路和電源電路組成。

圖1　電飯煲工作原理框圖

2電飯煲的硬件電路設(shè)計

(1)微控制器

采用FPGA芯片中的EPIC3T144C8作為控制核心，F(xiàn)PGA是一種可編程邏輯器件，包含了一個邏輯單元的陣列、觸發(fā)器、可編程的互連線、片內(nèi)RAM、嵌入式CPU、高速收發(fā)器等資源，除此之外，作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既可以解決定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點，用戶能自定義邏輯功能的特點，在抗干擾、速度上有很大優(yōu)勢。

(2)狀態(tài)顯示電路

狀態(tài)顯示電路由兩部分組成，一是電飯煲的工作狀態(tài)指示，用不同發(fā)光二極管指示電飯煲的工作狀態(tài)，通過微控制器接收到采集信號，發(fā)出輸出信號與發(fā)光二極管相連即可。二是顯示時間顯示模塊，用戶預(yù)約煮飯時間，利用EPIC3T144C8自帶時鐘，實現(xiàn)數(shù)碼顯示控制。要顯示的數(shù)據(jù)，用靜態(tài)顯示方式會占用很多IO(8×N)，可以采用動態(tài)掃描方式來實現(xiàn)。動態(tài)掃描方式的硬件連接是將每個數(shù)碼管的段碼引腳并聯(lián)接到EPIC3T144C8的IO端口上，每個數(shù)碼管的公共端是獨立的，通過控制公共端來控制相應(yīng)數(shù)碼管的亮、滅。

數(shù)碼管顯示控制電路圖如圖2所示。

圖2　數(shù)碼管顯示控制電路圖

(3)蜂鳴器控制電路

蜂鳴器在飯煮熟后，進入保溫狀態(tài)時，進行提醒，此時可以切斷電源，節(jié)約用電。實際控制電路如圖3所示。蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5V電源上面，另一端聯(lián)接到三極管的集電極，三極管的基級由EPIC3T144C8的一個輸出引腳控制。

圖3　蜂鳴器控制電路圖

(4)溫度控制電路

對溫度的控制主要依賴于傳感器的檢測。熱敏電阻對溫度的影響又很敏銳，當(dāng)溫度過低或過高，熱敏電阻分到的電壓值很大或很小，因此對溫度控制要準(zhǔn)確，不同的溫度，熱敏電阻的阻值就不同，阻值的大小與它的溫度成反比。當(dāng)溫度高，熱敏電阻的阻值就小，分到的電壓就低，取樣電阻上分到的電壓就高，A/D 轉(zhuǎn)換的值就大；相反，當(dāng)溫度低時，熱敏電阻上分到的電壓就高，取樣電阻上分到的電壓就小，A/D 轉(zhuǎn)換的值相對就小。CPU 通過 A/D 轉(zhuǎn)換值的大小去控制溫度。溫度采樣原理圖如圖4 所示。

圖4　溫度采樣原理圖

(5)功率輸出電路

FPGA是弱電器件，工作電壓為5 V，電爐工作所需電壓為220 V，防止高電壓損壞FPGA，則采用繼電器隔離。而FPGA的驅(qū)動電流不大，現(xiàn)在要把它用于一些大功率場合，控制電爐加熱，因此可以用功率驅(qū)動形式把信號輸送給加熱盤，其中繼電器驅(qū)動就是一個典型的、簡單的功率驅(qū)動環(huán)節(jié)。繼電器驅(qū)動就是FPGA與其他大功率負(fù)載接口，起到控制作用，通過三極管放大信號，提高輸出功率，驅(qū)動繼電器工作，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時，給FPGA一個命令，控制口輸出高電平，三極管9013導(dǎo)通，繼電器線圈有電流流過而導(dǎo)通，電路接通，開始加熱。溫度高于設(shè)定值時，控制口輸出低電平，三極管9013截止，繼電器線圈中沒有電流流過而截止，電路斷路，不能工作。在繼電器線圈兩端連接一個二極管，讓二極管反向并聯(lián)繼電器線圈兩端，此二極管能起到吸收反向電動勢，保護三極管。繼電器自動控制電路圖如圖5所示。實現(xiàn)自動控制時先把開關(guān)S1閉合[1]。

圖5　繼電器控制電路圖

(6)按鍵控制電路

按鍵是智能電飯煲外接的輸入控制設(shè)備，通過執(zhí)行按鍵的操作來實現(xiàn)人機交互，為了操作控制簡單，設(shè)置每個按鍵實現(xiàn)一個功能。該控制按鍵電路中設(shè)置了0-9是個數(shù)字按鍵以便設(shè)計延時的時間，同時0-9還具有第二功能，如煮飯、煮粥、煲湯等，另外A是確定鍵、B是功能鍵，功能鍵能和數(shù)字鍵配套使用。為了減少I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，如圖6所示。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。

圖6　矩陣式鍵盤

(7)電源電路

電飯煲控制原理框圖中，需要一個給FPGA提供能量的電源，同時需要給加熱盤加熱的交流電壓，由此在實際電路中，將工頻交流電通過變壓器、整流電路和穩(wěn)壓電路，再向FPGA芯片EPIC3T144C8及其他電路供電源，原理圖見圖7所示[1]。

圖7　電源電路原理圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的設(shè)計采用了VHDL語言編程，下載到EPIC3T144C8芯片中，達到控制的目的。需要控制的電路有電飯煲狀態(tài)顯示的二極管、預(yù)約計時的數(shù)碼顯示、達到保溫時控制蜂鳴器、加熱過程中控制加熱盤的繼電器以及接收輸入信號的按鍵控制電路。其中溫度控制是電飯煲設(shè)計中的關(guān)鍵，電飯煲在不同工作狀態(tài)需要的溫度不同，因此要設(shè)置多個不同控制溫度范圍。

(1)溫度調(diào)節(jié)軟件設(shè)計

當(dāng)達到預(yù)設(shè)溫度，EPIC3T144C8控制加熱盤加熱，當(dāng)溫度與預(yù)設(shè)值相差1℃時，采用PID算法，對溫度進行精確控制，實現(xiàn)緩慢加熱，倘若溫度高于設(shè)置的值，直接通過繼電器斷開加熱盤。下面重點討論通過軟件來實現(xiàn)其控制?；舅枷胧歉鶕?jù)采集的實際值與設(shè)定值的偏差來確定，即從采樣當(dāng)前溫度，實現(xiàn)PID運算，利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來改變其占空比輸出PID運算。每采樣一次之后進行一次PID運算，得到一個輸出量，供輸出函數(shù)調(diào)用[2]。其流程圖如圖8所示。

圖8　溫度控制流程圖

(2)保溫控制軟件設(shè)計

通過頂部和底部溫度傳感器來實現(xiàn)保溫狀態(tài)，其流程圖如圖9所示。預(yù)設(shè)值T1小于T2，當(dāng)頂部傳感器溫度小于T1時，閉合繼電器對其加熱，否則判斷底部傳感器溫度是否小于預(yù)設(shè)值，如果小于也閉合繼電器加熱；接著判斷頂部傳感器溫度是否大于預(yù)設(shè)值T2，大于T2就關(guān)斷，否則判斷底部傳感器溫度是否大于T2。

圖9　保溫控制流程圖

5 總結(jié)

設(shè)計制作的智能電飯煲，實現(xiàn)了溫度智能控制，達到了電飯煲從吸水、加熱、沸騰、燜飯、膨脹和保溫六個狀態(tài)的不同溫度和時間控制，利用發(fā)光二極管準(zhǔn)確顯示各種狀態(tài)，數(shù)碼管顯示了預(yù)設(shè)的時間。

[1]宋艷麗,宋武.簡易智能電動車的設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用,2012/Z1:63-65.

[2]宋艷麗,宋武.基于單片機的智能數(shù)字溫度計的設(shè)計[J].黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2011/02:100-102.

[責(zé)任編輯：劉良瑞]

Production of Smart Electric Cooker Based on FPGA

Song Yanli

(HuanggangPolytechnicCollege，Huanggang438002Hubei)

The electric cooker is small household electrical appliances, commonly used in daily life. Simple, convenient and practical is our goal. This paper describes the design of an intelligent electric cooker, through controlling device, which can monitor state and temperature in real-time, flexibly adjust firepower to finish cooking process automatically. The hardware circuit consists of micro controller, state display circuit, a buzzer control circuit, temperature control circuit, relay, button control circuit and a power supply circuit, to realize the intelligent temperature control.

Electric cooker; Intelligent control; Temperature adjust

2016-09-25

宋艷麗，女，湖北當(dāng)陽人，講師。研究方向：單片機控制電路設(shè)計。

TM571.6+4

A

1672-1047(2016)05-0097-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2016.05.25