基于FPGA的智能电饭煲的制作

2016-11-16 04:54宋艳丽
黄冈职业技术学院学报 2016年5期
关键词:电饭煲蜂鸣器控制电路

宋艳丽

(黄冈职业技术学院 机电学院,湖北 黄冈 438002)



基于FPGA的智能电饭煲的制作

宋艳丽

(黄冈职业技术学院 机电学院,湖北 黄冈 438002)

电饭煲是日常生活中常用的小家电产品,简单便捷、实用是大家追求的目标。本文描述了设计制作的一款通过控制器件,实时监测状态和温度,灵活调节火力大小,自动完成煮食过程的智能电饭煲。其硬件电路由微控制器、状态显示电路、蜂鸣器控制电路、温度控制电路、继电器、按键控制电路和电源电路组成,实现了温度智能控制。

电饭煲;智能控制;温度调节

电饭煲是日常生活常用的小家电产品,而智能电饭煲则是区别于普通电饭煲一款产品,它能实现智能控制,通过控制器件,实时监测状态和温度,灵活调节火力大小,自动完成煮食过程。现在的智能电饭煲一般具有预约定时、煮饭、保温等功能,时尚、便捷、卫生,是现代生活流行的新潮厨房家电产品。而在能源日益紧张的今天,节能是永恒的话题,也是科技发展的方向。笔者在充分吸收国内外先进成果的基础上,设计了一款新型的智能电饭煲产品。

1 工作要求及说明

从食品营养的角度进行分析,电饭煲煮饭一般可以分为吸水、加热、沸腾、焖饭、膨胀和保温六个过程。每个阶段均有温度的控制,每个温度控制还有一定的时间的控制。传统的电饭锅的温度控制元件是用双金属片温度控制系统和磁性材料温度控制系统,利用磁钢受热失磁冷却后恢复磁性的原理,对锅底温度进行自动控制;而智能电饭煲的工作是利用微电脑芯片,控制加热器件的温度,精准的对锅底温度进行自动控制。同时在制作电饭煲时,还要考虑煮饭的速度和功率损耗,在不同的烹饪过程中采取相应的功率,使烹饪效果更佳。为此设计制作的电饭煲控制原理框图如图1所示,其硬件电路由微控制器、状态显示电路、蜂鸣器控制电路、温度控制电路、继电器、按键控制电路和电源电路组成。

图1 电饭煲工作原理框图

2电饭煲的硬件电路设计

(1)微控制器

采用FPGA芯片中的EPIC3T144C8作为控制核心,FPGA是一种可编程逻辑器件,包含了一个逻辑单元的阵列、触发器、可编程的互连线、片内RAM、嵌入式CPU、高速收发器等资源,除此之外,作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出现的,既可以解决定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点,用户能自定义逻辑功能的特点,在抗干扰、速度上有很大优势。

(2)状态显示电路

状态显示电路由两部分组成,一是电饭煲的工作状态指示,用不同发光二极管指示电饭煲的工作状态,通过微控制器接收到采集信号,发出输出信号与发光二极管相连即可。二是显示时间显示模块,用户预约煮饭时间,利用EPIC3T144C8自带时钟,实现数码显示控制。要显示的数据,用静态显示方式会占用很多IO(8×N),可以采用动态扫描方式来实现。动态扫描方式的硬件连接是将每个数码管的段码引脚并联接到EPIC3T144C8的IO端口上,每个数码管的公共端是独立的,通过控制公共端来控制相应数码管的亮、灭。

数码管显示控制电路图如图2所示。

图2 数码管显示控制电路图

(3)蜂鸣器控制电路

蜂鸣器在饭煮熟后,进入保温状态时,进行提醒,此时可以切断电源,节约用电。实际控制电路如图3所示。蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面,另一端联接到三极管的集电极,三极管的基级由EPIC3T144C8的一个输出引脚控制。

图3 蜂鸣器控制电路图

(4)温度控制电路

对温度的控制主要依赖于传感器的检测。热敏电阻对温度的影响又很敏锐,当温度过低或过高,热敏电阻分到的电压值很大或很小,因此对温度控制要准确,不同的温度,热敏电阻的阻值就不同,阻值的大小与它的温度成反比。当温度高,热敏电阻的阻值就小,分到的电压就低,取样电阻上分到的电压就高,A/D 转换的值就大;相反,当温度低时,热敏电阻上分到的电压就高,取样电阻上分到的电压就小,A/D 转换的值相对就小。CPU 通过 A/D 转换值的大小去控制温度。温度采样原理图如图4 所示。

图4 温度采样原理图

(5)功率输出电路

FPGA是弱电器件,工作电压为5 V,电炉工作所需电压为220 V,防止高电压损坏FPGA,则采用继电器隔离。而FPGA的驱动电流不大,现在要把它用于一些大功率场合,控制电炉加热,因此可以用功率驱动形式把信号输送给加热盘,其中继电器驱动就是一个典型的、简单的功率驱动环节。继电器驱动就是FPGA与其他大功率负载接口,起到控制作用,通过三极管放大信号,提高输出功率,驱动继电器工作,当温度低于设定值时,给FPGA一个命令,控制口输出高电平,三极管9013导通,继电器线圈有电流流过而导通,电路接通,开始加热。温度高于设定值时,控制口输出低电平,三极管9013截止,继电器线圈中没有电流流过而截止,电路断路,不能工作。在继电器线圈两端连接一个二极管,让二极管反向并联继电器线圈两端,此二极管能起到吸收反向电动势,保护三极管。继电器自动控制电路图如图5所示。实现自动控制时先把开关S1闭合[1]。

图5 继电器控制电路图

(6)按键控制电路

按键是智能电饭煲外接的输入控制设备,通过执行按键的操作来实现人机交互,为了操作控制简单,设置每个按键实现一个功能。该控制按键电路中设置了0-9是个数字按键以便设计延时的时间,同时0-9还具有第二功能,如煮饭、煮粥、煲汤等,另外A是确定键、B是功能键,功能键能和数字键配套使用。为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图6所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。

图6 矩阵式键盘

(7)电源电路

电饭煲控制原理框图中,需要一个给FPGA提供能量的电源,同时需要给加热盘加热的交流电压,由此在实际电路中,将工频交流电通过变压器、整流电路和稳压电路,再向FPGA芯片EPIC3T144C8及其他电路供电源,原理图见图7所示[1]。

图7 电源电路原理图

3 软件设计

本系统的设计采用了VHDL语言编程,下载到EPIC3T144C8芯片中,达到控制的目的。需要控制的电路有电饭煲状态显示的二极管、预约计时的数码显示、达到保温时控制蜂鸣器、加热过程中控制加热盘的继电器以及接收输入信号的按键控制电路。其中温度控制是电饭煲设计中的关键,电饭煲在不同工作状态需要的温度不同,因此要设置多个不同控制温度范围。

(1)温度调节软件设计

当达到预设温度,EPIC3T144C8控制加热盘加热,当温度与预设值相差1℃时,采用PID算法,对温度进行精确控制,实现缓慢加热,倘若温度高于设置的值,直接通过继电器断开加热盘。下面重点讨论通过软件来实现其控制。基本思想是根据采集的实际值与设定值的偏差来确定,即从采样当前温度,实现PID运算,利用脉冲宽度调制(PWM)来改变其占空比输出PID运算。每采样一次之后进行一次PID运算,得到一个输出量,供输出函数调用[2]。其流程图如图8所示。

图8 温度控制流程图

(2)保温控制软件设计

通过顶部和底部温度传感器来实现保温状态,其流程图如图9所示。预设值T1小于T2,当顶部传感器温度小于T1时,闭合继电器对其加热,否则判断底部传感器温度是否小于预设值,如果小于也闭合继电器加热;接着判断顶部传感器温度是否大于预设值T2,大于T2就关断,否则判断底部传感器温度是否大于T2。

图9 保温控制流程图

5 总结

设计制作的智能电饭煲,实现了温度智能控制,达到了电饭煲从吸水、加热、沸腾、焖饭、膨胀和保温六个状态的不同温度和时间控制,利用发光二极管准确显示各种状态,数码管显示了预设的时间。

[1]宋艳丽,宋武.简易智能电动车的设计[J].电子元器件应用,2012/Z1:63-65.

[2]宋艳丽,宋武.基于单片机的智能数字温度计的设计[J].黄冈职业技术学院学报,2011/02:100-102.

[责任编辑:刘良瑞]

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

宋艳丽,女,湖北当阳人,讲师。研究方向:单片机控制电路设计。

TM571.6+4

A

1672-1047(2016)05-0097-04

10.3969/j.issn.1672-1047.2016.05.25

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