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1、精选优质文档-倾情为你奉上无锡工艺职业技术学院毕业设计（论文） 题 目： 51单片机控制的电饭煲 系 部： 电子信息系 专 业： 应用电子技术 学 号： 学生姓名： 耿 庆 法 指导教师： 张 爱 良 职 称： 副 教 授 2013年 5月 18日、摘 要 本论文主要研究51单片机控制下的电饭煲，用来实现电饭煲的智能化操作。本次设计主要应用电子电路设计与制作电路板技术，以及功能来实现的单片机操作指令系统，最终实现单片机控制下的电饭煲蒸煮过程。关键词：51单片机 电饭煲 PCB设计 智能电饭煲AbstractElectric rice cooker, this dissertation main
2、ly studies 51 under the control of microcontroller, intelligent operation used to realize electric rice cooker. The design of the main application of electronic circuit design and circuit board production technology, SCM operation instruction system and function to achieve, finally realizes the elec
3、tric rice cooker cooking process under the control of single chip microcomputer.Keywords: 51 single electric cooker PCB design of intelligent electric rice cooker 目 录摘要目录 第1章 绪论2 1.1 选题背景 2 1.2 研究线装 2 1.3 研究的目的及意义 2第2章 单片机周围电路设计3 2.1 时钟电路设计3 2.2 复位电路设计3 2.3 显示电路设计3 2.4 蜂鸣器电路设计4 2.5 键盘接口电路设计5 2.6 温度传
4、感器电路设计6第3章 电源电路设计8 3.1 电源电路8 3.2 抗浪涌电路8第4章 主控系统设计 9 4.1 系统软件设计10 4.2 发声程序设计10 4.3 功能程序设计10 4.4 AT89C51芯片介绍 10 4.5 RAM 、 ROM 存储器 12第5章 煮饭功能和保温系统14 5.1 单片机控制系统14 5.2 电饭锅系统的期望升温曲线14 5.3 煮饭的六个阶段14 5.4 保温加热器的控制 15第6章 继电器和加热盘电路设计 16 6.1 继电器电路 16 6.2 加热盘电路 17 6.3 外观设计 19第7章 部分程序 20 7.1 主函数 20 7.2 DS18B20 驱
5、动函数 20 7.3 DS1302 驱动函数 24 7.4 LCD1602函数 28致谢 33参考文献34 第1章 绪论 1.1 选题背景自从 1955 年东芝开发出世界上第一台电饭煲，电饭煲的发展已经过了 50 年，到现在，电饭煲已经成为了现代家庭必备的生活电器之一。随着电饭煲技术的发展，电饭煲的控制技术也经历了几个重要的阶段，首先是机械式控制，然后是电子式控制，再是微电脑控制，再是目前将要成为主流的电磁电饭煲和微压力电饭煲。今天，我们正经历着一个电脑技术迅速发展的时代，电脑芯片、网络和 3C 技术已经开始成熟和普及，成本大幅的下降，这就为我们提供了一个绝好的平台和环境，我们应该有理由也有信
6、心将包括电饭煲在内的所有智能家电控制技术作一次大的提升。因为随着人们生活水平的提高，对电饭煲的要求也越来越高。日后，煮出来的米饭的可口程度、营养以及是否多功能、是否节能这些因素将成为判断一个电饭煲好坏的标准。 1.2 研究现状目前，市场上的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。电饭煲从机械式原理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
7、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。 1.3 研究的目的及意义中国农业部农产品质量监督检测测试中心实验报告表明：使用智能电饭煲蒸煮米饭，可以将米饭中维生素E的含量提高55.62%，赖氨酸的含量提高10.92%，而天冬氨酸、谷氨酸、丝氨酸、酪氨酸等游离氨基酸更是首次现身米饭当中，从而大大提升了米饭的营养和口感。 电饭煲是一种把电能转化成热能的新型多功能烹饪器具。在科技发展日新月异的
8、今天,电饭煲也同其它家用电器一样经历了从简单到复杂,从手动到半自动、全自动以及到现在的智能化产品的过程。但因为价格较高,所以它不能为普通家庭所接受。做出一种价格低廉、体积又小、带语音功能的人性化的电饭煲是市场所需求。因此，开发功能齐全，安全可靠的微电脑智能电饭煲是非常用必要的。第2章 单片机周围电路设计 2.1 时钟电路设计 时钟、复位电路如图2-1所示，采用的是系统振荡为外部RC振荡方式，单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和TXAL2分别是次放大器的输入端和输出端，把这两个引脚与作为反馈元件的晶体谐振器连接。一般采用12MHz的石英晶体和30PF的电容作为系统时钟
9、，以减少寄生电容，更好保证振荡器的稳定性。图2-1 2.2 复位电路设计 系统要能长时间可靠工作就离不开复位电路如上图3-1所示，复位电路可在单片机运行出错或进入死机循环时，通过复位使系统重新运行。对于51单片机而言，只要REST端保持二个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平即可硬件复位。考虑到从电源接通到电源电压稳定需要一定的时间，故图2-1所示RC复位时间一般均应大于10ms，典型取值为R=1K、C=22PF。 2.3 显示电路设计采用LCD 1602实现时间显示，功能选择，是此电饭煲的人机对话界面。图2-2为液晶电路，显示器件采用LCDl602液晶显示器，是目前最常用的显示器件，其显示
10、容量为162个宁符，尺度为2. 954 .35 mm，适合电饭煲时间和功能的字符显示，如图所示，前三个引脚分别为电源地、电源正极和液晶显示偏压。RS和R/W为数据命令选择和读写选择，引脚15和16分别是背光源正、负极。单片机P0口用于对LCD的数据传输，P2 .0P2.2都是作为控制端对LCD输入读写数据信号，选择数据寄存器或指令寄存器，以及是否进行显示。 图2-2 2.4 蜂鸣器电路设计蜂鸣器电路要求在炊煮结束时“奏出”出悦耳的提示音给使用者。选择PFD驱动蜂鸣器，并且只用P2. 5一个引脚就可以了，这样可以节省一个I/O引脚，同时PFD输出的信号频率可以采用一个内部定时计数器控制，如图2-
11、3所示。 图2-3 2.5 键盘接口电路设计 按键采用独立式按键接口，分为5个按键，分别对应确认、预约、功能、时间加、时间减的功能。 独立式键盘是直接用IO口构成的单个按键电路，如图2-4所示，每根IO口线上按键的工作状态小会影响其他IO口的工作状态，该电路属于查询方式电路，当按键没有按下时，CPU对应的IO口由于有上拉电阻，其输入为高电平；当某按键按下后，对应I/O口变低电平，同时在Vcc=5V的情况下，I/O输出灌电流在5mA左右 图2-4 2.6 温度传感器电路设计利用温度传感器DSl8B20来检测温度的变化从而使单片机进行模糊控制。本课题中温度传感器DSl8B20采用数据线供电方式，其
12、工作电压范围在35. 5V，温度测量范围在-55125精度为2，在-1085范围内，其精度为0 5，可编程为912位A/D转换精度。测温分辨率可达00625摄氏度，如图2-5所示，为了保证DSl8B20温度变换的精确性，当温度转换时，数据线必须提供足够功率，此时必须提供一个强上拉。该电路通常要求外接一个4. 7K的上拉电阻至电源。 图2-5 第3章 电源电路设计 3.1 电源电路电源分匀为加热盘模块提供电的220V电源，和为温度传感器模块、按键模块、显示模块等提供电的5V电源。该单元为本系统的其他电路提供工作所需要的电源。如图所示，它由变压器降压后得到20V的交流电压经过全波整流电路和滤波电路
13、变成15v左右的直流电压，再经过二固定输出电压的集成稳压电路的稳压输出5V的稳恒直流电源，为单片机及其周围电路提供工作需要的电源，如图3-1所示 图3-1 3.2 抗浪涌电路压敏电阻和PCB电流熔断丝(长约15 mm很细的PCB铜箔)共同组成了抗浪涌电路,当有异常高电压输入时，压敏电阻瞬间短路，这样电源、压敏电阻和PCB电流熔断丝(PARTTERNFUSE)构成的回路电流瞬间增大，当电流尖峰值瞬间超过PCB电流熔断丝的电流容量，PCB电流熔断丝立即熔断，从而保护了后而电路元件的安全。电容C1又称安规电容或者静噪电容，一方而能够抑制电刚向电源电路传导的骚扰，另一方而也降低了自身电路向电删传导的骚
14、扰。 第4章 主控系统设计如图4-0所示（图)，单片机程序控制流程。 开始 按键扫描 计算按键扫描状态 是否预约 预约时间到否 Y N Y 执行相应功能 N 是否需要发声 Y 执行发声子程序 N 执行显示程序 图4-0 4.1 系统软件设计软件主要包含按链扫描、计算按键扫描状态、定时器中断、显示、功能实现、预约处理、发声等模块。本设计中,软件设计的关键在于按键扫描和显示程序设计。由于共用I/O口,所以需要合理分配显示和按键扫描的时间,通常每0.1S就按键扫描一次,否则会出现按键不灵敏的情况。 4.2 发声程序设计本设计中,按下有效键、锁定键盘以及进入保温状态时都需要驱动喇叭发生,所以在执行相应
15、的操作时,需要置相应的标示位,发声子程序通过判定相应的标示位来执行相应的发声子程序。 4.3 功能程序设计本设计中需要编写4个功能实现子程序,分别为快煮、煲粥/汤、预约以及保温功能子程序快煮、煲粥/汤,以及保温功能子程序主要是通过计算传感模块的数据和事先设定的时间来控制继电单元的状态,预约主要是计算预约的时间到否以及判定其预约的功能时间到后执行相应的预约功能的子程序。 4.4 AT89C51芯片介绍 AT89C51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚排列 如图4-1所示，为单片机样图 图4-1P0.0 P0.7： P0口8位双向口线P1.0 P1.7 ：P1口8位双向口线。P2.0 P
16、2.7 ：P2口8位双向口线。 P3.0 P3.7 ：P3口8位双向口线。ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。 PSEN：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。 EA：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。 RST：复位信号。当输入的复位信号延
17、续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。 VSS：地线。 VCC：+5 V电源。 以上是AT89C51单片机芯片40条引脚的定义及简单功能说明，读者可以对照实训电路找到相应引脚，在电路中查看每个引脚的连接使用。 4.5 RAM 、 ROM 存储器 AT89C51单片机的芯片内部有RAM和ROM两类存储器，即所谓的内部RAM和内部ROM AT89C51的程序存储器用于存放编好的程序和表格常数。 AT89C51片内有4 KB的
18、ROM，8751片内有4 KB的EPROM，8031片内无程序存储器。AT89C51的片外最多能扩展64 KB程序存储器，片内外的ROM是统一编址的。如端保持高电平，AT89C51的程序计数器PC在0000H0FFFH地址范围内 (即前4 KB地址) 是执行片内ROM中的程序，当PC在1000HFFFFH地址范围时，自动执行片外程序存储器中的程序；当保持低电平时，只能寻址外部程序存储器，片外存储器可以从0000H开始编址。 AT89C51的程序存储器中有些单元具有特殊功能，使用时应予以注意。 其中一组特殊单元是0000H0002H。系统复位后，(PC)=0000H，单片机从0000H单元开始取
19、指令执行程序。如果程序不从0000H单元开始，应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，以便直接转去执行指定的程序。 还有一组特殊单元是0003H002AH，共40个单元。这40个单元被均匀地分为5段，作为5个中断源的中断地址区。其中： 0003H000AH 外部中断0中断地址区 000BH0012H 定时/计数器0中断地址区 0013H001AH 外部中断1中断地址区 001BH0022H 定时/计数器1中断地址区 0023H002AH 串行中断地址区 中断响应后，按中断种类，自动转到各中断区的首地址去执行程序，因此在中断地址区中理应存放中断服务程序。但通常情况下，8个单元难以存下一个完整的中
20、断服务程序，因此通常也是从中断地址区首地址开始存放一条无条件转移指令，以便中断响应后，通过中断地址区，再转到中断服务程序的实际入口地址。 AT89C51内部数据存储器 内部数据存储器低128单元，AT89C51的内部RAM共有256个单元，通常把这256个单元按其功能划分为两部分：低128单元（单元地址00H7FH）和高128单元（单元地址80HFFH）。如图4-2所示为低128单元的配置图如图4-2所示 图4-2 第5章 煮饭功能和保温系统 5.1 单片机控制系统 单片机是电饭锅的控制核心，由它发生各项指令来完成电饭锅的测量和控制1、加热板是主加热器；2、保温加热器主要用于保温加热；3、锅底
21、传感器和锅盖传感器的主要用途是在蒸煮过程中，通过传感器的电阻随温度变化特性，感知锅内温度；4、微动开关主要用于当忘记放入内锅而按下加热开关时进行保护；5、当电饭锅接通电源进入烹煮后，单片机便对由传感器检测的信息作适时分析，并判断温度的变化，按照预先设定的程序，在电饭锅的各种温度阶段发出不同的指令，控制不同的部件完成相应的功能。在蒸煮过程中，单片机通过温度传感器的温度变化率推断米粮 和水量，从而控制输出不同的平均功率。同时，还通过传感器的变化，判断出是否为空锅还是传感器有故障，从而发出报警信号，并切断电源。另外，单片机还根据用户所选功能，输出相应的控制电平，控制功能指示灯，在不同功能、不同阶段，
22、显示器也分别作出相应阶段的显示及时间计数显示。 5.2 电饭锅系统的期望升温曲线以电饭锅煮饭为例，从食品营养的角度来分析，电饭锅煮饭过程可分为吸水、 加热、 沸腾、 焖饭、 膨胀和保温六个阶段。根据对 900W 输入功率的电饭煲实际参数的测量，综合各种期望指标，绘制出如图 5-1所示的期望升温曲线。各阶段持续时间如表5-1所示。 图5-1 电饭锅升温曲线 表5-1 各阶段持续时间表 5.3 煮饭的六个阶段1) 吸水阶段：t0t2 ，持续 8min，作用是在一定温度下进行吸水，大米含水率从大约15%上升到25%以上，使后面的大米加热更均匀；这个阶段本文设计温度上限取 5255。2) 加热阶段：t
23、1t2，对电饭煲进行持续的加热，使水温不断升高，温度均匀上升，大米继续吸收水分并开始淀粉化。从营养学角度考虑，加热阶段的时间对米饭的质量有极大影响，综合米饭化程度、 还原糖量、 硬度、 粘结力和人们品尝后的味道评价等指标，本文设计加热时间为10min。3) 沸腾阶段：t2t3 ，首先在100左右维持一段时间，使大米深度吸水，并在较高的温度作用下促进淀粉的化。本文设计温度将升高到125。4) 焖饭阶段：t3t4，持续 1012m in，这个阶段的作用是使能量透入到米饭的芯部，使米粒充分受热，并蒸发掉多余的水分。营养学及现有经验表明：焖饭阶段的温度保持在105110，且焖饭之后的米饭含水率若在 6
24、5%70% 左右时食用口感最好。5) 膨胀阶段：t4t5，此阶段的作用是使米饭松化。这个过程在焖饭温度下降到一定程度时 (本文设计取值 103)马上进行加热。这次加热会使米饭的水分进一步蒸发，米饭进一步变得松软；当温度升高到一定程度 (本文设计取值 113)停止加热，米饭转而进一步放热；处于这种放热状态的米饭，就可以变得充分松软。6) 保温阶段：t5以后，在电饭煲的温度下降到 70时开始，根据需要，若使米饭维持在 70恒温，能保证米饭最优质量的存放时间不低于 8h 。 5.4 保温加热器的控制 加热板进行炊饭加热时，锅底传感器不断地将温度信息传递到微处理器，当水分大量蒸发，锅底没有没有水的时候
25、，其温度会超过100，此时微处理器判别米饭已熟。便可跳到保温模式，启动锅盖加热器和设置在电饭锅四周的加热器。第6章 继电器和加热盘电路设计 6.1 继电器电路单片机初始化后的P3.0为高电平，5伏电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态给，如果我们在程序中单片机一条：CLR P3.0的指令的话，相应三极管的基极就会被拉低到零伏左右，使相应的三极管截至，继电器就会断电释放，每个继电器都有一个常开转常闭的接点，便于在其他电路中使用，继电器线圈两端反相并联的二极管是起到吸收反向电动势的功能，保护相应的驱动三极管，这种继电器驱动方式硬件结构比较简单， 如图6-1所示。 图6-1如图6
26、-2所示，为继电器实物。 图6-2 6.2 加热盘电路加热盘与220V市电直接相连，分为主、副加热靠，并且分别对其采用继电器和可控硅来控制功率。 图6-3所示是加热盘电路，图6-4是加热盘实物，主加热器是电饭煲的基本加热单元，是实现各种加热功能的基础，采用盘状的外观所以也被称为加热盘。加热盘与电饭煲的内胆(内锅)底部紧密接触以便更高的利用加热所产生的热能，其中继电器功能是在其选定工作模式或冷饭再加热时控制其加热功率，单片机通过P30口对继电器进行控制。副加热盘电热丝的加热功率由双向可控硅控制，单片机通过引脚P31口给可控硅发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。其中串联在继电
27、器回路的熔点为160的热保险丝，当温度达到160时，热保险丝会熔断，防止加热盘干烧。 图6-3 图6-4 6.3 外观设计 每个人都有自己的思想，有自己的理念一样的，我做电饭煲，自然我也对她的整体，有这一个大概粗略的看法。只是可能被接受的程度不一样罢了，就像知名品牌，他们的所生产的电器设备一样，都具备自己的风格，那才叫完整的产品，你说对不?在我的想法里，现在人们的温饱都已基本解决，接下来想的就是怎样去，改善生活质量了吧！当然，电饭煲这个小电器，已经走进了相当多的家庭里，也可能一个家庭，都已换了，好几代了。但我也不排除，有的家庭，还从来就有过这个东西。既然是设计产品，我自认为，有点不切实际，但完
28、全可以拿我做的东西，来自我小小的满足一下成就感。我的理念是：简单、大方、实用如图6-5所示 图6-5第7章 部分程序 7.1 主函数/*=*/ nain()函数/*=* #include #include lcd1602.h #include ds1302.h void delayms(unsigned int cont)unsigned int i,j;for(i=0;icont;i+)for(j=0;j120;j+);void main()systemtime datetime;char datestring9,timestring9;lcdint();ds1302init();lcdou
29、tput(0,0,Date: );lcdoutput(0,1,Time: );while(1)ds1302gettime(&datetime);date2str(&datetime,datestring);time2str(&datetime,timestring);lcdoutput(6,0,datestring);lcdoutput(6,1,timestring);delayms(300); 7.2 DS18B20 驱动函数/*=*/* ds18b20 function */*=*/#include #ifndef ds18b20_h_#define ds18b20_h_sbitds=P2
30、4;/*延时操作*/voidds18b20_delay(unsignedint x)unsignedinta,b;for(a=x;a0;a-)for(b=10;b0;b-);/*复位操作*/voidds18b20_reset(void)/sendresetandinitializationcommandunsignedinti;ds=0;i=103;while(i0)i-;ds=1;i=4;while(i0)i-;/*读取一位数据*/bitds18b20_bitread()unsignedinti;bitdat;ds=0;_nop_();ds=1;_nop_();_nop_();dat=ds;
31、i=8;while(i0)i-;return(dat);/*读取一个字节*/unsignedchards18b20_byteread()unsignedchari,j,dat;dat=0;for(i=1;i=8;i+)j=ds18b20_bitread();dat=(j1);/读出的数据最低位在最前面，这样刚好一个字节在DAT里return(dat);/*写入一个字节*/voidds18b20_bytewrite(unsignedchar dat)unsignedinti;unsignedchar j;bittestb;for(j=1;j1;if(testb)ds=0;_nop_();_nop
32、_();ds=1;i=8;while(i0)i-;elseds=0;i=8;while(i0)i-;ds=1;_nop_();_nop_();/*获取温度*/voidds18b20_gettemp(unsigned char *integer,unsigned char *decimal,unsigned char *symbol)unsigned char high,low,temp;ds18b20_reset();ds18b20_delay(1);ds18b20_bytewrite(0xcc);/寻址总线上所有的器件ds18b20_bytewrite(0x44);/发起温度测量操作ds18
33、b20_reset();ds18b20_delay(1);ds18b20_bytewrite(0xcc);/寻址总线上所有的器件ds18b20_bytewrite(0xbe);/读取scracphadlow=ds18b20_byteread();high=ds18b20_byteread();temp = high4;/获取符号位if (0=temp)/正数(*symbol) = 0;(*integer) = (high4);(*decimal) = (low&0x0f)*10/16;else/负数(*symbol) = 1;(*integer) = (high4);/处理补码(*decima
34、l) = 10 - (low&0xf)*10/16;if (10=*decimal)(*integer) +=1;(*decimal) = 0;#endif /*_ds18b20_h_*/ 7.3 DS1302 驱动函数/*=*/*ds1302Driver */*=*/ #ifndef _ds1302_h_#define _ds1302_h_sbit ds1302_clk =P26;/实时时钟时钟线引脚sbit ds1302_io=P27;/实时时钟数据线引脚sbit ds1302_rst=P25;/实时时钟复位线引脚sbit acc0=ACC0;sbit acc7=ACC7;typedefs
35、tructunsignedcharsecond;unsignedcharminute;unsignedcharhour;unsignedcharweek;unsignedcharday;unsignedcharmonth;unsignedcharyear;systemtime;/定义的时间类型#define ds1302_second0x80#define ds1302_minute0x82#define ds1302_hour0x84#define ds1302_week0x8a#define ds1302_day0x86#define ds1302_month0x88#define ds1
36、302_year0x8c /*向DS1302总线写入一个字节*/voidds1302writebyte(unsigned char byte)unsignedcharloop;ACC = byte;for(loop=8;loop0;loop-)ds1302_io =acc0;/循环写入字符的8位ds1302_clk = 1;/时钟线拉高ds1302_clk = 0;/时钟线拉低ACC = ACC1;/*从DS1302总线读取一字节数据*/unsignedchards1302readbyte(void)unsigned char loop;for (loop=8;loop0;loop-)ACC = ACC1;acc7 =ds1302_io;/读取总线数据ds1302_clk = 1;/时钟线拉高ds1302_clk = 0;/时钟线拉低returnACC;/*向DS1302指定地址写入一个字节*/void ds1302write(unsignedcharaddr,unsignedcharbyte)ds1302_rst = 0;ds1302_clk = 0;ds1302_rst = 1;