AT89S51单片机用于智能电饭煲的硬件分析
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摘要：随着新科技时代的到来，越来越多的新型智能化家电融入了我们的生活。而电饭煲作为与人们生活息息相关的家电，其功能也向着智能化的方向发展。本文主要探研究的内容是如何实现电饭煲自动煮饭、煮粥的功能。本文以美的FS406电饭煲为原型，分析了其控制面板上的核心功能。分析了at89s51单片机在其中的应用。
关键词：AT89S51单片机 智能电饭煲 硬件分析与应用
新时代的智能化家电，从字面意义上我们就能很好的理解，即相对科技起步以前，在电器的控制上具有一定的人工智能功能和便捷功能的新一代家电。很多高科技技术已经逐渐运用到家电上面，使家电的控制系统能够具有类似于人的智能行为，比如自我调节，自我修正或者自我学习等等【1】。但是想要实现这些现代化和智能化的功能，仅仅通过一些简单的逻辑电路之类已经是很难做到的。所以，这就要求使用更为复杂的控制方法，例如本所介绍的电饭煲所使用的嵌入式系统，利用这嵌入式系统，可以很轻松的用程序实现整个过程控制。在新一代的家庭电器中，使用嵌入式控制系统进行各种功能的控制已经形成了一种趋势。目前，无论是在国外还是国内市场上销售的产品，如微波炉、电冰箱、洗衣机、电视机、DVD播放器等，很多新型号的电器都运用了这一技术。
电饭煲的发明已经半个世纪以前的事了，最早的电饭煲是由日本的公司于上个世纪50年代左右发明的，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。现在，我们正经历着一个电子科技技术和电脑技术飞速发展的时代，电脑芯片、网络和3G技术已经开始成熟和普及，成本也在大幅地下降，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心将电饭煲的控制技术作一次大的提升。我国从70 年代末开始生产电饭煲，第一台简易电饭煲是由湛江市家用电器工业公司于1976年生产的。国内电饭煲市场在最近一二十年开始了飞速发展，市场总量不断扩大，涌现了苏泊尔、美的等一线品牌。技术在不断的推陈出新、更新换代，越来越接近日本韩国等先进水平。例如本文研究用的模板电饭煲：美的FS406电饭煲，这款产品具有24小时预约定时，更实用方便，精确到10分钟，操作更加方便。它具有传统机械式产品所做不到的智能控温，保证米饭的可口程度，是新一代高科技电饭煲的典型代表。本文将分析电饭煲是如何以单片机为核心的嵌入式系统应用到电饭煲上，以实现电饭煲烹煮可口的基本设计要求。
因此，单片机在智能电饭煲控制系统中的应用，以单片机为核心，包括温度传感器部分、时间预约部分、LCD电子显示屏部分、外部键盘接口、加热盘部分、蜂鸣报警器部分。使其具备智能电饭煲基本功能【2】。AT89S51芯片价格比较便宜，单片售价不超过5元。且性能强大，灵活性高，能够提供LCD液晶及外接按键实现人机交互，具有完整的输入输出、控制端口、以及内部程序存储空间。单片机是整个电饭煲的心脏，对系统起监控、调节作用，且进行相关处理。所以新型厂家在选择电饭煲心脏时，参考了以下标准：（1）内部资源：如果想要外部所接元件越少，那么所选择的单片机本身内部的存储资源就需要越多，这样可以提高系统的各项技术指标。（2）存储空间：单片机的内存容量以及可以扩展到外部的存储器要大于实际设计系统所需要的容量。（3）运行速度：设计时所选择的单片机，其运算速度要和系统匹配。（4）特殊功能：指的是安全及稳定性能、故障监视、断电之后保护系统和功耗低。（5）可用性：指的是所选择的指单片机是否可以被尽可能的开发和利用。对于硬件方面来说，新型的AT89S51可以兼容MCS-51的指令系统，其抗干扰能力很强并且功耗非常小，能够更好的节能。在程序修改方面，AT89C51可以直接用电源（+5V或12V）擦除。当然其工作电压范围比较大（2.7V-6V），这也是AT89C51被普遍应用的另一个原因。AT89S51单片机，其工作特性如下：（1） 含有4K个字节的可编程存储器，具有1000次可循环写/擦功能；（2） 其内部数据存储器容量很大（128*8），另外具有32个可供编程的I/O接口；（3） 含有两个六位的计数器和定时器，并且包含六个中断源；（4） 其全静态工作区域为：0Hz-24MHz；由上述工作特性参数可以看出AT89S51单片机的性能十分可靠，而且功耗非常低，功能很强大。因此，对于厂家在设计电饭煲来说AT89S51单片机是不二之选。
为本系统的其他电路提供工作所需要的电源。是由变压器降压后得到的交流电压经过全波整流电路和滤波电路变成电器用的直流电，再经过三固定输出电压的集成稳压电路的稳压输出稳恒直流电源，为单片机及其周围电路提供工作需要的电源0。LM7805三端稳压集成电路，能提供稳定电压，TO-220封装，应用宽广。内含过载、过流和过热保护电路。带散热片时，输出最大电流可达1A。集成稳压器7805硬件电路简单，系统功耗相当小，7805上不需要添加散热板。串接在7805稳压器2脚与地之间的稳压二极管VD1，可使输出电压的稳定性提高，输出电压Uo为稳压二极管VC1稳压值和7805稳压器输出电压之和[3]。可控硅及继电器的触发信号需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时，该电路的目的是检测交流220V电源信号，也可称之为交流电过零点检测电路。。在本文研究的电饭煲中，利用继电器来控制主加热盘在不同煮饭模式下的功率，使得煮饭过程中各时段温度不同，以便更好地加热米饭。单片机通过P3.1口对继电器进行控制。由双向可控硅控制加热片的电加热丝【4】，单片机通过引脚P3.2口给可控硅发信号，控制可控硅的导通角，从而使得加热丝的功率也可以自由调控，辅助主加热盘进行温度微调。而电饭煲的时钟电路，采用的是外部RC振荡方式，单片机内有一个用于反相放大器，其中两个引脚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。
复位模块对于整个电路的重要性是不言而喻的，当系统出现错误时，复位模块的重要性就体现出来了，通过这个模块，能使系统从新正常的工作。考虑到从电源接通到电源电压稳定需要一定的时间，故RC复位时间通常情况下都不会小于10ms。在正常工作状态下，振荡器温度后，如果RST引脚上一个高电平维持两个以上的周期，那么CPU就可以响应并使得系统复位【5】。显示器件采用LCD1602液晶显示器，适合电饭煲时间和功能的字符显示，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。单片机P0口用于对LCD的数据传输，P2.0～P2.2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【3】数字温度传感器DS18B20是利用单线端口通讯，在条件为单线端口时，建立 ROM 操作协议是进行存储器和控制操作的首要条件。
随着我们生活水平的提高，用微电脑控制的模糊电饭煲己经逐渐走入人们的日常生活。微电脑的电饭煲以其良好的煮饭效果，方便的使用特点，已经受到越来越多的居家生活的人们的喜爱。因此嵌入式控制系统越来越多的运用到了与人们平时生活息息相关的家用电器中，这给人们的生活提供了极大的便利，本文从通俗常见的电饭煲入手，在硬件方面，着重的介绍了各个模块其作用，加强了大家对新型单片机控制的电饭煲的认识，也证实了AT89S51单片机在新科技化设计和生产中的重要作用。基于此背景，我们还可以在此智能电饭煲的基础上填加一些更新的功能，比如物联网功能，能够通过使用者的意愿随时通过短信，邮件等媒介向电饭煲进行控制，更大程度上方便人们的生活。同时我也希望，新型号智能化家电能够越来越多的应用于生活当中，投入到社会主义建设中，为方便大家的日常生活以及加快社会主义现代化建设作出贡献。
参考文献：
[1] 朱欣华 姚天忠 邹丽新.智能仪器原理与设计. 中国计量出版社，2010：2-67.
[2] 李人厚.智能控制理论与方法. 西安电子科技大学出版社， 2007：39-100.