智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探討

1、智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)探討摘要目前，雖然在國內(nèi)市場上銷售的智能電飯煲功能齊全，但不同的大米品種和海拔高度, 其對應(yīng)的煮飯曲線卻是唯一的。由于大米種類不同、其吸水、海拔髙度等特性也各異，使用 同一個目前，雖然在國內(nèi)市場上銷售的智能電飯煲功能齊全，但不同的大米品種和海拔髙 度，英對應(yīng)的煮飯曲線卻是唯一的。由于大米種類不同、其吸水、海拔高度等特性也各異, 使用同一個功率進行加熱，煮出的米飯可能會出現(xiàn)夾生或口感不好等問題1。高端的電飯 煲應(yīng)能根拯不同的大米品種、軟硬口感對應(yīng)不同蒸煮曲線，種蒸煮曲線排列組介可達數(shù)千 種，各種參數(shù)數(shù)據(jù)是海量的。如何根據(jù)不同的大米選用不同的加熱曲線，保證烹飪效果，已 成為行

2、業(yè)技術(shù)研究的制高點。因此，面向新型智能電飯鍋產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新及產(chǎn)業(yè)升級的 迫切需求，開發(fā)一種智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以提升電飯鍋行業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)和測試水平, 使企業(yè)借助系統(tǒng)研究和開發(fā)新型電飯鍋，加快研發(fā)速度、推進髙端技術(shù)研發(fā)，提升產(chǎn)品技術(shù) 含量和質(zhì)量，助力電飯煲產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級有重要意義2。1智能電飯煲最佳的煮飯曲線大米、水量和溫度是電飯褒煮岀口感好、香噴美味米飯的決左性因素，而溫度控制 則是煮出高質(zhì)量米飯的關(guān)鍵因素。經(jīng)煮飯專家大量的實驗證明，要做出香甜好米飯”;，智 能電飯煲煮飯的過程必須要由：預(yù)熱、吸水、加熱、沸騰、炯飯及保溫幾個階段來實現(xiàn)，最 佳的加熱曲線如圖1所示31）預(yù)熱（吸水）階段

3、：用小火加熱，讓溫度升髙到米不會糊化的500 左右。此時，大米在中溫中充分吸水，使米的含水率從原來的24%15%達到約30%,米粒 吸水膨脹，便于在加熱過程中受熱均勻，這一階段大約需要8min4 2）加熱階段：用大火 加熱，大米持續(xù)吸收水分，米水混合物在較短時間內(nèi)，加熱沸騰。在快速加熱的作用下，鍋 內(nèi)的米水進行強烈對流，讓所有大米受熱均勻，避免米飯岀現(xiàn)夾生現(xiàn)象，控制加熱到沸騰時 間約為10mino 3）沸騰階段：保持鍋內(nèi)水溫在98回以上，讓大米深度吸水，將大米中難以消 化的B淀粉轉(zhuǎn)化為容易消化的a淀粉。同時，鍋內(nèi)水分進一步減少直到鍋底水分蒸干，米 飯溫度上升到250習(xí)左右，停止加熱，沸騰結(jié)束，

4、這一階段持續(xù)的時間約為20min4）刪飯階 段：炯飯的目的就是要讓熱量一部分深入到米粒的內(nèi)部，使米飯內(nèi)外受熱均勻，將米飯的精 華充分釋放，真正熟透，產(chǎn)生香味，而另一部分水分則蒸發(fā)掉，從而使米飯持續(xù)膨脹而變得 形態(tài)飽滿、晶瑩剔透、透芯松軟，這一階段持續(xù)的時間約為14min50 5）保溫階段：溫度髙 時米飯會變質(zhì)、變色、損壞米飯的味道，因此，在保溫過程中，讓米飯的溫度保持在67 78圄之間，保證米飯在較長時間內(nèi)有較好的質(zhì)量。從煮飯的整個控制過程中可以看出，溫度 的控制對米飯質(zhì)雖的影響很大，所以對電飯煲數(shù)據(jù)的實時采集及分析，及時對煮飯曲線進行 溫度調(diào)盯，實現(xiàn)加工過程中最佳加溫曲線的控制，對提髙米飯的

5、烹調(diào)質(zhì)量具有重要的意義。2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體硬件設(shè)汁智能電飯褒數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包含：電飯褒頂部溫度傳感器接口，電飯 煲底部溫度傳感器接口，電飯煲功率控制繼電器接口，STM32單片機，串口線，PC機等部 分，整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。在智能電飯煲中，通常在鍋底中心和鍋頂分別設(shè)置2個溫度 傳感器（負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻）采集信號。電飯煲頂部溫度傳感器主要負(fù)責(zé)檢測鍋內(nèi)室溫的 溫度，鍋底溫度傳感器主要是檢測初期水溫和內(nèi)鍋溫度的上升率。而繼電器則是控制整 個電飯煲的加熱功率。因此,利用單片機STM32的I/O 口獲取電飯鍋煮飯過程中采集到： 鍋頂溫度、鍋底溫度及繼電器輸出電壓的數(shù)據(jù)（信號），經(jīng)過數(shù)

6、據(jù)處理和轉(zhuǎn)換后，可通過 LabVIEW軟件編程實現(xiàn)鍋頂溫度曲線、鍋底溫度曲線和繼電器控制曲線的存儲、顯示和回放。 從電飯煲頂部溫度傳感器、底部溫度傳感器及功率控制繼電器接口采集到的信號實際為電壓 信號，而不是溫度值。因此，采集到的數(shù)據(jù)須連接至STM32單片機I/O 口的任意3個模擬 輸入通道。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，再通過串口線將STM32單片機連接連至PC機的USB接口，數(shù) 據(jù)采集引腳配苣如表1所示。3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體軟件設(shè)計在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的顯示部分，可采用LabVIEW的編程來實現(xiàn)。LabVIEW程序被稱為 虛擬儀器程序”;，大體上可分為3個模塊：前面板，程序框圖，圖標(biāo)/連接端口。前而板是 圖形

7、用戶界面，用戶可以在前而板上操作設(shè)計好的虛擬儀器。通過設(shè)計按鈕、開關(guān)、波形圖 等圖標(biāo)出現(xiàn)在前面板上，模擬克實儀器7通過編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)及曲線的存儲、溫度和繼電 器占空比波形顯示，程序框圖和流程圖如圖3所示。3.1數(shù)據(jù)采集的設(shè)計在LabVIEW中，具有專門用于串口通訊的VI函數(shù)如：VISA配置串口、寫入、關(guān)閉 等，貝中“VISA配巻串口”;VI為串口的初始化配創(chuàng)8。一方面，它可以檢測到電腦上的可用 “COM;口，用于配STM32插到電腦上的USB串口;另一方面，它可以設(shè)置好通訊所需的波 特率、檢驗位、停止位等，保證通訊的質(zhì)量;通過串口的配宜，可讀岀STM32通過串口傳過 來的數(shù)據(jù)，并暫存在它的接收緩

8、沖區(qū)內(nèi)，所以只要從它的接收緩沖區(qū)中取得數(shù)據(jù)，并進行類 型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)分離、保留精度、濾波、限幅等，即可完成數(shù)據(jù)的接收、轉(zhuǎn)換、去干擾等工作。 由單片機上傳到LabVIEW的數(shù)據(jù)格式設(shè)置為”AA+繼電器狀態(tài)+BB+頂部電壓+CC+底部電壓”;, 數(shù)據(jù)由COM 口傳至VISA讀取VI的讀取緩存區(qū)中，由于上傳到讀取緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)為字符串， 因此利用字符串截取函數(shù)耙需要的數(shù)據(jù)按索引號截取，即可分離得到繼電器狀態(tài)、頂部電壓、 底部電壓數(shù)據(jù)。同時對采集到的電壓數(shù)據(jù)進行限幅、平滑濾波處理，濾除上傳電壓數(shù)據(jù)的干 擾信號。限幅編程，主要用到了判定范圍并強制轉(zhuǎn)換”;、選擇;、”反饋節(jié)點”;等函數(shù)，根 拯邏輯性接線，達到

9、限幅抗干擾的效果。由于自由空間中存在很多干擾，前一個采集的電壓 與后一個采集的電壓有可能岀現(xiàn)差值相差很大的情況，因此需對此情況進行處理應(yīng)對，處理 方法為：設(shè)立一個限幅值，把當(dāng)前采集的電壓數(shù)據(jù)與前一個采集的電壓數(shù)據(jù)進行比較，如果 當(dāng)前電壓和前一個電壓值的差值的絕對值超過限幅值，則認(rèn)為當(dāng)前采集的電壓值為干擾項, 將其拋棄，并用前一個電壓值取代當(dāng)前采集的電壓值。平滑濾波，使用LabVIEW函數(shù)庫里 的濾波器VI,用該濾波器對曲線岀現(xiàn)的毛刺”;進行濾波，使曲線更平滑。3.2數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的設(shè)計1）“電壓-溫度”;關(guān)系的確圮LabVIEW中頂部及底部的電壓轉(zhuǎn)換溫度公式，主要是通 過MATLAB將多溫測試儀的實

10、測溫度和LabVIEW所讀取的單片機串口輸入電壓，得岀一條關(guān) 于溫度與電壓關(guān)系的曲線，并將得到的曲線利用髙階多項式進行數(shù)據(jù)擬合，從而得到電壓對 應(yīng)溫度的公式9。2）繼電器倍乘公式分離出讀取緩沖區(qū);數(shù)據(jù)端采集到的繼電器狀態(tài)以及頂 部電壓、底部電壓信號，將頂部電壓和底部電壓數(shù)據(jù)輸入至擬合的電壓轉(zhuǎn)溫度公式，得出鍋 頂和鍋底溫度信號。繼電器狀態(tài)信號無須轉(zhuǎn)換，為了方便觀察和分析繼電器、頂部溫度和底 部溫度曲線，使三種曲線在同一界而上，將繼電器的驅(qū)動電壓信號放大60倍10o3.3數(shù)據(jù)存儲程序用寫入測量函數(shù)“;將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)保存在PC機內(nèi)的存儲單元中，文件類型立義為Ivm 格式，用布爾控件;來控制寫入，采集的

11、數(shù)據(jù)保存在PC機LVM文件中。3.4信號顯示程序1）實時顯示將處理好的三種數(shù)據(jù)信號輸送至VI信號收集器的輸入端，為了可以看 到完整曲線變化過程，信號收集器的數(shù)據(jù)存儲長度設(shè)為35000點，此長度為波形圖橫坐標(biāo)能 顯示的最大長度,將”信號收集器;VI的輸出端接至波形圖輸入端，程序在while循環(huán)下執(zhí)行， while循環(huán)的條件設(shè)為真，使其能夠一直運行，這樣數(shù)據(jù)就可以不斷地輸岀到波形圖，實時 顯示曲線的變化。2）波形回顯及占空比的讀取通過讀取PC機中已存儲的數(shù)據(jù)文件，創(chuàng)建顯 示控件加載完畢”;，當(dāng)此控件為嗔”;,表明文件內(nèi)容已讀取完畢,while循環(huán)停止。此時, 用”波形圖”;控件將曲線在界而中顯示岀

12、來。在創(chuàng)建的咖載波形“;控件中，當(dāng)咖載波形“;為 真，內(nèi)嵌在真分支的程序執(zhí)行，為假則不執(zhí)行，以此來控制讀取文件工作。繼電器吸合控制 電飯煲的平均加熱功率，苴驅(qū)動波形為矩形波，在采集系統(tǒng)中通過波形的提取、識別繼電器 控制信號電壓的波唸與波谷，再識別出橫坐標(biāo),間接實現(xiàn)波形占空比的讀取。通過波形提取、 識別波峰與波谷分界處的橫坐標(biāo)后，注釋標(biāo)識，讀取占空比，完成占空比讀取。3.5數(shù)據(jù)顯示界面數(shù)據(jù)顯示程序的流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)顯示界而采取的設(shè)計方法是：捕捉鼠標(biāo)在 曲線上移動時的坐標(biāo)值，用字符串?dāng)?shù)據(jù)顯示“;控件將捕捉到的坐標(biāo)值顯示在數(shù)據(jù)框。程序 主要內(nèi)嵌在事件結(jié)構(gòu)的一個分支：溫度波形”;：鼠標(biāo)移動，而該

13、事件結(jié)構(gòu)又內(nèi)嵌在一個while 循環(huán)中，while循環(huán)”條件端子;接常量”真“;，讓其一直循環(huán)，檢測鼠標(biāo)移動的事件，一旦鼠 標(biāo)移動，觸發(fā)鼠標(biāo)移動事件，內(nèi)嵌在里而的程序便會被執(zhí)行11a4智能電飯煲溫度采集系統(tǒng)實驗測試4.1讀取波形回顯數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計完成后，將電飯鍋的頂部熱敏電阻、底部熱敏電阻和繼電器的采集點接到 STM單片機的A/D轉(zhuǎn)換I/O 口 ,通過串口轉(zhuǎn)USB發(fā)送到PC機，利用采集系統(tǒng)將電壓轉(zhuǎn)換為 溫度，將采集到的數(shù)據(jù)存儲在PC機中，選擇波形回顯”;就可見頂部溫度、底部溫度和繼電 器控制的曲線，圖5為采數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)的回顯。其中，上為底部溫度曲線，中為頂部溫度曲線， 下為繼電器的加熱狀態(tài)曲線。由

14、于圖中采集到的是整個煮飯過程的曲線，采集時間約為 3600s(lh),因此，在顯示界面中見到的繼電器控制曲線是很密集的，如需要觀測局部曲線， 可利用軟件中的展開功能，將局部曲線展開進行觀測。4.2實驗測試結(jié)果分析從智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)拯與多路溫度測試儀同時釆集到的數(shù)據(jù)取 出部分進行對照。從測量結(jié)果分析，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示的曲線與及多溫測試儀顯示的數(shù) 據(jù)基本相吻合，而抽取部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行對比分析，誤差小于5%,可滿足實際要求。5結(jié)語在系統(tǒng)設(shè)計過程中，借助于單片機STM32及LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，設(shè)汁了智能 電飯煲溫度采集系統(tǒng)，可靠實現(xiàn)對智能電飯褒的頂部溫度曲線、底部溫度曲線及繼電器功率 控制的占空比進行數(shù)據(jù)采集、顯示及回放，使整個測量、處理、分析數(shù)據(jù)的過程變得更加方 便，數(shù)據(jù)誤差小于5%,為企業(yè)研究和開發(fā)新型電飯煲提供了便捷的測呈開發(fā)工具。參考文獻:李2O14.HR-FD51智能方煲溫控方案及結(jié)構(gòu)改進設(shè)計研究D 廣州:廣東海洋大學(xué).2