电压力锅控制板设计开发

从电压力锅的结构上来说，它的发展从一般的简易式电加热高压锅开始，只是改变加热的方法，其控制不精良，也难实现自动控制，随着市场的需求，电压力锅在原来的结构基础上作了相当大的改变，出现了压紧式密封与浮动式密封的锅盖分离结构。在功能操作和技术应用方面，除传统的机械控制外，还增加了不少的电子控制方式，这大大提高了电压力锅的安全性、功能性及自动控制能力。

一、电压力锅的结构

电压力锅除了如图3-1所示的一些基本装置：密封装置，排气装置，控制电路，锁定装置，内胆，温控装置，电热装置，定时装置等，有的系统还会包括一些安全装置，如：开盖安全装置、泄压装置、合盖安全装置及其他软件实现的保护装置等，其中，开盖安全装置的作用是当压力锅内有一定压力时，无论什么原因，锅盖将无法打开，避免锅内压力伤人；合盖安全装置是在锅盖与锅身尚未完全扣合时，加热器应处于断开状态，避免压力上升造成爆锅；限压排气阀是烹饪过程中为使锅内压力保持在一定压力范围，软件控制排气阀的开关来控制压力达到最佳烹饪效果的装置；泄压装置是在限压排气阀失灵时，泄压装置可以手动进行泄压从而保证安全。

二、电压力锅工作过程及功能设计

电压力锅工作过程为：使用者放入食物，合上盖（盖开关检测到已合上），得电，蜂鸣器长鸣一声，LED显示全8，电压力锅进入待机状态，此状态无显示，无报警，即不做任何动作；若选择功能键、选择保压时间、预约时间（可选），且按开始键，电压力锅开始工作：LED七段显示屏显示工作状态；上、下温度传感器检测温度，数据传送到CPU进行分析计算，以模糊神经网络为控制器，根据温度和压力的正比关系，同时以干簧管测得锅内压力值为依据；按相关专家炊煮工艺曲线控制温度及压力，控制温度的方式表现为通过单片机输出PWM波形控制继电器的通断，从而控制加热功率；控制压力的方式表现为控制电磁阀的通断来控制排气阀的开关。控制结束时在开盖前必须保证锅内气压在安全气压范围，否则机械电气互锁使盖无法打开，这时需要紧急手排气或手动排气，直至气压为低于0.05个大气压时方可开盖。除此之外，各种安全意外防范措施更是必不可少。

下面就整个过程实现的功能作如下说明：

（1）定时/预约功能：用户可以根据个人口感和爱好选择保压时间，如个人喜爱食物偏软即将保压时间调长，实现定时，最高定时时间为120分钟；用户可以根据自己日常作习预约开机及进行智能化动作的时间，如早上八点出门前预约下午5点开机，到预定时间电压力锅自动开机进行工作，实现预约功能。

（2）功能选择：可选择的功能有煮饭、粥、汤、牛羊肉、蹄筋、鸡鸭肉、鱼、鸡翅、蒸蛋、蛋糕、烙饼等，实现一锅多用。

（3）智能控制：设计者根据专家炊煮曲线，结合智能控制技术，来控制炊煮过程，使用者只需选择食物种类，后续工作完全由单片机控制，用户实现一键控制。

（4）故障检测：故障检测包括传感器开路、短路检测，无锅检测，欠压、过压检测（指电压），过流检测，超温检测，超压检测（指压力）及其他意外故障检测等。

（5）报警、提示功能：电压力锅自开机时，CPU检测并判断到有异常情况，或者电压力锅按用户的设置完成任务时，蜂鸣器及显示器会根据需要给予报警或提示。

（6）保护功能：开机后，CPU检测到故障时应做出动作，避免对器件造成损坏；设计者根据用户日常使用碰到的问题，如干烧等，在控制系统中加入防干烧功能，考虑到蒸汽压力带来的危害性,特加入多重保护如加热时间自动控制系统,异常压力排除系统,自动卸压系统,压力旋钮紧装置,这些系统保在在烹饪开始后,旋钮自动锁住锅盖,若未锁住或有异常情况,则系统自动进行卸压,从而保证压力锅的安全。

（7）关机处理：关机信号主要来自于键盘、故障及报警检测、定时时间到、其他外部中断及完成炊煮过程进入保温状态等。检测到关机信号即关闭所有控制。

三、控制系统功能实现硬件设计

电压力锅控制系统硬件设计结构框图如图3-2，其硬件系统主要分为电源板和控制板，电源板提供单片机供电电源+5V，提供电磁阀、继电器驱动电路及电源+15V等，控制板主要由单片机控制信号的输入与输出，并对采集的信息进行分析计算根据相关规则给出控制策略。下面我们就主要的功能结构分模块介绍。

3.1单片机及其周边电路

（1）CPU：CPU是控制系统的硬件核心，单片机的选取尤为重要，我们以功能合适、稳定可靠且经济实惠为原则，选择在家用电器应用中已有一定地位的Holtek系列单片机。智能电压力锅对温度的控制要求较高，硬件方面要求检测具有较高的精度，这就对单片机的A/D转换精度提出一定要求，我们选取经济型A/D转换HT46F49单片机，如图3-3为单片机工作最小系统图。该单片机包含集成的4通道9 bit A/D转换器，两通道8位的脉冲宽度调制输出，23个I/O口。同时包含极强的内部特性，如内置晶体和RC振荡驱动电路（可根据需要自行选择）、具有PFD功能、暂停、唤醒功能、看门狗定时器、低电压监测自动复位、可编程分频器等，这种低功耗高性能的特性增强了单片机的使用灵活度，在实际应用时只需添加较少的外部器件，即而降低了整个产品的成本。

（2）A/D转换：A/D转换的质量在电压力锅检测系统中起着至关重要的作用，检测系统结构框图如图3-4。

图3-4中传感器将采集的信息进行A/D转换，单片机将转换结果进行分析处理，然后传给执行机构，可见A/D转换的结果直接影响着检测量的准确度。HT46F49芯片具有4个A/D转换器输入，所有的模拟输入与PB口的I/O引脚共用。如果这些引脚被用来作为A/D输入而不是一般的I/O引脚，则A/D转换控制寄存器ADCR中相应的位必须被正确的设定。掩膜选项内不包含A/D功能，如果这些引脚作为I/O引脚使用，仍可以通过掩膜选项选择是否要接上拉电阻，然而如果作为A/D输入使用，则这些引脚上的上拉电阻会自动失效。

（3）PWM：PWM寄存器为8位，表示输出波形中每个调制周期的占空比，通过给相应的PWM寄存器设置特定的值，PWM功能可提供占空比可调而频率固定的波形，为了提高PWM调制频率，每一个调制周期被调制两个或四个独立的调制子区段、。当使用PWM时，只要将所需的值写入相应的PWM寄存器内，单片机的内部硬件会自动地将波形细分为子调制周期。将原始调制周期分成2个或4个子周期的方法，使产生更高的PWM频率成为可能，只要产生的PWM脉冲周期小于负载的时间常数，PWM输出就比较合适，这是因为长时间常数负载将会平均PWM输出的脉冲。

3.2电源分配、加热盘功率驱动电路

图3-7中在进入安规电容CO及压敏电阻RZ之前串入保险丝防止电流过大烧坏电路，U、Q点因加入稳压管稳定在+15V，供给继电器电源，CD7805输入+5V电压供给单片机电源。

加热盘功率驱动的方式主要有两种，分别为继电器控制和晶闸管控制，采用晶闸管式驱动的优点是响应快且平滑，适宜频率高的系统，缺点是检测及连接不方便、不安全且电路复杂，虽然对系统工作无影响，但是在维修或用户私自拆卸时，极易造成危险，为了保证安全及从设计方便和成本方面考虑，我们选用继电器驱动方式，虽然其采用开关式控制，温度的平滑性相对不如晶闸管移相控制好，但安全。继电器的驱动电路由晶体管、电阻和继电器组成，PD1/PWM1输出PWM波形通过三极管控制继电器的开断。

3.3电磁阀控制电路

电磁阀处于锅顶部，所用的型号是D型框架式推拉式电磁铁。工作原理：得电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，推动阀门；失电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门回到原来位置，我们将该原理应用到设计中，电磁阀得电时，阀门前的触头向外推动排气阀，阀开，锅内气体向外排出，失电时，阀门触头回到原状态，排气阀关闭，锅内气体无法向外排出，实现了用电磁阀控制排气阀的开关，控制电路图如3-8所示，通过两个三极管的通断来控制电磁阀。具体的软件设置只需要设置pa5端口为输出，_pa5c=0;_pa5=1;得电阀开，延时一段时间后设置_pa5=0，失电阀关。

3.4温度检测电路设计

对于温度的测量技术，一般分为两种：接触式测温和非接触式测温。本系统由于测温物体的特殊性，采用非接触式测温，优点是对测温场无影响，可以测量区域的温度，缺点是测量存在很大误差，结构复杂，需要经过多次试验减小误差。NTC是负温度系数热敏电阻的缩写，是一种以过渡金属氧化物为主要原材料，采用电子陶瓷工艺制成的热敏半导体陶瓷元件，这种元件的电阻值随温度的升高而降低，利用这一特性可制成测温，温度补偿和控温元件。

总结

本文分析了电压力锅的结构及工作原理，在原有电压力锅基础上进行改造，设计出安全且实用的功能模式，介绍了CPU的特性及相关硬件电路设计，包括电源模块、温度检测模块、电压检测模块、电磁阀、继电器驱动模块，掉电储存、按键显示报警模块等。

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