智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計*

　　梁啟文¹，龍世瑜¹，李葉龍²，譚淼泉¹，葉津宏¹（1.嶺南師范學(xué)院 信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524048；2.嶺南師范學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 湛江 524048）

　　摘 要：分析了智能電飯煲煮飯溫度曲線的特點，提出一種智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方案，此方案通過STM32對電飯煲的鍋頂溫度、鍋底溫度和控制發(fā)熱盤加熱的繼電器占空比進行數(shù)據(jù)采集，將電飯煲加熱過程曲線通過LabVIEW圖形編程軟件進行顯示、存儲及回放。

　　通過實驗測試表明：該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以將電飯煲煮飯曲線及參數(shù)清晰地顯示在界面上，方便開發(fā)人員分析電飯煲煮飯溫度與加熱控制之間的關(guān)系，開發(fā)多種加熱模式，調(diào)整不同米種的加熱曲線。

　　關(guān)鍵詞：智能電飯鍋；溫度傳感器；STM32；LabVIEW軟件

　　0 引言

　　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)能根據(jù)不同的大米品種、軟硬口感對應(yīng)不同蒸煮曲線，各種蒸煮曲線排列組合可達數(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、推進高端技術(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、水量和溫度是電飯煲煮出口感好、香噴美味米飯的決定性因素，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、燜飯及保溫幾個階段來實現(xiàn)，最佳的加熱曲線如圖1所示^[3]。

　　1）預(yù)熱（吸水）階段：用小火加熱，讓溫度升高到米不會糊化的50 ℃左右。此時，大米在中溫中充分吸水，使米的含水率從原來的14%～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8 min ^[4]。

　　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，避免米飯出現(xiàn)夾生現(xiàn)象，控制加熱到沸騰時間約為10 min。

　　3）沸騰階段：保持鍋內(nèi)水溫在98 ℃以上，讓大米深度吸水，將大米中難以消化的β 淀粉轉(zhuǎn)化為容易消化的α 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150 ℃左右，停止加熱，沸騰結(jié)束，這一階段持續(xù)的時間約為20 min。

　　4）燜飯階段：燜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14 min^[5]。

　　5）保溫階段：溫度高時米飯會變質(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 ℃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)量的影響很大，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)節(jié)，實現(xiàn)加工過程中最佳加溫曲線的控制，對提高米飯的烹調(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)計

　　智能電飯煲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分主要包含：電飯煲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責檢測鍋內(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^[6]。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)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)采集引腳配置如表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/連接端口。前面板是圖形用戶界面，用戶可以在前面板上操作設(shè)計好的虛擬儀器。通過設(shè)計按鈕、開關(guān)、波形圖等圖標出現(xiàn)在前面板上，模擬真實儀器^[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，其中“VISA配置串口”VI為串口的初始化配置^[8]。一方面，它可以檢測到電腦上的可用“COM”口，用于配置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；通過串口的配置，可讀出STM32通過串口傳過來的數(shù)據(jù)，并暫存在它的接收緩沖區(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)把需要的數(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)，根據(jù)邏輯性接線，達到限幅抗干擾的效果。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出現(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)定一個限幅值，把當前采集的電壓數(shù)據(jù)與前一個采集的電壓數(shù)據(jù)進行比較，如果當前電壓和前一個電壓值的差值的絕對值超過限幅值，則認為當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，用該濾波器對曲線出現(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)系的確定

　　LabVIEW中頂部及底部的電壓轉(zhuǎn)換溫度公式，主要是通過MATLAB將多溫測試儀的實測溫度和LabVIEW所讀取的單片機串口輸入電壓，得出一條關(guān)于溫度與電壓關(guān)系的曲線，并將得到的曲線利用高階多項式進行數(shù)據(jù)擬合，從而得到電壓對應(yīng)溫度的公式^[9]。

　　電飯鍋頂部的擬合公式為：

　　Y ₁ = 2 7 . 0 3 7 × Z _{1 0} - 4 4 . 0 0 1 × Z ₉ -75. 2 ×Z₈+124.07×Z₇+72.347×Z₆-114. 4 ×Z₅-29.174×Z₄+32.891×Z₃-3.0309×Z₂-18.98×Z₁+84.8；其中，Z=(X₁-2.2979)/0.5332

　　電飯鍋底部的擬合公式為：

　　Y₂=0.056166×Z₁₀-0.42914×Z₉+0.78139×Z₈+1.3868×Z₇-5.3837×Z₆+1.4129×Z₅+9.2972×Z₄-7.7619×Z₃-1.5072×Z₂-14.127×Z₁+90.701；其中，Z=(X₁-1.4824)/0.4814。

　　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面上，將繼電器的驅(qū)動電壓信號放大60倍^[10]。

　　3.3 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，文件類型定義為lvm格式，用“布爾控件”來控制寫入，采集的數(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35 000點，此長度為波形圖橫坐標能顯示的最大長度，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)就可以不斷地輸出到波形圖，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”，當此控件為“真”，表明文件內(nèi)容已讀取完畢，while循環(huán)停止。此時，用“波形圖”控件將曲線在界面中顯示出來。在創(chuàng)建的“加載波形”控件中，當“加載波形”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，其驅(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峰與波谷，再識別出橫坐標，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后，注釋標識，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)顯示界面采取的設(shè)計方法是：捕捉鼠標在曲線上移動時的坐標值，用“字符串數(shù)據(jù)顯示”控件將捕捉到的坐標值顯示在數(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”：鼠標移動，而該事件結(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)，檢測鼠標移動的事件，一旦鼠標移動，觸發(fā)鼠標移動事件，內(nèi)嵌在里面的程序便會被執(zhí)行^[11]。

　　4 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。由于圖中采集到的是整個煮飯過程的曲線，采集時間約為3 600 s（1 h），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)據(jù)與多路溫度測試儀同時采集到的數(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)計了智能電飯煲溫度采集系統(tǒng)，可靠實現(xiàn)對智能電飯煲的頂部溫度曲線、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量開發(fā)工具。

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　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第35頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）