智能電飯煲數據采集系統的設計*

　　梁?jiǎn)⑽?sup>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(xiàn)的特點(diǎn)，提出一種智能電飯煲數據采集系統的設計方案，此方案通過(guò)STM32對電飯煲的鍋?lái)敎囟?、鍋底溫度和控制發(fā)熱盤(pán)加熱的繼電器占空比進(jìn)行數據采集，將電飯煲加熱過(guò)程曲線(xiàn)通過(guò)LabVIEW圖形編程軟件進(jìn)行顯示、存儲及回放。

　　通過(guò)實(shí)驗測試表明：該數據采集系統可以將電飯煲煮飯曲線(xiàn)及參數清晰地顯示在界面上，方便開(kāi)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(kāi)發(fā)多種加熱模式，調整不同米種的加熱曲線(xiàn)。

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

　　0 引言

　　目前，雖然在國內市場(chǎng)上銷(xiāo)售的智能電飯煲功能齊全，但不同的大米品種和海拔高度，其對應的煮飯曲線(xiàn)卻是唯一的。由于大米種類(lèi)不同、其吸水、海拔高度等特性也各異，使用同一個(gè)功率進(jìn)行加熱，煮出的米飯可能會(huì )出現夾生或口感不好等問(wèn)題^[1]。高端的電飯煲應能根據不同的大米品種、軟硬口感對應不同蒸煮曲線(xiàn)，各種蒸煮曲線(xiàn)排列組合可達數千種，各種參數數據是海量的。如何根據不同的大米選用不同的加熱曲線(xiàn)，保證烹飪效果，已成為行業(yè)技術(shù)研究的制高點(diǎn)。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(kāi)發(fā)一種智能電飯煲數據采集系統，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)借助系統研究和開(kāi)發(fā)新型電飯鍋，加快研發(fā)速度、推進(jìn)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)的轉型升級有重要意義^[2]。

　　1 智能電飯煲最佳的煮飯曲線(xiàn)

　　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(zhuān)家大量的實(shí)驗證明，要做出“香甜好米飯”， 智能電飯煲煮飯的過(guò)程必須要由：預熱、吸水、加熱、沸騰、燜飯及保溫幾個(gè)階段來(lái)實(shí)現，最佳的加熱曲線(xiàn)如圖1所示^[3]。

　　1）預熱（吸水）階段：用小火加熱，讓溫度升高到米不會(huì )糊化的50 ℃左右。此時(shí)，大米在中溫中充分吸水，使米的含水率從原來(lái)的14%～15％達到約30％，米粒吸水膨脹，便于在加熱過(guò)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，大米持續吸收水分，米水混合物在較短時(shí)間內，加熱沸騰。在快速加熱的作用下，鍋內的米水進(jìn)行強烈對流，讓所有大米受熱均勻，避免米飯出現夾生現象，控制加熱到沸騰時(shí)間約為10 min。

　　3）沸騰階段：保持鍋內水溫在98 ℃以上，讓大米深度吸水，將大米中難以消化的β 淀粉轉化為容易消化的α 淀粉。同時(shí)，鍋內水分進(jìn)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，沸騰結束，這一階段持續的時(shí)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部，使米飯內外受熱均勻，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，從而使米飯持續膨脹而變得形態(tài)飽滿(mǎn)、晶瑩剔透、透芯松軟，這一階段持續的時(shí)間約為14 min^[5]。

　　5）保溫階段：溫度高時(shí)米飯會(huì )變質(zhì)、變色、損壞米飯的味道，因此，在保溫過(guò)程中，讓米飯的溫度保持在67～78 ℃之間，保證米飯在較長(cháng)時(shí)間內有較好的質(zhì)量。

　　從煮飯的整個(gè)控制過(guò)程中可以看出，溫度的控制對米飯質(zhì)量的影響很大，所以對電飯煲數據的實(shí)時(shí)采集及分析，及時(shí)對煮飯曲線(xiàn)進(jìn)行溫度調節，實(shí)現加工過(guò)程中最佳加溫曲線(xiàn)的控制，對提高米飯的烹調質(zhì)量具有重要的意義。

　　2 數據采集系統的整體硬件設計

　　智能電飯煲數據采集系統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(xiàn)，PC機等部分，整體結構框圖如圖2所示。

　　在智能電飯煲中，通常在鍋底中心和鍋?lái)敺謩e設置2個(gè)溫度傳感器（負溫度系數的熱敏電阻）采集信號。電飯煲頂部溫度傳感器主要負責檢測鍋內室溫的溫度，鍋底溫度傳感器主要是檢測初期水溫和內鍋溫度的上升率^[6]。而繼電器則是控制整個(gè)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(guò)程中采集到：鍋?lái)敎囟?、鍋底溫度及繼電器輸出電壓的數據（信號），經(jīng)過(guò)數據處理和轉換后，可通過(guò)LabVIEW軟件編程實(shí)現鍋?lái)敎囟惹€(xiàn)、鍋底溫度曲線(xiàn)和繼電器控制曲線(xiàn)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(shí)際為電壓信號，而不是溫度值。因此，采集到的數據須連接至STM32單片機I/O口的任意3個(gè)模擬輸入通道。經(jīng)過(guò)數據處理后，再通過(guò)串口線(xiàn)將STM32單片機連接連至PC機的USB接口，數據采集引腳配置如表1所示。

　　3 數據采集系統的整體軟件設計

　　在數據采集系統的顯示部分，可采用LabVIEW的編程來(lái)實(shí)現。LabVIEW程序被稱(chēng)為“虛擬儀器程序”，大體上可分為3個(gè)模塊：前面板，程序框圖，圖標/連接端口。前面板是圖形用戶(hù)界面，用戶(hù)可以在前面板上操作設計好的虛擬儀器。通過(guò)設計按鈕、開(kāi)關(guān)、波形圖等圖標出現在前面板上，模擬真實(shí)儀器^[7]。通過(guò)編程實(shí)現數據及曲線(xiàn)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 數據采集的設計

　　在LabVIEW中，具有專(zhuān)門(mén)用于串口通訊的VI函數如：VISA配置串口、寫(xiě)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(guò)串口的配置，可讀出STM32通過(guò)串口傳過(guò)來(lái)的數據，并暫存在它的接收緩沖區內，所以只要從它的接收緩沖區中取得數據，并進(jìn)行類(lèi)型轉換、數據分離、保留精度、濾波、限幅等，即可完成數據的接收、轉換、去干擾等工作。

　　由單片機上傳到LabVIEW的數據格式設置為“AA+繼電器狀態(tài)+BB+頂部電壓+CC+底部電壓”，數據由COM口傳至VISA讀取VI的讀取緩存區中，由于上傳到讀取緩沖區的數據為字符串，因此利用字符串截取函數把需要的數據按索引號截取，即可分離得到繼電器狀態(tài)、頂部電壓、底部電壓數據。同時(shí)對采集到的電壓數據進(jìn)行限幅、平滑濾波處理，濾除上傳電壓數據的干擾信號。

　　限幅編程，主要用到了“判定范圍并強制轉換”、“選擇”、“反饋節點(diǎn)”等函數，根據邏輯性接線(xiàn)，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(gè)采集的電壓與后一個(gè)采集的電壓有可能出現差值相差很大的情況，因此需對此情況進(jìn)行處理應對，處理方法為：設定一個(gè)限幅值，把當前采集的電壓數據與前一個(gè)采集的電壓數據進(jìn)行比較，如果當前電壓和前一個(gè)電壓值的差值的絕對值超過(guò)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(gè)電壓值取代當前采集的電壓值。平滑濾波，使用LabVIEW函數庫里的濾波器VI，用該濾波器對曲線(xiàn)出現的“毛刺”進(jìn)行濾波，使曲線(xiàn)更平滑。

　　3.2 數據轉換的設計

　　1）“電壓-溫度”關(guān)系的確定

　　LabVIEW中頂部及底部的電壓轉換溫度公式，主要是通過(guò)MATLAB將多溫測試儀的實(shí)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(xiàn)，并將得到的曲線(xiàn)利用高階多項式進(jìn)行數據擬合，從而得到電壓對應溫度的公式^[9]。

　　電飯鍋?lái)敳康臄M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”數據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據輸入至擬合的電壓轉溫度公式，得出鍋?lái)敽湾伒诇囟刃盘?。繼電器狀態(tài)信號無(wú)須轉換，為了方便觀(guān)察和分析繼電器、頂部溫度和底部溫度曲線(xiàn)，使三種曲線(xiàn)在同一界面上，將繼電器的驅動(dòng)電壓信號放大60倍^[10]。

　　3.3 數據存儲程序

　　用“寫(xiě)入測量函數”將轉換后數據保存在PC機內的存儲單元中，文件類(lèi)型定義為lvm格式，用“布爾控件”來(lái)控制寫(xiě)入，采集的數據保存在PC機LVM文件中。

　　3.4 信號顯示程序

　　1）實(shí)時(shí)顯示

　　將處理好的三種數據信號輸送至VI信號收集器的輸入端，為了可以看到完整曲線(xiàn)變化過(guò)程，信號收集器的數據存儲長(cháng)度設為35 000點(diǎn)，此長(cháng)度為波形圖橫坐標能顯示的最大長(cháng)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)下執行，while循環(huán)的條件設為真，使其能夠一直運行，這樣數據就可以不斷地輸出到波形圖，實(shí)時(shí)顯示曲線(xiàn)的變化。

　　2）波形回顯及占空比的讀取

　　通過(guò)讀取PC機中已存儲的數據文件，創(chuàng )建顯示控件“加載完畢”，當此控件為“真”，表明文件內容已讀取完畢，while循環(huán)停止。此時(shí)，用“波形圖”控件將曲線(xiàn)在界面中顯示出來(lái)。在創(chuàng )建的“加載波形”控件中，當“加載波形”為真，內嵌在真分支的程序執行，為假則不執行，以此來(lái)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，其驅動(dòng)波形為矩形波，在采集系統中通過(guò)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(shí)現波形占空比的讀取。通過(guò)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 數據顯示界面

　　數據顯示程序的流程圖如圖4所示。

　　數據顯示界面采取的設計方法是：捕捉鼠標在曲線(xiàn)上移動(dòng)時(shí)的坐標值，用“字符串數據顯示”控件將捕捉到的坐標值顯示在數據框。程序主要內嵌在事件結構的一個(gè)分支：“溫度波形”：鼠標移動(dòng)，而該事件結構又內嵌在一個(gè)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(dòng)的事件，一旦鼠標移動(dòng)，觸發(fā)鼠標移動(dòng)事件，內嵌在里面的程序便會(huì )被執行^[11]。

　　4 智能電飯煲溫度采集系統實(shí)驗測試

　　4.1 讀取波形回顯數據

　　系統設計完成后，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(diǎn)接到STM單片機的A/D轉換I/O口，通過(guò)串口轉USB發(fā)送到PC機，利用采集系統將電壓轉換為溫度，將采集到的數據存儲在PC機中，選擇“波形回顯”就可見(jiàn)頂部溫度、底部溫度和繼電器控制的曲線(xiàn)，圖5為采數據集數據的回顯。其中，上為底部溫度曲線(xiàn)，中為頂部溫度曲線(xiàn)，下為繼電器的加熱狀態(tài)曲線(xiàn)。由于圖中采集到的是整個(gè)煮飯過(guò)程的曲線(xiàn)，采集時(shí)間約為3 600 s（1 h），因此，在顯示界面中見(jiàn)到的繼電器控制曲線(xiàn)是很密集的，如需要觀(guān)測局部曲線(xiàn)，可利用軟件中的展開(kāi)功能，將局部曲線(xiàn)展開(kāi)進(jìn)行觀(guān)測。

　　4.2 實(shí)驗測試結果分析

　　從智能電飯煲數據采集系統采集到的數據與多路溫度測試儀同時(shí)采集到的數據取出部分進(jìn)行對照。從測量結果分析，根據數據采集系統顯示的曲線(xiàn)與及多溫測試儀顯示的數據基本相吻合，而抽取部分關(guān)鍵數據進(jìn)行對比分析，誤差小于5%，可滿(mǎn)足實(shí)際要求。

　　5 結語(yǔ)

　　在系統設計過(guò)程中， 借助于單片機STM32及LabVIEW虛擬儀器技術(shù)，設計了智能電飯煲溫度采集系統，可靠實(shí)現對智能電飯煲的頂部溫度曲線(xiàn)、底部溫度曲線(xiàn)及繼電器功率控制的占空比進(jìn)行數據采集、顯示及回放，使整個(gè)測量、處理、分析數據的過(guò)程變得更加方便，數據誤差小于5%，為企業(yè)研究和開(kāi)發(fā)新型電飯煲提供了便捷的測量開(kāi)發(fā)工具。

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　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第35頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）