带语音的智能电饭煲控制器

、

本 科 毕 业 设 计 (论 文)

带语音的智能电饭煲控制器的设计

Design of Intelligent Controller of Electric

Rice Cooker with Voice

学 院：

专业班级：

学生姓名：

指导教师： __ 理学院______________ ___ 光信息科学与技术 光信121__ ___、__ 学 号： 、 __ 、______

2016 年 06 月

目 录

1 概述............................................................. 1

2 智能电饭煲可实现的功能........................................... 1

2.1 电饭煲煮饭原理................................................. 1

2.2 控制器功能介绍................................................. 2

2.3 设计方案介绍................................................... 5

3 STC12C5A60S2单片机的硬件及软件编程环境 ........................ 5

3.1 STC12C5A60S2单片机简介 ...................................... 5

3.2 控制器硬件介绍................................................. 7

3.2.1 温度传感器DS18B20 .......................................... 7

3.2.2 时钟芯片DS1302 ............................................. 9

3.2.3 液晶FYD12864 ............................................... 9

3.2.4 音频解码芯片MP3-TF-16P .................................... 10

3.3 软件编译环境.................................................. 10

4 系统硬件设计.................................................... 11

4.1 系统硬件设计.................................................. 11

4.1.1 芯片简介.................................................... 11

4.1.2 电源滤波电路................................................ 12

4.1.3 复位电路.................................................... 12

5 系统软件设计..................................................... 13

5.1 主程序介绍..................................................... 13

5.2 主程序流程说明................................................. 13

结 论............................................................. 14

致 谢............................................. 错误！未定义书签。

参 考 文 献........................................................ 15

1 概述 电饭煲，又被人们叫作电锅、电饭锅，是一种新型多功能的烹饪器具，能够将电能转化成内能。当今时代，科学技术迅猛发展，科技产品日新月异。人们在

日常生活中对各类家用电器也提出了越来越多的要求，电饭煲也不例外。它经历

了从简单到复杂，从纯手动到半自动化、全自动化和智能化产品升级的过程。然

而，由于智能化电饭煲价格居高不下，不能被大众家庭接受。一种领先于老式电

饭煲，且价格低廉、具有语音功能的人性化的电饭煲的设计是有相当大的市场竞

争力的。

2 智能电饭煲可实现的功能

2.1 电饭煲煮饭原理

普通电饭煲的结构组成部分：①发热盘 ②保温开关 ③限温器 ④杠杆开关

⑤限流电阻 ⑥插座 ⑦指示灯

①发热盘：

电饭煲煮饭加热的主要部件是发热盘。电饭煲通电之后，发热盘内有的电阻

发热丝产生了内能。根据金属的导热原理，发热盘将热能传递给了电饭锅。简而

言之，电饭煲煮饭就是发热盘给内锅加热的过程。

②保温开关：

又被人叫作恒温器，保温开关的工作原理主要利用的是双金属片的在不同温

度表现的不同的伸缩率。双金属片由两片不同的金属片组成，区别在于两片金属

片的热伸缩率是不同的，这就是导致双金属片能够控制电饭煲加热保温的主要原

因。电饭煲温度大于80℃的时候，此时两片金属片表现出来的伸缩率不同，将

双金属片向上顶起弯曲；与之相反，当温度小于80℃的时候，两金属片会复原。

金属片在温度80℃上下浮动时，它的状态是不同的，从而控制着加热部分。使

得加热部分的装置能够自动的连接电源和断开电源，达到保温的效果。

③限温器：

又被人称作磁钢。取下电饭锅的内锅，在发热盘的中央，我们就能够观察到

它。限温器主要利用的是居里温度的退磁效应。当开始煮饭的时候，按下炊饭开关，电饭煲内的发热盘通电加热，是水温迅速的达到沸点。当加热一段时间后，

锅内的水分在大米的吸收下和加热导致水分蒸发后逐渐减少。进而在锅底形成一

层糊精，此时锅底温度将再次上升。由于感温磁钢的磁性随着温度的升高而减小，

当温度达到居里温度点的时候，磁钢就会失去大部分的磁性。这时限温器的弹簧

弹力大于磁钢的吸力，弹簧顶起，带动杠杆开关断开电源，结束发热盘的加热过

程，从而达到限温的作用。

④杠杆开关：

杠杆开关完全应用了机械原理。煮饭的时候，按下炊饭开关，联动杠杆开关，

电源供电，加热指示灯亮。当限温器因居里温度的退磁效应发挥作用的时候，杠

杆开关切断电源，保温的指示灯亮。此后电饭煲内的温度由保温开关控制。

⑤限流电阻：

限流电阻与发热管串联，减少电路中流通的电流，起到分压的作用，从而保

护发热管，避免发热管被烧毁。

电饭煲的煮饭原理：

利用磁钢的居里温度退磁的效应达到煮饭的目的，电饭锅放好了米之后，按下了煮饭开关，此时的磁钢吸合，发热管通电了，开始煮饭过程。因为有了水的

存在，磁钢在锅底检测到的温度不会超过100℃，磁钢在这个温度的时候不会分离，电饭锅会一直处于一个加热的状态。当米饭被煮熟了之后，水被米吸干了，

从而会在锅底形成了一层糊精，这个时候，锅底的温度在发热管的加热下会超过

100℃，当温度达到了140℃时，磁钢到达居里温度点（退磁效应），磁钢的磁性消失，弹簧即会将吸合的磁环分开，杠杆开关断开，电饭锅进入了保温状态，

而磁钢在温度恢复到了环境温度后，磁性会自行的恢复，以便下次煮饭。

2.2 控制器功能介绍

本次设计是设计一个带有语音功能的智能电饭煲控制器，用STC12C5A60S2

单片机做控制器的核心。根据煮饭专家的加热曲线模拟整个煮饭过程中的各种情

况，并且对电饭煲的操作和各种状态进行语音提示。本设计中包括有吸水过程、

快速升温，保沸，小火焖饭，保温等5种煮饭模式，同时实时显示电饭煲的温度。

煮饭专家加热曲线

1、吸水过程（t0～t1）

通常的情况下，大米本身里面大概含有了14%的水分。为了使米粒的内部受

热能够均匀，让它能够烧成柔软膨胀状，根据煮饭专家的加热曲线，在开始煮饭的过程后，小功率低温加热一段时间。低温加热最终要使得大米的含水率达到

25%左右。值得注意的是米中含有的β淀粉在水温超过60℃之后，将会转化成α

淀粉，表现成糊状。一般的情况下水温应该保持在35℃左右，低温加热10分钟～

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分钟之后，方可达到理想的吸水效果。

浸泡时间和含水率的变化

2、快速升温（t1～t2） 吸水过程后，电饭煲采用大功率来加热大米，让水温能够较快的达到沸点，

在加热的过程中，升温的速度要求适当。经过多方的收集米饭的α化度、硬度、还元糖量、粘着力、色泽在不同升温的过程中的数据，综合分析过后发现：加热

的过程大概持续10分钟，这样烧出来的米饭的效果才是最好的。

3、保沸状态（t2～t3）

当电饭锅内的水温达到沸点温度后，电饭煲继续通电加热，使水保持沸腾的

状态。直到米粒里的大部分的β淀粉完成转变，转换变成了α淀粉。因为持续加

热的缘故，电饭锅内的水分会不断的被米粒吸收掉或者蒸发掉。继续加热了一段

时间过后，电饭锅内的水分会被米粒吸干，在锅底的米粒最后会形成一层薄薄的

糊精，这一层薄薄的糊精将最终导致锅底的温度超过100℃，达到居里温度点。

这个时候电饭锅会停止加热，这样能够使得水分较少的残留在米粒上，使得米粒

的颗粒更加均匀、色泽感更强。综合分析煮饭的各种结果，可以得出结论:保沸

状态应该保持在20分钟左右，同时合理的断电温度可以更好的保证米饭的质量。

4、小火焖饭（t3～t4）

在保沸状态过后，停止加热。一段时间后，再次通电加热，使得剩余的水分

完全蒸发掉，保证了米饭的质量。

5、保温状态（t4～t5）

小火焖饭状态过后，电饭锅就会进入保温的状态，此时电饭锅内的温度要保

持在70℃左右，等待使用者食用。

米饭的保存温度和米饭的变化

本次基于STC12C5A60S2单片机开发带语音的智能电饭煲的控制器的设计

具有以下的功能：

使用者可以根据个人的需求对煮饭的过程设定相应的温度后，每当电饭锅内

温度达到特定的温度，电饭锅将发出对应的语音提示，同时能根据显示器观察到

当前电饭煲加热的温度，以便使用者了解电饭锅的煮饭状态。

2.3 设计方案介绍

利用STC12C5A60S2单片机开发带语音的智能电饭煲的控制器，控制系统

原理框图如图所示。按键来开始煮饭过程，显示电路将通过温度传感器实时显示温度和状态。根据程序的设定，通过单片机控制最终完成对继电器状态的控制，

判断加热系统是否需要加热，电源部分分别供给单片机系统和外围电路5V 的电

压，并且对加热盘（使用水泥电阻模拟加热盘的工作原理）进行加热。

控制系统原理构成框图

3 STC12C5A60S2单片机的硬件及软件编程环境

3.1 STC12C5A60S2单片机简介

当今时代，科学技术迅猛发展，科技产品日新月异。在竞争激烈的今天，宏

晶科技研发出了新一代51单片机，即STC12C5A60S2系列单片机。和旧版相比，

它青出于蓝而胜于蓝。兼容了旧版的指令代码，速度较之快了8～12倍。

1、增强型的8051CPU （即1T ，1024G ），兼容了旧版的指令代码；

2、STC12C5A60S2单片机的工作电压：5.5V ～3.3V ；

3、单片机的工作频率范围：0MHz ～ 35MHz；

4、用户应用程序的空间有8K 、16K 、 20K 、32K 、 40K 、 48K 、 52K 、 60K 、 62K字节；

5、单片机上集成了1280字节RAM ；

6、通用I/O口(36/40/44个) ，单片机复位后：准双向口/弱上拉。

具有的四种模式：①准双向口/弱上拉 ；

②推挽/强上拉；

③仅为输入/高阻；

④开漏；

每一个I/O口的驱动能力都能够达到20mA ；

7、采用ISP/IAP，能够通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户的程序，速度快，使用方便；

8、有EEPROM 功能；

9、单片机内部具有集成MAX 810专用的复位电路；

10、外部掉电时检测电路:在P4.6口有一个低电压门槛比较器；

11、时钟源：外部是高精度晶体（时钟），内部是R/C振荡器。常温下，单片机5.0V 时，内部R/C振荡器的频率是11MHz ～15.5MHz ；单片机3.3V 时，内部R/C振荡器的频率是8MHz ～12MHz 。由于存在制造误差和温漂，因此最后以实际测试为准；

12、共有4个16位定时器；

13、2个时钟输出口；

14、外部中断I/O口：7路, 传统的下降沿中断或者低电平触发中断。新增了支持上升沿中断的PCA 模块；

15、PWM （2路）/PCA（可编程计数器阵列，2路）：

①可以当2路D/A使用；

②可以用来实现2个定时器；

③可以用来实现2个外部中断；

16、A/D转换： 8路有10位精度ADC ，转换速度：250K/S(即转换25万次/

每秒钟) ；

17、通用全双工异步串行口(UART)：由于CPU 是高速的8051，所以能够实

现多串口方式有①定时器；

②PCA 软件；

18、S2标志后缀的单片机有双串口；

19、单片机的工作温度范围：工业级的范围是 -40℃～ +85℃ ，商业级的

范围是0℃～ 75℃；

20、封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48；

21、看门狗。

STC12C5A60S2管脚图

3.2 控制器硬件介绍

3.2.1 温度传感器DS18B20

温度传感器DS18B20与DS1820的应用和功能是基本相同的。只是因为分辨

率的不同，所以采集到的温度值的位数不同，另外温度转换的延时时间也从2

秒缩短到750毫秒。低温度系数晶振的振荡频率不随着温度的变化而变化。此时

计数器1接收到的脉冲信号，这种信号是固定频率。对于高温度系数晶振的振荡

率而言，温度的变化造成的影响则很明显，该信号输入计数器2。预置温度寄存

器和计数器1一个基数值，这个数值与它们在-55℃时的值所对应。计数器1接

收到了信号，这个时候计数器1显示的数值开始递减，也就是说减法计数。在它

计数减到0的时候，温度寄存器的数值也会随着计数器的变化而变化，数值加1。

计数器1的数值减到0之后，重新载入预置值，从头开始。当计数器2计数到0

时，此时寄存器显示的数值就是测量到的温度。

温度传感器DS18B20接线方便，可以改变它的外观以适应各种场合。众多非

极限温度场合都能够使用封装后的温度传感器（如洁净室，锅炉，高炉水循环，

机房等场合）。即使在各种狭小空间设备中该传感器也能适用，实现数字控制和

测温。

技术性能描述：

1、 独特的单线接口方式，让微处理器和DS18B20的双向通讯仅需要一条端

口线。

2、 它的测温范围在 －55℃～+125℃，存在着固有测温误差1℃。

3、 能够支持多点组网的功能，即使在唯一的三线上也能实现多个温度传感

器并联，最多能够使8个传感器并联，实现多点测温的功能。如果数量过多，供

电电源就会因为电压过低，导致传输的信号不稳定。

4、 温度传感器DS18B20的工作电源: 3.0 ～ 5.5V/DC

5、 在使用时不需要其他的外围元件

6、 测量结果将会以9 ～ 12位的数字量方式串行传送

7、 不锈钢的保护管直径是 Φ6

8、 能够适用在各种狭小空间设备测温

9、 使用标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2

10、使用方便，PVC 电缆或者德式球型接线盒出线, 其它电器设备连接便利。

3.2.2 时钟芯片DS1302

时钟芯片DS1302是一款高性能、低功耗的实时时钟芯片。为了实现同步通

信，该芯片采用CPU 和SPI 三线接口。时钟芯片DS1302同样可以用于数据记录，

另外能够实现同时记录数据和出现该数据的时间的功能，因此在众多测量系统中

被广泛应用。

技术性能描述:

1、该芯片有31×8位暂存数据存储RAM ；

2、采用串行I/O口方式，这让该芯片的管脚数量很少；

3、时钟芯片DS1302的工作电压：2.0～5.5V ；

4、时钟芯片DS1302的工作电流：电压2.0V 的时候, 电流小于300nA ；

5、读/写时钟或者RAM 数据的时候，它具有两种传送方式：①单字节传送②

多字节传送；

6、封装有：①8脚DIP 封装②可选的8脚SOIC 封装（主要根据表面装配的

需要）；

7、采用简单3线接口；

8、和TTL 兼容（Vcc=5V）；

9、时钟芯片DS1302的温度范围是： -40℃ ～ +85℃；

10、时钟芯片DS1302和DS1202是兼容的；

11、时钟芯片DS1302在DS1202的基础上增加的特性：

①对Vcc1，DS1302有涓流充电的能力；

②附加了7字节的暂存存储器；

③双电源管，可以采用主电源和备份电源供电；

④备份电源管脚，能够使用电池或者大容量电容输入；

3.2.3 液晶FYD12864

液晶显示器FYD12864具有可选的4位或8位并行、2线或3线串行等多种接

口方式，它的分辨率是128×64，内部含有128个16×8的点阵字符，并且提供8192

个16×16点阵汉字。该型号还以低电压低功耗著称，电源电压为+3.0V ～ +5.5V，

由于它内置DC-DC 转换电路，所以不需要外加负压。和同类型的液晶显示器相比，

它的硬件电路和显示程序都比之简洁，简单的操作指令就能完美驾驭它。

3.2.4 音频解码芯片MP3-TF-16P

音频解码芯片MP3-TF-16P 是一款能够提供串口的语音模块，它完美的集成

了MP3、WMA 、WAV 音乐格式的硬解码。该芯片支持TF 卡驱动。简单的串口指令

就能够实现播放指定的音乐的功能，因此使用该芯片其实很方便。

3.3 软件编译环境

Keli uVision4软件是目前用来开发51系列单片机选用的软件之一，集成开

发环境uVision 将C 语言编译器、连接器、宏汇编、库管理和仿真调试器完美的

整合在一起。

本设计使用Keli uVision4 软件把写好的程序编译成机器码，再将HEX 能够

执行的文件下载到单片机STC12C5A60S2内。 编译过程：

（1）选择【开始】，找到Keli 软件，双击图标打开软件；

（2）点击打开窗口上面的【Project 】的选项，然在点开的选项内找到【New uVision

Project 】，新建一个工程文件，此时界面上将会出现一个对话框，新建一个文件

夹，用学号作为新建文件夹名。点击文件名是学号的文件夹，单击【打开】，在

编辑框中输入一个名字（本设计中命名为“智能电饭煲”），然后点击【保存】

按钮。

（3）保存后会弹出一个新的对话框，这个对话框要求选择使用的CPU 型号，我

采用的芯片型号是STC12C5A60S2，在程序提供的型号中找不到该型号。因为

51内核的单片机有通用性，所以我在本次设计中选用的是ATMEL 公司的89C52

芯片。展开所有芯片，找到我所选择的“AT89C52”，然后点击【OK 】按钮，

完成选择。

（4）选择芯片后，因为我要添加一个C 语言的源文件到这个工程中，所以在软

件提示是否复制一个源文件到该工程的时候，我选择了否。

（5）执行上一步后，打开菜单栏中【File 】的选项，点击【New 】新建一个空白

文件，为了防止电脑因某些特殊原因断电或者死机从而影响写程序的过程，我首

先将文件命名为“main ”保存在文件夹中，由于我采用的是C 语言编程，所以

保存的文件后缀名是“.c ”。

（6）工程建立后，在主文件中写入设计的程序。在仿真之前，我对工程做了进

一步的设置，以便满足程序的仿真要求。打开菜单栏中的【Project 】选项，点击

【Option for target】，软件界面弹出工一个新的对话框，在【Target 】页面，【Xtal 】

后面的数值表示的是晶振频率值，由于我选择的芯片型号是AT89C52，因此晶

振频率值是24M 。【Memory Mode】用于设置RAM 的使用情况，这里我采用的

默认的方式，也就是【Small:variables in DATA】。在设置ROM 空间的

【Code Rom Size】框中，我采用的是全部64K 空间，即【Larget:64k program】

模式。【Operating system】项中，我采用了该项的默认值【None 】。

（7）选择【Output 】页面，在该页面中，将【Creat HEX File】项选中，选中该

项后，在编译程序的时候才能生成程序代码 “.hex ”文件，“.hex ”文件可以下载都单片机中，完成工程设置后，点击【OK 】按钮返回编辑界面。

（8）开始编译程序，打开菜单栏中【Project 】选项，点击【Rebuild all target files】

按钮进行编译。经过编译，程序没有问题，可以使用。 4 系统硬件设计 4.1 系统硬件设计

由单片机STC12C5A60S2控制的电饭煲控制器的硬件原理图如下图所示，

它包括电源滤波电路，复位电路以及一个USB 接口电路。STC12C5A60S2是系

统的核心部分。

电路原理图

4.1.1 芯片简介

单片机STC12C5A60S2，因采用的是1T 增强型的CPU, 所以更具有竞争力。

和旧版相比，它青出于蓝而胜于蓝。兼容了旧版的指令代码，速度较之快了8～

12倍。与此同时，该款单片机对开发设备的要求也大大的降低了，缩短了开发

时间。另一方面，由于它的应用广泛，生产供应多，且价格低廉，所以性价比也

高。

4.1.2 电源滤波电路

电源电路提供+5V的直流稳压源给单片机，并且通过降压、整流、滤波后给

继电器供电，电源滤波电路图如图所示：

4.1.3 复位电路

电源滤波电路 复位电路

5 系统软件设计

5.1 主程序介绍

5.2 主程序流程说明

根据本次设计具体的要求，整个系统设计分为几个主要的模块，主程序流程

如图所示：

结 论

煮饭专家的加热曲线

在开始煮饭的10分钟内，电饭煲内水温会维持在35℃左右，此时单片机进

行语音提示：吸水过程。这10分钟的吸水过程可以让电饭煲中大米的含水量达

到25%。在后续的煮饭过程中，大米内部能够受热均匀，最终烧成柔软鼓胀状。

10分钟后，电饭煲进入快速升温阶段，单片机进行语音提示：快速升温，

电饭煲通过大功率加热的方式让水温达到沸点，整个加热过程大概持续10分钟。

当水温达到沸腾时，由于电饭煲内依然还存在少量水分，此时单片机进行语

音提示：保沸状态。电饭煲内小功率加热让水保持沸腾，直到锅内的水分全部消

耗光。由于没有水的缘故，在电饭煲的锅底会形成一层薄薄的糊精，从而会使得

锅内的温度持续上升。

在温度上升到140℃的时候，利用磁铁的居里温度退磁效应使电饭煲断电。

单片机进行语音提示：小火焖饭。由于此时的电饭煲内的温度高于常温，而且电

饭煲断电不再加热了，米粒的温度将会持续的下降。

当温度下降到了70℃的时候，单片机进行语音提示：保温状态。此时保温

开关开始工作，通过一系列关于米饭最适保存温度的研究表明：米饭的温度应该

保持在67℃～78℃之间。在这个温度范围内，米饭既不会由于高温出现保温臭

的情况，也不会滋生众多的细菌。

随着科技的发展，人们在日常生活越来越多的追求便利的家用电器，然而智能电饭煲的价格始终居高不下，使得大众迫切希望有一款价格便宜而且更便利的电饭煲。本次设计完美考虑到了各种因素，在采用常规的电饭煲的煮饭原理的基础上，添加了语音功能。并且整个煮饭的过程完全根据煮饭专家的加热曲线来进行设计，这将会使得电饭煲煮出来的米饭更加可口和科学。

参 考 文 献

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[7] 卢官明等编. 数字音频原理及应用[M].北京：机械工业出版.2005.1

[8] 沈耀忠. 任志纯. 半导体开关元件原理及应用[M].北京:电子工业出版社.1996.6.

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[10] TOM PETERS and LORY BELL.The Future Of Potable Devices Is The ‘PITs’[J] COMPUTERS IN LIBRARIES MARCH 2006. 42(3)22-25