模糊控制技术在微波炉中的应用

文章编号:1009-2439(2000)03-0195-04

模糊控制技术在微波炉中的应用

周鲜成

(湖南商学院,湖南长沙410205)

摘要:对微波炉的模糊控制系统结构和模糊控制原理进行了深入的探讨,并分析了其控制电路的组成和软

件系统的设计。

关键词:微波炉;模糊量;模糊推理;模糊控制中图分类号:T M925.54 文献标识码:A

收稿日期:2000-04-15

微波炉是一种正在得到广泛应用的家用电器。一般的微波炉工作之前,都需由用户确定食物的类型和数量,并预置工作时间。但工作时间的设定往往不尽人意。工作时间过短,则烹煮效果不好;工作时间

过长,对于水份少的食物,可能会产生过热炭化的现象。而模糊控制的微波炉通过模糊推理控制,可以自动根据食物的类型、数量、温度等多种因素,确定工作时间,保证烹煮的效果符合人们的要求。

1　微波炉的模糊控制系统结构

模糊微波炉控制系统结构如图1所示。它主要由输入电路的红外线检测、温度检测、湿度检测以及按键和炉门开关;单片机;输出电路的显示器、磁控管控制电路,加热丝控制电路、炉腔照明电路和报警电路等组成。

图1　微波炉的模糊控制系统结构

2　输入量的检测

2.1　红外线检测电路

红外线检测电路由红外敏感元件和放大电路组成,红外敏感元件必须正对被微波作用的食物。其作用是用于检测被烹煮食物的内部温度。食物的内部温度可以用以下公式求取:

T =[W Π(ε?

δ)]1Π4

其中:W 是放射量,也即是食物放出的能量;ε是放射率;δ是斯蒂芬———波尔兹曼常数。

由红外线检测所测出的食物能量,可以直接送入单片机中,经计算处理即可得出食物的内部温度T ,这个食物内部温度T 可作为一种模糊控制的输入量。2.2　湿度检测电路

湿度检测电路由湿度敏感电容和有关放大电路组成。湿度传感器安装在微波炉的排气孔附近。其作用是用于测定食物的含水量的多少。

一般来说,含水量越多的食物,用微波炉加热的时间就越短,效率也就越高。因此对食物的湿度检测可以为食物微波加热时间的确定和功率的设置提供一定的依据。

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2000年6月Journal of Shaoyang C ollege Jun ,2000

2.3　温度检测电路

温度检测电路中的温度传感器安装在炉腔内,其作用是用于检测炉腔温度,以供保温或特殊加热时使用。

2.4　按键输入

通过按键输入待烹食物的类型,经单片机处理即可得到食物的一些特征信号,如食物的损耗系数和食物的比热。通过按键输入烹煮方式,即可选择不同的微波功率。2.5　炉门检测

炉门开关用于检测炉门的现行状态,当炉门打开时,一方面应停止磁控管工作,以防微波泄漏;另一方面,应接通炉腔内的照明灯,以便于用户取放食物。

3　模糊量与模糊推理

在模糊微波炉中,需要考虑的主要因素有:食物类型,食物重量,食物温度,微波功率和工作时间。而模糊微波炉要实现模糊控制最重要的是自动推断出食物重量和微波炉工作时间。3.1　模糊量定义

输入模糊量:食物温升ΔT;食物比热c ;微波功率P

输出模糊量:食物重量m ;烹调时间t

食物的温升ΔT (℃)取7个模糊量:“很小”(VS )、“小”(S ),“中小”(MS )、“中”(M )、“中大”(小)、“大”

(L )、“很大”

(V L )。比热C (J/kg.k )取5个模糊量:“IH ”(S )、“中小”(MS )、“中”(M )、“中大”(M B )、“大”

(B )。微波功率P (W )取5个模糊量:“小”(S )、“中小”(MS )、“中”(M ),“中大”(M L )、“大”

(L )。重量m (kg )取5个模糊量:“很轻”(V L )、“轻”(L )、“中”(M ),“重”(H )、“很重”(VH )。工作时间t (min )取7个模糊量:“很短”(VS )、“短”(S )、“中短”(MS )、“中”(M )、“中长”(M L ),

“长”(L ),“很长”

(V L )。3.2　食物重量的推理

食物重量是通过模糊推理得出的,它取决于食物的比热和食物被加热之后的温升。食物重量的推理形式采用Mamdani 推理,推理的条件语句为:

if C and ΔT then m 推理规则表如表1所示,它共有35条语句。

表1　食物重量模糊推理规则表

m

ΔT

VS S MS M M L L V L C

S VH VH H M L V L V L MS H H M L L V L V L M H M L L V L V L V L M B M L L V L V L V L V L B

L

L

V L

V L

V L

V L

V L

表2　P =1000W 时的工作时间模糊推理规则

t

C

S MS M M B B m

V L VS VS VS VS VS L VS VS VS VS VS M VS VS VS VS VS J VS S MS MS MS VH S

MS

M

M

M L

3.3　工作时间的推理

在实际中,由于烹调方式有所区分,即微波功率不同,所以,在推理中分别把食物比热、食物重量和微波功率作为推理的前件,工作时间作为推理的后件。

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在进行模糊推理时,由于比热、重量和输出功率均有5个模糊量,所以会有5×5×5共125条规则。为

方便起见,可把功率固定为某一种状态,考虑比热和食物的推理过程。

当微波炉取单点模糊量时,如P =1000W ,则其工作时间的模糊推理规则如表2所示。

4　模糊控制硬件系统的组成

微波炉控制系统的结构如图2所示。其核心是单片机MC6805R3,按其电路结构,可分为电源、检测电路、单片机、按钮,显示电路和驱动电路

。

图2　微波炉控制电路结构

在电源部分,除产主+5V 直流稳压电源外,还有过零信号检测电路,其作用是产生和过零时刻相应的负脉冲信号,此过零负脉冲信号送到单片机的中断信号输入端I NT ,用于产生过零中断,以便进行磁控管过零通断电控制和加热丝移相调压控制。

由检测电路检测得到的红外信号、湿度信号,温度信号分别送入单片机的AN 0,AN 1,AN 2端,其中D 1为红外信号接收二极管,C 1为湿敏电容。

炉门检测由开关K 执行。

按键电路用于输入食物的类型和烹调方式(即选择烹调功率)。在系统中共有N 1～N 5,NA ～NC 8个按钮,其中N 1～N 5用于输入食物类型,NA ～NC 用于输入烹调方式。

启动按钮N 也处于键盘之中,按下N ,发光二极管D 2亮,表示微波炉工作。再次按下N ,D 2熄,微波炉停止工作。

显示电路由4个用作扫描开关的晶体管T 1～T 4和4个7段发光二极管显示器组成,用于显示工作时间等信息。

在磁控管工作时,微波搅拌器和食物转盘会同时工作,所以对这三种对象采用同一控制电路。当单片机的P B 7,输出高电平时,晶体管T 5导通,双向晶闸管A 1导通,则变压器BT 的初级通电,故而次级有电压产生,磁控管、转盘及搅拌器一齐工作。A 1的导通和关断采用过零控制,且触发方式为负触发。磁控管的

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功率调节是采用占空比控制的,在实际中以5秒钟为一个周期,在全动率1000W 工作时,5秒钟全导通;在选择为800W 时,则工作4秒,停止1秒。如此类推。

晶体管T 6、双向晶闸管A 2用于控制加热丝L 2的工作。L 2的工作情况和磁控管相同,只是它

在占空比控制中不是以秒进行,而是以一个电源周波为基本开关单位进行的。

晶体管T 7和双向晶闸管A 3用于控制炉腔照明灯。

5　模糊控制软件系统的设计

模糊微波炉的控制软件由主控程序和过零中断程序两大部分组成。主程序主要进行模糊推理、微波加热、加热丝保温的顺序处理过程控制,过零中断程序主要用于进行周波计数、磁控管占空比控制、加热丝占空比控制。

主控程序如图3所示,主要包括五大部分:初始化部分、不定类型食物推理部分、特定类型食物推理部分、、加热丝工作部分。

参考文献

1　余永权,曾碧.单片机模糊逻辑控制[M].北京:人民邮

电出版社,1998.

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[M].上海:上海交通大学出版社,1998.

4　李佩禹.家用电器的微电脑控制[M].北京:人民邮电

出版社,1998.

On the Application of Fuzzy Control Technique in Microw ave Oven

Zhou X iancheng

(Hunan Business College ,Changsha ,410205)

Abstract :　The structure and the theory of fuzzy control system in microware oven are further probed ,and the com position of its pilot circuits and desing of its s oftware systems are analyzed.

K ey w ords :　microwave oven ,fuzzy quantity ,fuzzy alg orithm ,fuzzy control

(责任编辑　黄红华)

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