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摘要：随着人们生活水平的提高，对米饭品质和口感的追求也越来越高。但在团餐领域高品质米饭蒸煮一直是个难题。绝大多数的食堂采用蒸箱蒸煮米饭，存在下层米饭烂，上层米饭硬，中间层还夹生等缺陷。
燃气直接加热煮饭，具有火力猛，加热速度快，米饭出品具有柴火香味等优势。但火力和蒸煮的時间如靠人为控制，不易保证稳定的米饭品质。因此我们设想开发一台，用单片机来自动控制火力和加热时间。并且摸索出一套合理的煮饭加热算法。以保证不依赖人的经验能稳定的煮出高品质的米饭。
关键词：高品质米饭，燃气加热，单片机控制
第一章 绪论
1.1背景
随着人们生活水平的提高，已由吃饱到追求吃好。但是在团餐领域，米饭的蒸煮问题一直没有很好的解决方案。大多数的食堂、餐厅仍在采用传统的蒸箱蒸米饭模式，但蒸出来的米饭往往下层烂，上层干，中间还夹生。
经过对日本高端电饭煲的研究和剖析，发现日本的电饭煲虽然品牌众多，但最后总结，米饭好吃就二点，一、米好。二、火力要足够的猛，而且要均匀。
因此，我们设想开发这么一台设备，直接用燃气作为加热能源，采用单片机自动控制燃气的火力和加热时间。和电饭煲一样，一键操作就能煮出香喷喷的米饭。
第二章 米饭蒸煮工艺的研究
2.1 稻米的结构
稻谷的解剖结构从外到里，主要由谷壳、种皮、谷皮、糊粉层、胚乳、胚、胚芽等。我们日常食用的大米，是由糊粉层、胚乳、胚组成。也称之为精米。
大米煮成饭的过程，就是淀粉糊化的过程。现有研究表明，稻米淀粉的糊化过程，实质上就是淀粉晶体的溶解，其中涉及了淀粉体形状的差异、淀粉体间排列的紧密程度、直链淀粉从淀粉体中的浸出、支链淀粉链的分子组成、淀粉晶体中支链淀粉双螺旋结构的断裂和分解等[1]。米饭的香气主要是由一些挥发性物质采生，比如壬醛、辛醛、3-辛烯-2-酮等 [2]。
2.2 米饭蒸煮的工艺研究和分析
为了制定合理的蒸煮工艺，我们研究了日本高端电饭煲的加热方式。
我们实测得到电饭煲的升温曲线。（图1）从曲线我们可以看出，电饭煲在一开始阶段升温并不迅速，升温到40度时有个明显的恒温阶段，约15分钟，这个阶段我们称之为浸泡阶段。然后后开始快速升温一直到煮沸这个阶段也差不多用时10分钟左右，这个阶段我们称之为快升阶段。煮沸时由于蒸气带走大量的热量，所以煮沸时进入第二个恒温阶段，我们称之为收干阶段，这个过程约持续了10分钟。然后进入了快速升温阶段。从电流监测看，进入到最高点时，已切断加热。我们称之为闷饭阶段。
经过研究我们得出以下结论：
（1）浸泡阶段
浸泡时间长短与米饭口感影响较大。但常温浸泡超过30分钟后，米饭口感几乎无区别。升高浸泡温度有助于缩短浸泡时间。
（2）快升阶段
升温速度和煮饭量有关。煮饭量少可以用小火慢升温方式煮饭，煮饭量大需用较猛的火需明显缩短加热时间才能获得较好煮饭效果。
（3）收干阶段
这个阶段，收干加热速度不宜过短，过短容易夹生。一般宜控制在10分钟左右。口感和米量多少区别不大。
（4）闷饭阶段
这个阶段时间控制在10～20分钟，和米量有关，米量大取大值，米量小取小值。
第三章 机械结构设计
3.1 燃烧系统的设计方案
本设计采用部分预混燃烧方式，又称之为大气式燃烧器。大气式燃烧器，由喷嘴喷出燃气带入部分空气。在炉头火孔处再一次扩散与空气进行二次混合燃烧。调节风门可以改变一次空气的比例。大气式燃烧方式具有燃烧稳定，所需一次空气量在一定范围内自动调节等优点。在家用煤气灶等有着广泛的应用。[4]
3.2 温度传感结构设计方案
为了避免温度传感器烧损，我们设计一套隔热方案（图2）。使探头仍旧能在锅底检测温度，极少受到燃气燃烧高温的影响。内外二层隔热罩，采用了高导热率的紫铜材料，表面镀镍防止高温氧化脱皮损坏。外层隔开大量的高温气流，和幅射热量的影响，内层再一次把穿透过来的温度迅速导热散发。使得传感器检测的温度尽量的接近锅体的实际温度。
3.3 整体结构
钣金，炉头，传感器，专用锅具组成了一个煮饭系统整体机械结构。（图3）当使用时门须处于合上状态。温度探头在弹簧的作用下自动贴紧底。
第四章 控制系统设计
作为一台燃气为加热源的设备，首选应考虑的是高温环境下的稳定性。意法半导体的STM8系列芯片其出色的高温稳定性正是我们所需要的。结合控制端口数的需求，最后选择型号为STM8L052C6T6作为主芯片。该芯片CPU位数8位，48脚封装，具有ROM大小32KB和RAM大小2KB，主频16M，工作电压1.8～3.6V。[5]
温度探头采用精度较高的热敏电阻，为了燃气燃烧安全，电路中特别设计了离子熄火保护。采用24V又通道开关阀作为燃气的切断和大小火切换控制。
具体电路设计交由专业线路板厂开发，在此不详细介绍。
第五章 煮饭程序设计
3.1 煮饭程序设计
为最佳米饭口感，把加热分为浸泡阶段，快速升温阶段， 收干阶段，闷饭阶段四个阶段处理。
（1）浸泡阶段
浸泡阶段流程图，程序预设定的浸泡温度（所有预设参数均可在操作界面调整，下同），当加热到此温度，自动熄火，系统温度会慢慢下降，当降到设定温度减5度时，系统又重新自动点火加热。程序预设浸泡时间，时间到进入下一阶段。同时设计热超时的报警程序，当系统燃气压力过低等火力不够时，系统没办法完成煮饭。这时报E4，中断本次煮饭。 （2）快速加热阶段
快速加热阶段预设结束温度，当加热到这个温度时，系统转入下一阶段。这个阶段也设計了一个最长加热时间18分钟，如果在这个时间内还未加热到设定的温度，则报E4。
最初的设计中，我们考虑了煮沸的自动判断。检测到煮沸自动切换火力。但实际测试中发现，燃气加热和我们设想不一样。根本检测不到这个温度停留，所以最后修改为设定一个固定的温度来切换火力，只要到达这个温度则视为煮沸。当然这个温度值也是反复试验最后确定的值。
（3）收干阶段
进入收干阶段切换成小火加热。6分钟内如果加热至119度则熄火进入闷饭。如果6分钟内达不到119度则转成大火继续加热至119度。最长时间限制在10分钟。10分钟后不管到不到119均熄火进入闷饭阶段。这个段阶不报错。因为大多数时候这个阶段就算达到119度，生米也煮成熟饭，报错中断煮饭进程没有意义。还不如继续进入闷饭，可能会局夹生或影响口感，但比不进入闷饭要强。
（5）闷饭阶段
闷饭阶段控制也是预设温度，只要系统不低于这个温度，就不点火加热，利用系统的余热闷饭。如果温度低于预温度，则启动点火加热直至预设温度。闷饭总时间预设控制。整个过程结束后，显示FFFF，并蜂鸣提示。
第六章 总结
经过调试，改良最终推出的成品，取得了较好的煮饭效果。在各个食堂，连锁餐饮得到广泛的认同。
参考文献
[1] 张艳霞，丁艳锋，李刚华等. 直链淀粉含量不同的稻米淀粉结构、糊化特性研究[J]. 作物学报，2007; 33 （ 7） ：1201-1205
[2] 刘敏， 谭书明， 张洪礼等. 不同品种大米口感品质分析[J]. 食品科学， 2018; 第39卷（15）：88-92
[3] 刘敏， 谭书明， 张洪礼等. 基于模糊感官评价对大米感官品质分析[J]. 食品工业科技， 2017; 第38卷（21）：247-251
[4] 刘蓉，刘文斌等. 燃气燃烧与燃烧装置 北京：机械工业出版社 2012：60
[5] 高显生，彭英杰等. STM8实战. 北京：机械工业出版社 2016：47
南京乐鹰商用厨房设备有限公司 江苏 南京 211151
燃气直接加热煮饭，具有火力猛，加热速度快，米饭出品具有柴火香味等优势。但火力和蒸煮的時间如靠人为控制，不易保证稳定的米饭品质。因此我们设想开发一台，用单片机来自动控制火力和加热时间。并且摸索出一套合理的煮饭加热算法。以保证不依赖人的经验能稳定的煮出高品质的米饭。
关键词：高品质米饭，燃气加热，单片机控制
第一章 绪论
1.1背景
随着人们生活水平的提高，已由吃饱到追求吃好。但是在团餐领域，米饭的蒸煮问题一直没有很好的解决方案。大多数的食堂、餐厅仍在采用传统的蒸箱蒸米饭模式，但蒸出来的米饭往往下层烂，上层干，中间还夹生。
经过对日本高端电饭煲的研究和剖析，发现日本的电饭煲虽然品牌众多，但最后总结，米饭好吃就二点，一、米好。二、火力要足够的猛，而且要均匀。
因此，我们设想开发这么一台设备，直接用燃气作为加热能源，采用单片机自动控制燃气的火力和加热时间。和电饭煲一样，一键操作就能煮出香喷喷的米饭。
第二章 米饭蒸煮工艺的研究
2.1 稻米的结构
稻谷的解剖结构从外到里，主要由谷壳、种皮、谷皮、糊粉层、胚乳、胚、胚芽等。我们日常食用的大米，是由糊粉层、胚乳、胚组成。也称之为精米。
大米煮成饭的过程，就是淀粉糊化的过程。现有研究表明，稻米淀粉的糊化过程，实质上就是淀粉晶体的溶解，其中涉及了淀粉体形状的差异、淀粉体间排列的紧密程度、直链淀粉从淀粉体中的浸出、支链淀粉链的分子组成、淀粉晶体中支链淀粉双螺旋结构的断裂和分解等[1]。米饭的香气主要是由一些挥发性物质采生，比如壬醛、辛醛、3-辛烯-2-酮等 [2]。
2.2 米饭蒸煮的工艺研究和分析
为了制定合理的蒸煮工艺，我们研究了日本高端电饭煲的加热方式。
我们实测得到电饭煲的升温曲线。（图1）从曲线我们可以看出，电饭煲在一开始阶段升温并不迅速，升温到40度时有个明显的恒温阶段，约15分钟，这个阶段我们称之为浸泡阶段。然后后开始快速升温一直到煮沸这个阶段也差不多用时10分钟左右，这个阶段我们称之为快升阶段。煮沸时由于蒸气带走大量的热量，所以煮沸时进入第二个恒温阶段，我们称之为收干阶段，这个过程约持续了10分钟。然后进入了快速升温阶段。从电流监测看，进入到最高点时，已切断加热。我们称之为闷饭阶段。
经过研究我们得出以下结论：
（1）浸泡阶段
浸泡时间长短与米饭口感影响较大。但常温浸泡超过30分钟后，米饭口感几乎无区别。升高浸泡温度有助于缩短浸泡时间。
（2）快升阶段
升温速度和煮饭量有关。煮饭量少可以用小火慢升温方式煮饭，煮饭量大需用较猛的火需明显缩短加热时间才能获得较好煮饭效果。
（3）收干阶段
这个阶段，收干加热速度不宜过短，过短容易夹生。一般宜控制在10分钟左右。口感和米量多少区别不大。
（4）闷饭阶段
这个阶段时间控制在10～20分钟，和米量有关，米量大取大值，米量小取小值。
第三章 机械结构设计
3.1 燃烧系统的设计方案
本设计采用部分预混燃烧方式，又称之为大气式燃烧器。大气式燃烧器，由喷嘴喷出燃气带入部分空气。在炉头火孔处再一次扩散与空气进行二次混合燃烧。调节风门可以改变一次空气的比例。大气式燃烧方式具有燃烧稳定，所需一次空气量在一定范围内自动调节等优点。在家用煤气灶等有着广泛的应用。[4]
3.2 温度传感结构设计方案
为了避免温度传感器烧损，我们设计一套隔热方案（图2）。使探头仍旧能在锅底检测温度，极少受到燃气燃烧高温的影响。内外二层隔热罩，采用了高导热率的紫铜材料，表面镀镍防止高温氧化脱皮损坏。外层隔开大量的高温气流，和幅射热量的影响，内层再一次把穿透过来的温度迅速导热散发。使得传感器检测的温度尽量的接近锅体的实际温度。
3.3 整体结构
钣金，炉头，传感器，专用锅具组成了一个煮饭系统整体机械结构。（图3）当使用时门须处于合上状态。温度探头在弹簧的作用下自动贴紧底。
第四章 控制系统设计
作为一台燃气为加热源的设备，首选应考虑的是高温环境下的稳定性。意法半导体的STM8系列芯片其出色的高温稳定性正是我们所需要的。结合控制端口数的需求，最后选择型号为STM8L052C6T6作为主芯片。该芯片CPU位数8位，48脚封装，具有ROM大小32KB和RAM大小2KB，主频16M，工作电压1.8～3.6V。[5]
温度探头采用精度较高的热敏电阻，为了燃气燃烧安全，电路中特别设计了离子熄火保护。采用24V又通道开关阀作为燃气的切断和大小火切换控制。
具体电路设计交由专业线路板厂开发，在此不详细介绍。
第五章 煮饭程序设计
3.1 煮饭程序设计
为最佳米饭口感，把加热分为浸泡阶段，快速升温阶段， 收干阶段，闷饭阶段四个阶段处理。
（1）浸泡阶段
浸泡阶段流程图，程序预设定的浸泡温度（所有预设参数均可在操作界面调整，下同），当加热到此温度，自动熄火，系统温度会慢慢下降，当降到设定温度减5度时，系统又重新自动点火加热。程序预设浸泡时间，时间到进入下一阶段。同时设计热超时的报警程序，当系统燃气压力过低等火力不够时，系统没办法完成煮饭。这时报E4，中断本次煮饭。 （2）快速加热阶段
快速加热阶段预设结束温度，当加热到这个温度时，系统转入下一阶段。这个阶段也设計了一个最长加热时间18分钟，如果在这个时间内还未加热到设定的温度，则报E4。
最初的设计中，我们考虑了煮沸的自动判断。检测到煮沸自动切换火力。但实际测试中发现，燃气加热和我们设想不一样。根本检测不到这个温度停留，所以最后修改为设定一个固定的温度来切换火力，只要到达这个温度则视为煮沸。当然这个温度值也是反复试验最后确定的值。
（3）收干阶段
进入收干阶段切换成小火加热。6分钟内如果加热至119度则熄火进入闷饭。如果6分钟内达不到119度则转成大火继续加热至119度。最长时间限制在10分钟。10分钟后不管到不到119均熄火进入闷饭阶段。这个段阶不报错。因为大多数时候这个阶段就算达到119度，生米也煮成熟饭，报错中断煮饭进程没有意义。还不如继续进入闷饭，可能会局夹生或影响口感，但比不进入闷饭要强。
（5）闷饭阶段
闷饭阶段控制也是预设温度，只要系统不低于这个温度，就不点火加热，利用系统的余热闷饭。如果温度低于预温度，则启动点火加热直至预设温度。闷饭总时间预设控制。整个过程结束后，显示FFFF，并蜂鸣提示。
第六章 总结
经过调试，改良最终推出的成品，取得了较好的煮饭效果。在各个食堂，连锁餐饮得到广泛的认同。
参考文献
[1] 张艳霞，丁艳锋，李刚华等. 直链淀粉含量不同的稻米淀粉结构、糊化特性研究[J]. 作物学报，2007; 33 （ 7） ：1201-1205
[2] 刘敏， 谭书明， 张洪礼等. 不同品种大米口感品质分析[J]. 食品科学， 2018; 第39卷（15）：88-92
[3] 刘敏， 谭书明， 张洪礼等. 基于模糊感官评价对大米感官品质分析[J]. 食品工业科技， 2017; 第38卷（21）：247-251
[4] 刘蓉，刘文斌等. 燃气燃烧与燃烧装置 北京：机械工业出版社 2012：60
[5] 高显生，彭英杰等. STM8实战. 北京：机械工业出版社 2016：47
南京乐鹰商用厨房设备有限公司 江苏 南京 211151