设计一个电饭锅的底层逻辑

我妈新买了一个电饭锅，厚球釜、能焖柴火饭的那种。作为跟着城市化进程成长起来的那代人，她始终难忘儿时柴火饭的味道。

到底是什么原理，能让这个电饭锅烧出旧时香甜柴火饭的味道呢？

一个理想中的智能电饭锅

多年前我读大学时上了一门名为“单片机原理”的课。当时有一个课后作业是自己模拟设计智能电饭锅，并且写出对应的单片机控制程序。

我当时这样设计电饭锅：用一个温度传感器测量电饭锅的温度，然后通过单片机读取温度，通过控制继电器控制加热电源的开关，从而控制电饭锅的温度。

煮米饭这件事应该存在一条理想的温度曲线。例如，加热时升温的幅度，水开后持续保温多久，等等。我为单片机精心设计了一个控制算法，单片机会根据当前测量到的温度和理想温度之间的差距，控制继电器的开关。

图片来源：图虫创意

考虑到锅里加不同重量的米后对应的理想温度曲线应有所不同（放的米多，米更重，加热时间应该更长），我还增加了一个重量传感器，单片机会根据重量选择合适的理想温度曲线作为参考。

设计完成后我很满意，感觉我设计了一个理想中的电饭锅。

然而，当时的我没有仔细思考家里的电饭锅到底呈什么结构。

当时的电饭锅根本不存在“温度传感器 + 重量传感器 + 单片机控制”这种模式，但似乎也很好用：不管这次米加了多少，水量是否合适，似乎每次都能把饭煮好。

那么这种电饭锅的底层设计是怎样的呢？

老式电饭锅为什么也能煮好饭

要知道，把饭煮好的关键就是把锅里的水煮干，并且在锅里的水煮干后停止加热，否则就煮糊了。

当时的电饭锅仅用了一个软磁铁就实现了这个看似复杂的功能。

软磁铁有一个特性，它在温度达到103℃左右时会失去磁性。电饭锅的锅底下面有一个软磁铁，按下煮饭开关时，磁铁的吸力使电源保持连通状态，持续加热。煮米饭时，锅底的温度不断升高，直至能使水沸腾的100℃。但只要电饭锅里还有水，电饭锅的温度就不会高于100℃。一旦电饭锅里的水煮干了，温度就会继续上升。当锅底达到 103℃时，软磁铁失去磁力，切断电源。此时电饭锅发热板的余温会再持续加热一段时间，直至米饭熟透。

这个方案完美地利用了“软磁铁在 103℃左右失去磁性”，以及“水的沸点为100℃”的物理特性，显然要比我之前设计的“温度传感器 + 重量传感器 + 单片机控制”的方案更简单、经济。

当然，这种设计也有很多可以优化的空间。例如，为了实现保温功能，很多电饭锅会增加一个双金属片的恒温器；为了增加定时功能，很多电饭锅还安装了一个定时器。在结构上，很多电饭锅也改进了设计，从原来的直接加热，改成了间接加热，这不仅使加热变得更均匀，也让内胆可以拆卸，便于清洗。

一个好的底层设计，远比费心的优化更重要

我们来总结一下：在设计一款电饭锅时，我采用的底层设计是“温度传感器 + 重量传感器 + 单片机控制”，并且在这个底层设计之上，为单片机设计了优化的控制算法。

而实际使用的电饭锅的底层设计则是用软磁铁进行温度控制，并在此之上陆续增加了保温功能、定时功能等。

在实用性、价格、鲁棒性方面，无论我的单片机控制算法做得多么先进，我的方案都不如实际市面上通用的电饭锅方案。因为后者完美地结合了软磁铁的物理特性和做饭的需求。

这就是底层设计的重要性。底层设计方案做得不好，即使上层优化做得再好作用也不大。

现实生活中还有很多类似的例子。

比如，在拍电影方面，一个好的剧本就是底层，而演员的流量和演技，摄像的技巧，场景和道具，等等，都是上层的优化。如果剧本是空洞的，哪怕用最好的演员、最炫酷的特效，也制作不出一部好的电影。

设计的毛坯往往决定了成败。在一般的毛坯上，哪怕进行大量的优化，也只能完成一个可用的设计。唯有找到最合适的毛坯，才能完成一个卓越的设计。

这件些案例带给我们的启发是，很多人都将精力集中于优化，设计了很多酷炫的优化方案，而对第一阶段的底层设计不够用心。然而实际情况是，第一阶段的重要性远远大于第二阶段。

在很多情况下，上层优化的作用是有限的，如果底层设计不够好，仅由上层优化堆起来的设计就像一个不牢靠的空中楼阁，堆得很高，但一推就倒。

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作者：北京航空航天大学副教授、博士生导师 刘雪峰

审核：华中师范大学数学与统计学学院 副教授 邓清泉