基于MSP430的抽油煙機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫冬嬌，張 闖，夏江濤

（1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044；2.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇 南京 210044）

0 引言

抽油煙機(jī)是現(xiàn)代家庭生活中必不可少的一種廚房電器。新一代的抽油煙機(jī)除了具有傳統(tǒng)抽油煙機(jī)的功能之外，還應(yīng)該具有風(fēng)擋控制、LED低功耗照明和安全報(bào)警等功能。對(duì)于生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)成本的控制是十分嚴(yán)格的，因此，除了在功能上提出更豐富的改進(jìn)，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)注意控制成本，以利于生產(chǎn)出性價(jià)比更高的產(chǎn)品，取得市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)［1-2］。在此，根據(jù)某抽油煙機(jī)生產(chǎn)廠家的開發(fā)要求，提出了產(chǎn)品的控制方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

抽油煙機(jī)由風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。當(dāng)接通電機(jī)開關(guān)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)螺旋盤，根據(jù)螺旋盤切割空氣向上的運(yùn)動(dòng)，其下方出現(xiàn)一個(gè)低氣壓狀態(tài)，因此空氣會(huì)不斷被抽走。其中控制系統(tǒng)由主控制板和鍵盤顯示板構(gòu)成。主控制板采用MSP430F2121為主控芯片，包含控制單元、檢測(cè)電路單元和繼電器單元等部分。主控芯片通過檢測(cè)鍵盤按鍵來判斷用戶指令，進(jìn)而控制相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，同時(shí)主控芯片可以實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)電路的狀態(tài)及控制報(bào)警電路的工作。

工作狀態(tài)中，用戶通過鍵盤來發(fā)出開關(guān)、轉(zhuǎn)速設(shè)定等指令，主控芯片通過邏輯程序判斷來閉合或關(guān)斷相應(yīng)的繼電器，以達(dá)到切換風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速擋位的目的，并將當(dāng)前轉(zhuǎn)速顯示在LED數(shù)碼管上。檢測(cè)電路由溫度傳感電路和可燃?xì)怏w傳感電路組成，分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度和可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)控，如其達(dá)到設(shè)定值以上，即可發(fā)出報(bào)警等動(dòng)作指令。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

2 系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)

2.1 電源單元

考慮系統(tǒng)的功能及成本控制的要求，控制系統(tǒng)的電源部分采用220V交流電，通過整流二極管和LC整流電路將交流電整流濾波，為單片機(jī)提供3.3 V供電電壓，為繼電器提供12V供電電壓，電路如圖2所示。

圖2中，220V交流電通過二極管 D1半波整流，電阻 R1，R2，R4，R5分壓。當(dāng)電壓超過15V時(shí)，D4開始導(dǎo)通，當(dāng)電壓超過17.5V時(shí)，TH1開始導(dǎo)通，使電壓穩(wěn)定在17.5V左右。經(jīng)過二極管D2和電容C1后的電壓約為12V。R3，D7，T1，C2構(gòu)成3.3 V穩(wěn)壓電路，其中D7將T1基極電壓穩(wěn)定在3.9V，由于be結(jié)壓降，則在T1發(fā)射極得到一個(gè)穩(wěn)定的3.3V電壓。D6，R9，T2，D3，R11，R7組成過壓保護(hù)電路。該電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但通過電路的合理設(shè)計(jì)，能夠保證供電的穩(wěn)定性。

圖2 電源電路

2.2 控制器單元

MSP430片內(nèi)組合了不同功能模塊，可適應(yīng)不同應(yīng)用層次的需求。在硬件架構(gòu)上，提供了低功耗模式，可延長(zhǎng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的電池壽命，適合于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。MSP430F2121是MSP430家族中的一個(gè)性價(jià)比較高的型號(hào)，成本較低，性能可靠，資源足夠滿足系統(tǒng)的要求，因此選用該型號(hào)MCU作為控制器單元的核心器件。MSP430F2121采用SOIC20封裝，體積小有利于電路集成化。MSP430F2121芯片共有20個(gè)引腳，其中有16個(gè)I／O口，部分實(shí)現(xiàn)功能復(fù)用，由于資源有限，因此，必須合理地分配引腳。結(jié)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，引腳分配及控制電路連接如圖3所示。其中，P25用于檢測(cè)是否有按鍵輸入，P20，P21，P22用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，P24用于過零檢測(cè)，P16，P17分別用于氣體傳感電路和溫度傳感電路，P23用于報(bào)警電路的控制，P13用于顯示鍵盤的狀態(tài)切換，P10，P11，P12用于移位寄存器電路的控制。但需要注意的是，部分引腳除了前述功能之外，還有相應(yīng)的復(fù)用功能，包括單片機(jī)調(diào)試等操作。MSP430F2121片內(nèi)有4kB Flash程序存儲(chǔ)器，256 B的RAM；256B的信息Flash，可用來存儲(chǔ)各種參數(shù)，無需外加存儲(chǔ)器，即可滿足系統(tǒng)需求［3-5］。

圖3 控制器電路

2.3 鍵盤顯示單元

在鍵盤及顯示電路板中，采用了LED顯示和鍵盤掃描復(fù)用的方法擴(kuò)展按鍵。設(shè)計(jì)中，結(jié)合產(chǎn)品的需求，使用了3個(gè)按鍵來實(shí)現(xiàn)5項(xiàng)功能，后續(xù)工作中還可以通過程序的修改進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更多的按鍵復(fù)用。電路如圖4所示。LED用來顯示相應(yīng)風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的擋位，啟停、風(fēng)擋和照明等控制均可以通過按鍵輸入設(shè)定，由MCU接收處理并控制相應(yīng)的后續(xù)電路動(dòng)作［6-7］。

由于產(chǎn)品級(jí)電路對(duì)成本控制十分嚴(yán)格，所以采用的MCU的I／O口有限。為了解決I／O口不足的問題，同時(shí)為以后的系統(tǒng)功能擴(kuò)展預(yù)留部分資源，電路設(shè)計(jì)中采用了顯示和鍵盤掃描復(fù)用電路。電路中的LED數(shù)碼管為共陰數(shù)碼管，由PB點(diǎn)控制顯示和鍵盤掃描的切換，PB點(diǎn)的狀態(tài)由MCU的P13口及三極管配合控制。移位寄存器74HC595除了實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的驅(qū)動(dòng)輸出，其輸出端Q4，Q5，Q6，Q7還能夠配合PB點(diǎn)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)鍵盤的狀態(tài)掃描，充分節(jié)約MCU的I／O接口資源。

圖4 鍵盤及顯示電路

2.4 檢測(cè)報(bào)警電路

根據(jù)廠家的要求，出于安全的考慮，在新一代抽油煙機(jī)中增加了溫度監(jiān)測(cè)和可燃性氣體監(jiān)測(cè)的功能。在廚房使用中，有2種情況最為危險(xiǎn)，一是火焰過高過大，有可能直接燒壞掉抽油煙機(jī)，這個(gè)問題可以通過溫度監(jiān)測(cè)來避免，但是由于爐灶上方本就是高溫區(qū)域，且傳感器的測(cè)量范圍有限，所以在安裝的位置上需要注意，以測(cè)量熱輻射為準(zhǔn)；還有一種情況就是可燃性氣體的泄漏，這個(gè)問題帶來的危害會(huì)更大，空氣中可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度就會(huì)引起人員中毒、甚至發(fā)生爆炸。因此，在抽油煙機(jī)上安裝可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置是很有必要的，能夠更直接地測(cè)量到氣源的泄漏狀態(tài)。系統(tǒng)中，綜合考慮應(yīng)用需求和性能要求，采用了溫度傳感器DS18B20和可燃?xì)怏w傳感器TGS2610來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電路。電路如圖5所示。

圖5中，溫度檢測(cè)采用溫度傳感器DS18B20，此傳感器為數(shù)字式傳感器，且僅需要一條數(shù)據(jù)線即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機(jī)連接且占用最少片上I／O資源，電路中還可以省去A／D模塊，最大降低了硬件成本，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)電路?？扇?xì)怏w檢測(cè)單元，采用日本FIGARO公司的可燃?xì)怏w傳感器TGS2610，具有低功耗、低成本、長(zhǎng)壽命、高靈敏度和外圍電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常適合于家用產(chǎn)品設(shè)備的開發(fā)［8-10］。

圖5 檢測(cè)報(bào)警電路

TGS2610屬于半導(dǎo)體氣體傳感器，敏感素子由集成加熱器以及在氧化鋁基板上形成的金屬氧化物半導(dǎo)體構(gòu)成。集成加熱器的作用是為了維持敏感素子處于特定測(cè)量溫度，而抑制溫度變化所引起的測(cè)量誤差。在測(cè)量中，可燃?xì)怏w的濃度越高，傳感器的電導(dǎo)率就越高，這就形成了電學(xué)量的變化，只需加上外圍電路即可轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由TGS2610的靈敏度特性可知，TGS2610對(duì)環(huán)境氣體的靈敏度很低，但對(duì)甲烷和丙烷等易燃?xì)怏w的靈敏度很高。如采用TGS2610進(jìn)行易燃?xì)怏w濃度定量測(cè)量，只需采集端口2的輸出電壓，通過電阻分壓公式推導(dǎo)出傳感器電阻Rs，結(jié)合其特性曲線即可得到氣體濃度。在系統(tǒng)中，控制電路僅需要獲取環(huán)境中易燃?xì)怏w的一個(gè)定性狀態(tài)，判斷是否達(dá)到一個(gè)臨界值即可。因此，綜合考慮成本及電路規(guī)模，采用了如圖5的設(shè)計(jì)方案，選取電壓比較器來進(jìn)行比較判斷，而且臨界值可以通過R60電阻調(diào)整。

2.5 過零檢測(cè)電路

繼電器是抽油煙機(jī)上必要的配件，通過它的動(dòng)作來控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。根據(jù)廠家提供的信息，在一些老式的抽油煙機(jī)上，繼電器特別容易損壞，主要原因在于沒有做過零檢測(cè)，沒有在電壓過零時(shí)才對(duì)繼電器做吸和、斷開操作，長(zhǎng)期使用很容易導(dǎo)致故障發(fā)生。因此，在系統(tǒng)中增加了電壓過零檢測(cè)功能。電路如圖6所示。

圖6 過零檢測(cè)電路

在220V 交流電正半周時(shí)，經(jīng)過R6，R8，R13，R23構(gòu)成的分壓電路后，給T4基極一個(gè)足夠的電壓，則T4飽和導(dǎo)通，P24輸出低電平；在負(fù)半周時(shí)，T4截止，P24輸出高電平。因此在過零點(diǎn)處，P24的電平發(fā)生跳變，由單片機(jī)可獲取此變化，來控制繼電器輸出狀態(tài)的改變。

根據(jù)以上各個(gè)硬件單元的設(shè)計(jì)，已經(jīng)開發(fā)完成了控制系統(tǒng)DEMO板，并進(jìn)行了調(diào)試應(yīng)用。主電路板包含控制器模塊、電源模塊、繼電器組以及其他電路板的接口。

3 程序設(shè)計(jì)

MSP430的程序開發(fā)相當(dāng)簡(jiǎn)便，利用JTAG接口在PC上即可實(shí)現(xiàn)程序的編寫、下載和調(diào)試。MSP430單片機(jī)的軟件開發(fā)支持匯編和C語言，可移植性好，方便了程序設(shè)計(jì)工作，縮短了軟件開發(fā)周期。軟件的開發(fā)平臺(tái)常用IAR Embedded Workbench單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)采用窗口界面，各項(xiàng)功能豐富，容易操作，實(shí)現(xiàn)程序編寫、調(diào)試下載等功能非常方便［11-13］。

根據(jù)系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)和電路結(jié)構(gòu)，程序的設(shè)計(jì)采用模塊化方法，對(duì)于開發(fā)工作和后期調(diào)整都能有效地提高效率。系統(tǒng)的軟件程序由主程序和幾個(gè)中斷程序構(gòu)成，其程序流程如圖7所示。

圖7 程序流程

4 結(jié)束語

按照廠商設(shè)計(jì)要求，完成了抽油煙機(jī)新控制DEMO電路板的設(shè)計(jì)，采用高性價(jià)比的集成電路和簡(jiǎn)單可靠的電路設(shè)計(jì)，在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加了安全監(jiān)測(cè)單元，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)及程序流程。系統(tǒng)中采用低功耗單片機(jī)MSP430作為核心控制單元，綜合電子技術(shù)、控制技術(shù)和傳感技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了功能可靠的控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)。給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，方案的可移植性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以根據(jù)需要擴(kuò)展調(diào)整電路的組成，以滿足不同的工作要求。系統(tǒng)已調(diào)試成功，并進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，工作可靠，設(shè)計(jì)功能均能正常實(shí)現(xiàn)，達(dá)到預(yù)期開發(fā)目的。

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