一種新型智能燃氣灶控制系統(tǒng)的研制

刁琛桃 張興強 孟天

【摘 要】隨著清潔能源的使用迅速普及，燃氣已經成為日常生活的重要能源來源，燃氣灶也得以廣泛使用。本文主要介紹了一種在單片機控制下的智能燃氣灶控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)。該系統(tǒng)以單片機為核心控制器，實現(xiàn)了一鍵點火啟動，自動定時烹飪，進氣量自動控制，意外熄火保護，燃氣泄漏報警等功能。這使得燃氣灶更人性化，更方便易用。

【關鍵詞】MC9S12XS128單片機 智能燃氣灶 自動烹飪定時 燃氣泄漏報警

1引言

隨著科技的發(fā)展，清潔能源的使用得以普及，燃氣灶也得以廣泛使用。消費者對燃氣灶的使用除了基本功能的要求外，對其安全性，方便性和耐用性也提出了更高的要求?；趩纹瑱C控制的智能燃氣灶的開發(fā)可以滿足消費者這方面的需求。

2系統(tǒng)的基本結構介紹

該系統(tǒng)的主要功能有：一鍵點火啟動，自動定時烹飪，電子平滑自動調節(jié)進氣量，意外熄火保護，燃氣泄漏及意外情況報警等功能。[1]

系統(tǒng)硬件部分主要由電源部分，單片機最小核心板，電子脈沖點火部分，進氣量控制部分，無線傳輸模塊，燃氣泄漏檢測系統(tǒng)，按鍵控制部分，火焰檢測，顯示部分組成。[2]

2.1 一鍵點火功能

按下啟動按鍵后，主系統(tǒng)首先向子系統(tǒng)發(fā)送一個檢測信號，收到安全信號后，微處理器控制電磁閥打開，旋鈕打開同時脈沖電子點火電路開始工作，同時不斷對火焰檢測器采樣判斷是否達到火焰存在的閾值，如果達到，則停止點火電路的運行。如果超過閾值時間始終無法檢測到火焰存在信號則停止點火，關閉電磁閥，報警提示。

2.2 意外熄火保護

系統(tǒng)正常工作時，定時采樣火焰檢測器的情況，如果判斷其值低于正常工作的閾值，則認為系統(tǒng)熄火，微處理器立即關閉電磁閥，進行報警提示等待用戶處理。

2.3 定時自動烹飪

用戶提前設置好系統(tǒng)的烹飪過程。例如，設置系統(tǒng)前15分鐘以最大火量加熱，15分鐘后要求使用小火加熱20分鐘。系統(tǒng)點火啟動后，微處理器發(fā)出信號，步進電機帶動閥門旋鈕轉到最大，并計時；計時15分鐘后，微處理器發(fā)送信號，步進電機帶動閥門旋到中間，并進行計時20分鐘，計時20分鐘后，微處理器控制閥門關閉，電磁閥閉合，報警提示。

2.4 燃氣泄漏報警

主系統(tǒng)正常工作時，當MQ6檢測到空氣中濃度值達到設定閾值時，會發(fā)出響應信號，隨后子系統(tǒng)通過無線模塊向主機發(fā)送報警信號，主機接收到信號后，立即進行熄火動作，關閉閥門，并報警提示，等待用戶處理。當主系統(tǒng)處于待機時，同樣接收到子系統(tǒng)的報警信號后，進行報警提示。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 單片機的選取

受限于燃氣灶高溫、強電磁干擾的工作環(huán)境，要保障系統(tǒng)可靠的工作，必須選用抗干擾能力強的單片機來實現(xiàn)各個功能。基于以上考慮，本系統(tǒng)中選用了Freescale公司的MC9S12XS128單片機。該單片機是16位的高速，低功耗的微處理器，它有128KB程序Flash和8KB DataFlash；有8、10、12位的ADC，3us轉換時間；4通道16位計數(shù)器；工作溫度-40°～120°。完全能滿足系統(tǒng)要求。[3]

3.2 火焰檢測

火焰檢測是用來探測灶頭處是否有火焰存在，是保障燃氣灶安全性的重要措施。通過對點火器的分析，當火焰存在時，其內部會產生一個微弱的電流，該電流可以被控制器的AD模塊采集到，以此來判斷系統(tǒng)是否打火成功獲熄火等運行狀態(tài)。

火焰檢測傳感器本系統(tǒng)采用了性價比較高的熱電偶感應針來實現(xiàn)，它裝配簡單，量程可以達到-200～2800°，雖然相比于離子火焰?zhèn)鞲衅?，它的響應時間稍長，但是在毫秒級的延遲對于燃氣灶的實際應用的影響可以忽略。

3.3 脈沖點火電路

本系統(tǒng)采用一個震蕩變壓器和電阻來組成自激震蕩電路，然后通過高壓脈沖變壓器的初級產生高壓。當單片機發(fā)出點火的動作信號時，點火系統(tǒng)開始震蕩，并通過高壓變壓器的初級產生高壓放電，電火花點燃天然氣，完成點火功能。

3.4 進氣量控制

進氣量的控制是由一個12V的步進電機帶動帶有電磁閥的調節(jié)器的旋鈕閥門轉動來實現(xiàn)進氣量的控制。

步進電機選用35BYJ46步進電機，它扭矩大，歩距角7.5度。由于本系統(tǒng)對系統(tǒng)的精度要求不是特別高，故采用該步進電機完全可以滿足控制需要。驅動采用ULN2003驅動，該驅動可靠性高。當微處理器下達一定的進氣量要求時，步進電機帶動閥門旋鈕來調整進氣閥門，實現(xiàn)進氣量調整；當微處理器下達關閉閥門的信號時，電磁閥門關閉，同時步進電機帶動閥門旋鈕旋轉到閉合的位置，這樣雙重保證了燃氣通道的可靠關閉。

3.5 燃氣泄漏檢測系統(tǒng)

燃氣泄漏檢測系統(tǒng)是獨立于燃氣灶系統(tǒng)之外，通過藍牙無線模塊進行數(shù)據(jù)通信，之所以將該功能獨立于燃氣灶系統(tǒng)之外，是因為天然氣的主要成分為甲烷，天然氣比空氣輕，故燃氣檢測裝置應安裝在高處。液化氣的主要成分為丙烷、丁烷等有機化合物，它氣體狀態(tài)的密度也比空氣大，故以燃氣泄漏檢測應該安裝在較低的位置。所以把該功能單獨作為一個獨立的子系統(tǒng)能夠更好地兼容使用石油液化氣和天然氣的用戶，也能更好地發(fā)揮其功能。[4]

該子系統(tǒng)控制器采用STC89C51單片機，該單片機抗干擾性強。燃氣檢測傳感器采用MQ6液化氣檢測模塊，該模塊的靈敏度高，能夠準確地檢測空氣中的液化氣。信號傳輸采用了H-05主從一體的藍牙模塊，與主系統(tǒng)通信。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計包括主系統(tǒng)和子系統(tǒng)的程序設計。這兩部分的程序設計都采用了標準程序開發(fā)的模塊化設計規(guī)范，提高程序的可讀性和可維護性，為以后的系統(tǒng)功能添加和完善提供了方便。整個軟件應用采用C語言進行代碼編寫，使用Freescale公司的CodeWarrior IDE開發(fā)編譯環(huán)境，生成代碼簡煉高效。主系統(tǒng)程序包括鍵值解析，步進電機驅動信號的產生，液晶顯示驅動，無線模塊信號的接收處理等功能的具體實現(xiàn)。子系統(tǒng)程序包括MQ6信號的接收以及無線模塊信號的發(fā)出和接受。

5 結語

該智能燃氣灶控制系統(tǒng)比市面上的燃氣灶具有一下優(yōu)點：（1）自動定時烹飪。能夠按用戶需求自動分時分火力烹飪食物；（2）燃氣泄漏檢測與燃氣灶相關聯(lián)。燃氣泄漏檢測獨立于主系統(tǒng)之外，既兼容了不同燃氣的使用需求，也使得燃氣泄漏后第一時間切斷正在使用的燃氣灶，確保安全。

參考文獻：

[1]姚軍波，楊選民.智能燃氣灶具控制系統(tǒng)的設計[J].家電科技，2011（01）.

[2]任勇.單片機原理及應用[M].清華大學出版社，2012.

[3]王剛建，馬文偉，曾仁智，沙芳華.基于單片機的智能灶具安全裝置的實現(xiàn)[J].現(xiàn)代農業(yè)科學，2008（08）.

*本論文由大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目支持。