智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)的設(shè)計(jì)

高 文，趙璐鋒，肖海峰，喬社娟，馬 昭

（1.西安航空學(xué)院 電子工程學(xué)院，西安710000；2.陜西昱琛航空設(shè)備股份有限公司，西安710000）

燃?xì)庠钭鳛榧彝プ铌P(guān)鍵的烹飪廚具，在居民的日常生活中扮演著重要角色。近幾年，隨著居民生活水平的日益提升，燃?xì)庠畹男枨笳龔膶?shí)用型逐步向品質(zhì)型轉(zhuǎn)變，消費(fèi)者對(duì)于燃?xì)庠畹陌踩?、耐用性、方便性、美觀性，以及智能化水平提出了更高的要求[1]。在目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)燃?xì)庠畹狞c(diǎn)火、火力大小調(diào)節(jié)都是通過機(jī)械式的旋鈕開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，長(zhǎng)時(shí)間使用存在機(jī)械磨損、旋鈕開關(guān)靈敏度降低等問題，易出現(xiàn)燃?xì)庠铧c(diǎn)火不迅速、火力忽大忽小等問題，為燃?xì)庠畹氖褂寐裣掳踩[患。

基于傳統(tǒng)燃?xì)庠畹娜秉c(diǎn)和市場(chǎng)消費(fèi)的需求，改變?nèi)細(xì)庠畹目刂品绞?，?shí)現(xiàn)燃?xì)庠畹闹悄芑l(fā)展，成為燃?xì)庠町a(chǎn)品未來的發(fā)展趨勢(shì)之一[2-5]。在此設(shè)計(jì)了基于嵌入式微控制器的智能化燃?xì)庠羁刂葡到y(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化觸摸控制，并可以通過WiFi與智能手機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠畹闹悄芸刂疲槕?yīng)了萬物互聯(lián)的科技潮流。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)分為觸摸控制板和驅(qū)動(dòng)板。觸摸控制板完成觸控輸入、數(shù)據(jù)處理、WiFi 通信、安全檢測(cè)報(bào)警、數(shù)碼顯示、定時(shí)等功能；驅(qū)動(dòng)板作為系統(tǒng)核心部分，實(shí)現(xiàn)熱電偶信號(hào)采集、電磁比例閥控制、脈沖點(diǎn)火等功能。智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of intelligent gas stove system

與傳統(tǒng)燃?xì)庠钕啾龋悄苋細(xì)庠罹哂幸韵鹿δ芎蛢?yōu)點(diǎn)：

1）定時(shí)功能 自由定時(shí)功能的實(shí)現(xiàn)，有效提升燃?xì)庠罹叩闹悄芑?。該系統(tǒng)由3 個(gè)觸摸按鍵（時(shí)間+，時(shí)間-，確認(rèn)）配合軟件，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的輸入和倒計(jì)時(shí)功能。在烹飪過程中，通過此功能即使烹飪者因某些原因長(zhǎng)時(shí)間離開，也能夠進(jìn)行安全烹飪。

2）熄火保護(hù)功能 熄火保護(hù)是避免燃?xì)庑孤┑闹匾h(huán)節(jié)。在此，使用熱電偶溫度傳感器，通過檢測(cè)火焰狀態(tài)，及時(shí)在火焰意外熄滅后切斷氣源進(jìn)行保護(hù)。

3）數(shù)碼顯示與報(bào)警功能 通過數(shù)碼管和聲光電路顯示系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)及相應(yīng)故障報(bào)警信息。

4）智能化觸摸控制 與物理按鍵相比，可有效隔離油漬、 湯漬等可能引起按鍵失靈的外界因素，穩(wěn)定性更高，便于清潔，不易損壞。

5）兒童鎖功能 防止兒童誤操作，避免安全事故的發(fā)生。

6）智能控制 通過WiFi 與智能手機(jī)通信，可在手機(jī)上查看燃?xì)庠畹臓顟B(tài)，并可對(duì)燃?xì)庠钸M(jìn)行火力調(diào)節(jié)和關(guān)火等操作，實(shí)現(xiàn)智能安全控制。

2 智能燃?xì)庠钣布O(shè)計(jì)

智能燃?xì)庠钍且噪pSTM32F051 為系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)雙核控制。STM32 F0 微控制器采用最新的ARM Cortex-M0 32 位嵌入式處理器架構(gòu)，集實(shí)時(shí)性能、低功耗運(yùn)算和STM32 平臺(tái)的先進(jìn)架構(gòu)及外設(shè)于一身，使開發(fā)人員能夠打破采用傳統(tǒng)專有內(nèi)核的8 位、16位微控制器的價(jià)格和性能限制[6-8]?；赟TM32F051 的智能燃?xì)庠钚阅軆?yōu)越、實(shí)時(shí)性高、成本低。

2.1 觸摸控制模塊

該系統(tǒng)使用電容式觸摸按鍵，無需人體直接接觸按鍵，也不需要傳統(tǒng)的按鍵觸點(diǎn)，避免了安全隱患，同時(shí)具有可靠耐用、美觀時(shí)尚、生產(chǎn)安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。

觸摸感應(yīng)模塊選用觸摸管理芯片F(xiàn)TC359H。該芯片采用高精度數(shù)字電容測(cè)量技術(shù)，可防止各種干擾對(duì)電路的影響如防面板水跡、油污等；支持11 個(gè)觸摸按鍵輸入功能，支持相鄰按鍵同時(shí)觸摸功能，輸出采用二進(jìn)制碼。通過實(shí)際電路的綜合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了滑條觸摸控制火力大小功能。該觸摸輸入電路如圖2 所示。

圖2 觸摸輸入電路Fig.2 Circuit of touch input

2.2 脈沖點(diǎn)火電路

智能燃?xì)庠畈捎秒娮用}沖方式點(diǎn)火，由STM32F051控制點(diǎn)火電路與電磁比例閥配合動(dòng)作，完成點(diǎn)火功能。同時(shí)，結(jié)合熱電偶電路進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，形成閉環(huán)控制，保證用戶安全。

脈沖點(diǎn)火電路首先由脈沖線圈、晶閘管、變壓器等電子元器件組成脈沖高頻振蕩器。振蕩器所產(chǎn)生的高頻電壓，經(jīng)升壓脈沖線圈升至15 kV，從而擊穿空氣，通過點(diǎn)火針尖端放電引燃灶具的燃?xì)?。電子脈沖點(diǎn)火具有效率高，放電連續(xù)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。脈沖點(diǎn)火電路如圖3 所示。

圖3 電子脈沖點(diǎn)火電路Fig.3 Circuit of electronic pulse ignition

2.3 WiFi 傳輸電路

該系統(tǒng)除了采用觸摸控制，還支持基于WiFi的無線控制模式。手機(jī)可以通過WiFi 與燃?xì)庠钸M(jìn)行連接，在手機(jī)App 上實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)庠顮顟B(tài)的監(jiān)控、火力大小的調(diào)節(jié)、童鎖保護(hù)及關(guān)火等功能。系統(tǒng)選用ATK-ESP8266 WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)無線通信。該模塊的頻率范圍為（2.412～2.484）GHz，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，支持串口轉(zhuǎn)WiFi STA、 串口轉(zhuǎn)AP 和WiFi STA+WiFi AP 的模式，同時(shí)帶有板載PCB 天線，支持LVTTL 串口，兼容3.3 V 和5 V 系統(tǒng)，可以快速構(gòu)建串口-WiFi 數(shù)據(jù)傳輸方案[9]。系統(tǒng)STM32F051 通過USART1 串口PA9 和PA10 與ATK-ESP8266 模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，具體硬件電路如圖4 所示。

3 智能燃?xì)庠钴浖O(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制芯片STM32F051 編程在Keil 環(huán)境下，使用C 語言編寫控制程序[10]。系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)板和觸摸控制板之間使用串行通信，系統(tǒng)主程序在驅(qū)動(dòng)板STM32F051 上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的管理。系統(tǒng)的主程序流程如圖5 所示。

圖4 WiFi 傳輸電路Fig.4 Circuit of WiFi transmission

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main procedure

整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如下：上電系統(tǒng)電源燈亮，除開關(guān)按鍵外，所有按鍵處于凍結(jié)狀態(tài)。打開開關(guān)解除凍結(jié)，并進(jìn)入系統(tǒng)自檢，確認(rèn)故障系統(tǒng)鎖定，顯示相對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤代碼，發(fā)出錯(cuò)誤警報(bào)，關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，觸摸板無法操作。自檢完成后，如有串行通信的控制命令，則執(zhí)行相關(guān)控制命令。

3.2 點(diǎn)火功能軟件設(shè)計(jì)

電子脈沖點(diǎn)火功能完成燃?xì)庠畹恼｜c(diǎn)火、二次點(diǎn)火和點(diǎn)火失敗報(bào)警，以及關(guān)閉進(jìn)氣電磁比例閥的功能。點(diǎn)火功能軟件設(shè)計(jì)流程如圖6 所示。

圖6 電子脈沖點(diǎn)火流程Fig.6 Flow chart of electronic pulse ignition

整個(gè)系統(tǒng)由觸摸點(diǎn)火信號(hào)控制，當(dāng)用戶按下點(diǎn)火開關(guān)時(shí)，進(jìn)行正常第1 次點(diǎn)火，而檢測(cè)到第1 次點(diǎn)火失敗后，會(huì)等待相應(yīng)的時(shí)間，然后進(jìn)行第2 次點(diǎn)火。如二次點(diǎn)火仍不成功，此時(shí)將切斷燃?xì)怆姶砰y，發(fā)出蜂鳴器警報(bào)，同時(shí)面板顯示相應(yīng)故障代碼。整個(gè)過程能有效避免燃?xì)庑孤┑奈：?，大大提高了燃?xì)庠畹陌踩涂煽啃浴?/p>

3.3 觸摸控制軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)觸摸控制，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，編寫了軟件程序代碼，軟硬件配合最終實(shí)現(xiàn)智能燃?xì)庠畹挠|摸控制功能。同時(shí)，考慮兒童誤操作的安全隱患，在觸摸控制功能中設(shè)計(jì)了童鎖功能。所有觸摸控制功能的實(shí)現(xiàn)都是基于觸摸控制信號(hào)的識(shí)別，識(shí)別功能后也對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)顯示，達(dá)到與用戶的信息交互功能。整個(gè)過程要考慮系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)，判斷是否符合鍵值表中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)顯示以及與驅(qū)動(dòng)板通信實(shí)現(xiàn)相關(guān)動(dòng)作。具體觸摸控制功能軟件的實(shí)現(xiàn)流程如圖7 所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)以滿足實(shí)際應(yīng)用為設(shè)計(jì)目標(biāo)，搭建實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行最終測(cè)試。系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)如圖8所示，最終測(cè)試結(jié)果見表1。

圖7 觸摸控制流程Fig.7 Flow chart of touch control

圖8 系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)Fig.8 Actual system platform

表1 核心功能Tab.1 Core function

從功能測(cè)試結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用都表明，該系統(tǒng)操作便捷，安全可靠，完全可滿足燃?xì)庠钍褂靡蟆?/p>

5 結(jié)語

以微處理器STM32F051 為核心設(shè)計(jì)的智能燃?xì)庠钕到y(tǒng)，完全可以滿足日常烹飪使用；區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)械式燃?xì)庠?，具有可靠耐用、美觀時(shí)尚、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，在防面板水跡、防油污等方面有大大提高；觸摸控制和WiFi連接功能更符合現(xiàn)代生活的使用習(xí)慣，同時(shí)順應(yīng)萬物互聯(lián)的科技潮流，具有較好的應(yīng)用前景。