智能燃?xì)庠羁刂葡到y(tǒng)的研究步

允澤

摘 要：本文介紹了一種以單片機(jī)為核心的新型智能燃?xì)庠羁刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一鍵點(diǎn)火、火力控制、時(shí)間和火力狀態(tài)的LED顯示、熄火保護(hù)、聲光報(bào)警、自動(dòng)定時(shí)烹飪、遠(yuǎn)程通信控制等功能，使燃?xì)庠罡甙踩院椭悄芑?

關(guān)鍵詞：智能燃?xì)庠?；單片機(jī)；定時(shí)自動(dòng)烹飪；離子探火；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

隨著人們生活水平的提高和清潔能源的普及，燃?xì)庠畹氖褂迷絹碓綇V泛。同時(shí)，隨著科技水平的提高，燃?xì)庠罡影踩?、方便、?jié)能，且擁有美觀的外形、多樣的功能。特別是電子科學(xué)技術(shù)和單片機(jī)的廣泛應(yīng)用使得燃?xì)庠畹闹悄芑妥詣?dòng)化水平大幅度提高。然而，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也提出了更高的要求。在燃?xì)庠畎踩苑矫?，我國早?000年8月出臺(tái)了新的家用燃?xì)庠罹甙踩珮?biāo)準(zhǔn)，規(guī)定自2001年2月1日起，家用嵌入式燃?xì)庠罹弑仨毎惭b熄火安全保護(hù)裝置。為更好地滿足消費(fèi)者對(duì)于智能燃?xì)庠畹男枨螅趩纹瑱C(jī)的燃?xì)庠羁刂葡到y(tǒng)的研究與開發(fā)能夠更好地順應(yīng)時(shí)代發(fā)展潮流。

針對(duì)人們對(duì)燃?xì)庠钏P(guān)注的問題，本文提出一種新型智能燃?xì)庠羁刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，充分考慮燃?xì)庠钤谑褂眠^程中可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并提出對(duì)燃?xì)庠畹呐腼儠r(shí)間和火力大小進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的設(shè)計(jì)。通過將控制系統(tǒng)模塊化，實(shí)現(xiàn)新型智能燃?xì)庠畹难芯糠治觥?/p>

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)一鍵點(diǎn)火、火力控制、時(shí)間狀態(tài)LED顯示、意外熄火保護(hù)、意外情況聲光報(bào)警、自動(dòng)定時(shí)烹飪以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信和控制等功能，并通過對(duì)燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。

系統(tǒng)硬件主要由電源模塊、單片機(jī)、按鍵控制模塊、電子脈沖點(diǎn)火電路、電機(jī)與閥體、離子火焰檢測(cè)電路、藍(lán)牙無線傳輸、LED顯示以及警報(bào)器組成，圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖中給出各個(gè)模塊與單片機(jī)的輸入輸出關(guān)系。

系統(tǒng)采用電容式感應(yīng)按鍵啟動(dòng)燃?xì)庠?，單片機(jī)收到啟動(dòng)信號(hào)后控制脈沖點(diǎn)火電路開始點(diǎn)火，通過脈沖信號(hào)產(chǎn)生電火花點(diǎn)燃天然氣，使天然氣處于正常燃燒狀態(tài)后關(guān)閉點(diǎn)火電路。燃?xì)庠罟ぷ髌陂g，系統(tǒng)中的火焰檢測(cè)模塊采用離子探火電路對(duì)火焰進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，若發(fā)生意外熄火，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)熄火裝置關(guān)閉燃?xì)庠?，LED燈和蜂鳴器均發(fā)出警報(bào)信號(hào)。為調(diào)節(jié)燃?xì)庠罨鹆Υ笮?，角度傳感器與電機(jī)和閥體組成反饋控制系統(tǒng)，單片機(jī)收到火力調(diào)節(jié)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)閥體旋轉(zhuǎn)，角度傳感器將轉(zhuǎn)動(dòng)角度反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過閥體旋轉(zhuǎn)角度的大小來判斷是否達(dá)到火力需求，從而進(jìn)一步調(diào)整閥體旋轉(zhuǎn)以精確控制火力大小。為滿足自動(dòng)定時(shí)烹飪需求，在火力設(shè)置完成后，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，LED燈顯示目前燃?xì)庠畹幕鹆Υ笮∫约芭腼兊褂?jì)時(shí)。到達(dá)烹飪結(jié)束時(shí)間后，熄火電路控制閥門關(guān)閉，LED與蜂鳴器發(fā)出警報(bào)信號(hào)。燃?xì)庠钸\(yùn)行期間，單片機(jī)將傳感器收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至LED顯示屏，由LED顯示屏顯示烹飪時(shí)間和燃?xì)庠畹幕鹆Υ笮〉葦?shù)據(jù)。

除燃?xì)庠钕到y(tǒng)的控制系統(tǒng)外，本文設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)對(duì)燃?xì)庠顚?shí)行遠(yuǎn)程操作。系統(tǒng)采用藍(lán)牙無線模塊與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，能夠通過藍(lán)牙通信將單片機(jī)中燃?xì)庠顮顟B(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)，用戶通過手機(jī)了解到燃?xì)庠畹臓顟B(tài)并可以修改設(shè)置燃?xì)庠畹呐腼儠r(shí)間和火力大小，然后將設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)手機(jī)設(shè)置的數(shù)據(jù)對(duì)燃?xì)庠畹幕鹆Υ笮『团腼儠r(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置，用戶利用手機(jī)對(duì)燃?xì)庠钸M(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)置。

作為清潔能源的天然氣是目前人們使用的重要能源之一，為有效利用天然氣資源，本文在燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用內(nèi)旋式快焰火來增加燃?xì)饫寐?，?jié)約能源。

2.控制原理

本節(jié)主要介紹系統(tǒng)中主要功能模塊原理，包括感應(yīng)模塊、火焰檢測(cè)模塊、點(diǎn)火控制模塊、閥體與電機(jī)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、節(jié)能技術(shù)。

2.1 感應(yīng)模塊

本系統(tǒng)采用電容式感應(yīng)按鍵。輸入的高頻電壓經(jīng)二極管半波整流后給電容充電，電容兩端的電壓輸入單片機(jī)后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。當(dāng)手指觸摸到金屬片時(shí)，由于人體分布電容的存在，會(huì)有一部分電流流經(jīng)人體，使得電容器兩端的電壓下降，輸入單片機(jī)的電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也會(huì)隨之發(fā)生變化，單片機(jī)通過比較處理來判斷是否有鍵按下。采用電容式感應(yīng)按鈕成本低且操作方便。

2.2 火焰檢測(cè)模塊

為了提高火焰檢測(cè)的靈敏度，縮短燃?xì)庠钕ɑ鸨Ｗo(hù)的反應(yīng)時(shí)間，提高智能燃?xì)庠畹陌踩?，本系統(tǒng)采用與熱電偶感應(yīng)電路相比更為靈敏的離子火焰檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)意外熄火保護(hù)。電路主要由離子探針和電壓比較器組成。當(dāng)探針沒有檢測(cè)到火焰時(shí)，電壓比較器的正輸入端懸空，比較器輸出高電平；當(dāng)火焰燒到探針時(shí)，由于火焰的單向?qū)щ娦裕x子探針內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)微弱的電流，使得正向輸入端電壓低于反向輸入端電壓，電壓比較器輸出低電平。輸出的電平在單片機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和比較，單片機(jī)以此判斷點(diǎn)火是否成功或是否熄火等運(yùn)行狀態(tài)。

2.3 點(diǎn)火控制模塊

點(diǎn)火方式采用傳統(tǒng)的高壓脈沖點(diǎn)火，點(diǎn)火電路由振蕩電路、升壓電路以及放電電極等組成。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出點(diǎn)火指令時(shí)，振蕩電路開始工作，產(chǎn)生高頻交流電，經(jīng)過升壓變壓器升壓后在次級(jí)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，經(jīng)二極管整流后得到穩(wěn)定的直流電壓。次級(jí)電路分別設(shè)置一個(gè)大電容和小電容，小電容處連接一個(gè)雙向二極管，大電容處連接一個(gè)雙向可控硅元件。該直流電壓同時(shí)為兩個(gè)電容器充電，小電容上的電壓達(dá)到較大值時(shí)會(huì)使雙向二極管導(dǎo)通，并觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，使大電容器放電，得到交流電壓，經(jīng)過第二個(gè)變壓器升壓后形成高壓，能夠擊穿一定厚度的空氣產(chǎn)生電火花，將天然氣點(diǎn)燃，完成點(diǎn)火功能。

2.4 閥體與電機(jī)模塊

本系統(tǒng)由直流電機(jī)帶動(dòng)閥體轉(zhuǎn)動(dòng)，控制火力的大小。由直流電機(jī)和三極管組成控制電路，連接成正反兩個(gè)回路，控制電路有兩個(gè)端口與外界相連，通過控制兩端電平的相對(duì)大小來控制電路中電流的流動(dòng)方向，進(jìn)而操縱電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。直流電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通入天然氣的速率增加，火力增大；反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通入天然氣的速率減小，火力減弱。閥體上裝有的角度傳感器能夠?qū)㈤y體轉(zhuǎn)動(dòng)的角度反饋給單片機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以便精確地控制閥體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而實(shí)現(xiàn)精確的火力控制。

2.5 數(shù)據(jù)傳輸模塊

該模塊由數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)發(fā)送端兩部分組成，數(shù)據(jù)接收端和數(shù)據(jù)發(fā)送端通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。燃?xì)庠詈褪謾C(jī)均可作為數(shù)據(jù)接收端和發(fā)送端。當(dāng)燃?xì)庠钭鳛閿?shù)據(jù)發(fā)送端時(shí)，主要功能是接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機(jī)處理后通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到接收端。接收端接收到數(shù)據(jù)后，可查看燃?xì)庠畹墓ぷ鲿r(shí)間、火力大小等狀態(tài)。當(dāng)手機(jī)作為數(shù)據(jù)發(fā)送端時(shí)，主要功能為設(shè)置燃?xì)庠顮顟B(tài)，即設(shè)置燃?xì)庠畹幕鹆Υ笮〖捌渑腼儠r(shí)間，經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送到接收端，燃?xì)庠畹膯纹瑱C(jī)接收到設(shè)置數(shù)據(jù)后，通過控制器將各模塊設(shè)置至用戶需求的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠畹倪h(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

2.6 節(jié)能技術(shù)

為了提高燃料利用率，有效地節(jié)約能源，燃?xì)庠畈捎昧藘?nèi)旋式快焰火燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其火孔嵌入火蓋內(nèi)，燃燒火焰呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)朝內(nèi)狀，燃燒時(shí)，火力集中鍋底，熱量能夠更好地被吸收，從而減少了熱量損失，全面提高熱效率。

結(jié)語

本文著重介紹了智能燃?xì)庠畹目刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)思路，從人們的生活需求出發(fā)，提出新型燃?xì)庠顟?yīng)具有的功能，研究能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能的控制系統(tǒng)原理，通過建立模塊化的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多樣的燃?xì)庠罟δ?，提高了智能燃?xì)庠畹闹悄芑妥詣?dòng)化水平，增強(qiáng)了智能燃?xì)庠畹目刹僮餍?，使智能燃?xì)庠罡影踩⒎奖?、環(huán)保，是對(duì)智能家居發(fā)展的一種有益探索。與當(dāng)前市面上的燃?xì)庠钕啾?，該控制系統(tǒng)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)定時(shí)烹飪，用戶可根據(jù)自己的需要控制烹飪的時(shí)間和火候。

（2）能夠與手機(jī)互聯(lián)，方便用戶隨時(shí)查看燃?xì)庠畹倪\(yùn)行狀態(tài)以及對(duì)燃?xì)庠钸M(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使用戶不再被限制于廚房內(nèi)，拓展了烹飪的時(shí)間和空間范圍，使烹飪更自由，更靈活。

（3）采用意外熄火保護(hù)電路和聲光報(bào)警系統(tǒng)，能在燃?xì)庠钜馔庀ɑ饡r(shí)第一時(shí)間切斷燃?xì)夤?yīng)，并使用戶立即發(fā)現(xiàn)意外狀況，及時(shí)采取措施，提高了燃?xì)庠畹陌踩浴?/p>

本文的目的是為人們提供更安全便捷的操作體驗(yàn)，推動(dòng)智能家居進(jìn)一步普及。燃?xì)庠畹闹悄芑妥詣?dòng)化在未來較長一段時(shí)間內(nèi)仍將是時(shí)代的潮流。作為智能燃?xì)庠畹目刂坪诵?，智能控制系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性將直接影響燃?xì)庠畹陌踩院涂刹僮餍?。只有充分考慮現(xiàn)實(shí)的工作環(huán)境狀況，才能設(shè)計(jì)出一套真正安全便捷的控制系統(tǒng)，自動(dòng)化和智能化家居才能深入人心。

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