劉博1，吳友宇1,，周鳴一1,，張琪1，徐嘯宇1,，趙迪2
?。?．武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430070,；2．武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院,，湖北 武漢 430070）
摘要：介紹了一種基于MSP430單片機的低功耗、火力智能化的燃?xì)庠罟?jié)能模塊,。系統(tǒng)以防空燒和防干燒技術(shù)為基礎(chǔ),，通過模塊化設(shè)計以及獨特的支路設(shè)計，不僅實現(xiàn)了智能火力調(diào)節(jié),、自學(xué)習(xí)等功能,，而且可直接將傳統(tǒng)燃?xì)庠钌墳楣?jié)能灶。同時也解決了現(xiàn)有節(jié)能灶因故障率高,、維修不便而難以推廣的難題,。系統(tǒng)符合創(chuàng)新性,、實用性的要求，具有廣泛的應(yīng)用前景,。
關(guān)鍵詞：節(jié)能減排,；智能火力灶；模塊化設(shè)計,；創(chuàng)新型支路,；MSP430
0引言
在現(xiàn)代生活中，燃?xì)庠钤谂腼冎腥哉紦?jù)主導(dǎo)地位,。由于中國人的烹飪習(xí)慣,，如果使用傳統(tǒng)的燃?xì)庠睿y免會產(chǎn)生空燒和干燒現(xiàn)象,，造成燃?xì)獯罅坷速M［1］,。通過對1 000個家庭燃?xì)庠畛霾怂㈠仌r是否關(guān)火進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)22%家庭不關(guān)火,，58%家庭有時關(guān)火,，20%家庭關(guān)火。現(xiàn)在大部分家庭和餐館已經(jīng)認(rèn)識到了空燒浪費的嚴(yán)重性,，市面上也已經(jīng)有了針對空燒現(xiàn)象的節(jié)能灶［2］,，但現(xiàn)有節(jié)能灶大多數(shù)為單管路系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)故障必須整體維修,，而且由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、成本高、故障率高等原因而難以普及（目前國內(nèi)使用節(jié)能灶的餐飲企業(yè)比例不到10%）,。
為解決以上問題,，本文設(shè)計出一種低功耗智能火力燃?xì)庠罟?jié)能模塊，在傳統(tǒng)燃?xì)庠畹幕A(chǔ)上加上該模塊,，即可實現(xiàn)智能火力調(diào)節(jié),。本模塊在解決燃?xì)饫速M問題的基礎(chǔ)上，以模塊化的方法解決了現(xiàn)有節(jié)能灶難以普及的問題,，具有廣泛的應(yīng)用前景,，對于實現(xiàn)人們生活的智能化與節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實意義。
1系統(tǒng)方案
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖本文實現(xiàn)六個功能模塊：火力智能調(diào)節(jié),；灶具位置檢測,；灶具溫度檢測；模塊化安裝設(shè)計,；系統(tǒng)低功耗,；適應(yīng)不同型號的鍋。本系統(tǒng)由單片機部分,、傳感器和進(jìn)氣量控制部分組成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。單片機處理傳感器檢測到的信息，控制電磁閥的通斷以控制火力,。傳感器部分包括超聲波測距和紅外測溫,，實現(xiàn)灶具位置檢測和溫度監(jiān)控的功能。傳感器封裝在盒B中,，置于鍋邊緣10~20 cm處實時檢測鍋的位置和溫度,，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到與進(jìn)氣量控制部分封裝在一起（盒A）的單片機模塊。進(jìn)氣量控制部分包括氣路和模擬開關(guān),。氣路包括主通道和支路，由電磁閥控制通斷,，大火時開主通道,，小火時開支路。用戶可以通過調(diào)節(jié)支路球形閥來設(shè)置支路的最小通氣量,，從而使空燒時小火最小,。電磁閥則通過模擬開關(guān)和單片機來控制。
2硬件設(shè)計
2.1單片機模塊設(shè)計
本模塊采用TI公司的MSP430G2553單片機［3］,，該單片機具有低電壓工作,、超低功耗、抗干擾性強,、成本低等特點,。內(nèi)部集成有定時器、ADC以及足夠的I/O資源,，既能滿足系統(tǒng)需求,，又沒有浪費資源，硬件電路得以簡單化,。單片機電路如圖2所示,。3.3 V電壓給單片機供電，同時單片機的ADC模塊采集鋰電池電壓以實現(xiàn)電量監(jiān)控,。1個I/O口控制蜂鳴器,，在發(fā)生故障時，I/O口為高電平,，蜂鳴器報警,。4個I/O口分別與2個超聲波模塊的TRIG、ECHO腳相連,，通過對I/O口編程實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收,，得到的時間差由單片機處理。2個I/O口與紅外測溫模塊的SCL,、SDA相連實現(xiàn)模塊與單片機的通信,。4個I/O口分別與2個模擬開關(guān)TS3A24157的邏輯控制端IN1,、IN2相連，通過對I/O口編程給IN1,、IN2賦不同的邏輯值來控制電磁閥,。1個I/O口構(gòu)成獨立按鍵，按下此鍵,，系統(tǒng)從節(jié)能灶模式切換為普通灶模式［4］,。
2．2灶具位置檢測功能設(shè)計
采用超聲波測距實現(xiàn)灶具的位置檢測,。超聲波測距的原理是：利用已知超聲波速度,，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出灶到鍋的距離。單片機I/O口給TRIG腳至少10 μs的高電平,，超聲波模塊［5］自動發(fā)送8個40 kHz的方波,，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回,，則通過ECHO腳輸出一個高電平,，用單片機檢測高電平的時間（超聲波從發(fā)射到接收的時間），單片機根據(jù)時間計算出鍋離灶臺的距離,。經(jīng)過測試,，超聲波探測角度具有15°傾角，能有效防止顛鍋帶來的干擾,，考慮到火焰及風(fēng)力的影響,，設(shè)計算法每隔一段時間取值一次，并且檢測到鍋的位置發(fā)生變化時多次取值,。經(jīng)過實際測試本模塊已實現(xiàn)防空燒功能,，并且消除了環(huán)境和顛鍋的影響。
2．3灶具邊緣溫度檢測功能設(shè)計
采用非接觸式紅外測溫傳感器進(jìn)行溫度感測,。紅外測溫儀通過熱輻射原理來測量溫度,，反應(yīng)速度快。采用MLX90614系列紅外測溫模塊［6］,，它集成了低噪聲放大器,、17 位ADC和數(shù)字信號處理芯片 MLX90302，可實現(xiàn)高精度和高分辨度,。測溫范圍為-70℃~+400℃,。采用兩線串行通信協(xié)議與單片機通信，其SDA,、SCL接口與單片機I/O口相連,。SCL為串行時鐘信號接口，SDA為數(shù)字信號接口,，單片機通過SDA接口寫入數(shù)據(jù)以控制模塊的工作,，測溫模塊通過SDA接口把溫度數(shù)據(jù)返回給單片機,。電路如圖3所示。
經(jīng)過大量試驗,，得到了用戶正常使用以及干燒時的鍋邊緣溫度數(shù)據(jù),。為消除干擾，用連續(xù)取值的方法判斷鍋是否干燒,。
2．4進(jìn)氣量控制裝置設(shè)計
進(jìn)氣量控制裝置包括氣路和模擬開關(guān),，氣路由主通道與支路構(gòu)成，如圖4所示,。
圖4進(jìn)氣量控制模塊氣路結(jié)構(gòu)圖燃?xì)饣鹆刂破髦斜壤y雖控制精確,，但成本太高，須220 V供電,，不方便使用,。為實現(xiàn)模塊化設(shè)計，使用3 V常閉式電磁閥,。此電磁閥需要大吸和電流才能打開，經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn),，用大電流打開電磁閥后,，只需小電流維持，這樣可以降低功耗,。本設(shè)計使用雙通道SPDT模擬開關(guān)TS3A24157控制電磁閥電源的通斷來控制電磁閥,。當(dāng)單片機給控制主通道電磁閥A的TS3A24157（U2）的邏輯控制端IN1和IN2分別賦值1和0時，則打開通道COM1給電磁閥A通大電流以打開電磁閥,，穩(wěn)定后,，給IN1和IN2分別賦值0和1，關(guān)閉通道COM1,，打開通道COM2給電磁閥A通小電流,，維持打開狀態(tài)。當(dāng)把U2的IN1和IN2都賦值0時,，主通道電磁閥A關(guān)閉,，同時用同樣的方法打開支路通道電磁閥B，火力變?yōu)樾』?。電路如圖5所示［7］,。雖然本模塊有2個電磁閥，但始終只有1個打開,，這樣可以降低系統(tǒng)功耗,。另外，本結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙,，用戶通過設(shè)置支路球形閥預(yù)置小火的大小,，可消除家庭之間氣壓的差別,，真正實現(xiàn)小火最小，節(jié)能更顯著［8］,。
2．5高效率電源模塊設(shè)計
采用TI的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器TPS62007,，最大輸出電流可達(dá)到600 mA，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到95%,。輸入接3.7 V鋰電池,，輸出為固定的3.3 V供給模塊。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn),，一節(jié)4 000 mAh的鋰電池使用時間約為400 h,，平均功率為0.033 W。如果用戶平均每天使用3 h,，可4個月不用更換電池,，滿足低功耗的要求。
2．6防故障設(shè)計
市面上的節(jié)能灶未能普及的一個重要原因就是傳感器的故障率高,，一旦發(fā)生故障,，整個燃?xì)庠顚o法使用。本模塊設(shè)計有防故障按鍵,，當(dāng)用戶按下模式切換鍵,，本節(jié)能模塊關(guān)閉，電磁閥保持打開狀態(tài),，此時燃?xì)庠钸€原成沒有加節(jié)能模塊的燃?xì)庠?，可以繼續(xù)使用。
3軟件設(shè)計
3．1軟件流程
軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法,，包括主程序,、中斷服務(wù)程序、定時程序,、超聲波測距程序,、紅外測溫程序、火力調(diào)節(jié)程序,?？刂屏鞒倘缦拢捍蜷_模塊，判斷是否開啟自學(xué)習(xí)模式,，若是,，則進(jìn)入自學(xué)習(xí)子程序，測定干燒溫度值,，測完后,，關(guān)閉此模式，此時火力為大火。超聲波檢測是否有鍋,，若有則繼續(xù)大火,，同時紅外測溫模塊對溫度進(jìn)行監(jiān)測，一旦達(dá)到干燒溫度,，則火力關(guān)閉,；若沒有鍋，則火力減小,，然后每隔一段時間檢測是否有鍋,，若有鍋則恢復(fù)火力。系統(tǒng)主流程圖如圖6所示,。
3．2自學(xué)習(xí)功能
不同鍋型干燒溫度不同,，為適應(yīng)不同鍋型，設(shè)計干燒溫度自學(xué)習(xí)功能,，提高模塊的通用性,。自學(xué)習(xí)功能子流程圖如圖7所示。
本系統(tǒng)是基于MSP430單片機的智能火力燃?xì)庠罟?jié)能模塊,，在分析了現(xiàn)有燃?xì)庠钊秉c的基礎(chǔ)上,，設(shè)計出實用型節(jié)能模塊。相對于現(xiàn)有的節(jié)能灶,，它具有以下5個特色：（1）模塊化結(jié)構(gòu),，用模塊化的方法使智能火力調(diào)控技術(shù)迅速投入市場，而不僅是作為理論技術(shù),；（2）支路控制結(jié)構(gòu)，可以在正常時實現(xiàn)最小火力的設(shè)置,，在異常時能切斷燃?xì)庠钆c模塊的聯(lián)系,避免因局部故障而導(dǎo)致整體癱瘓的情況,；（3）干燒溫度自學(xué)習(xí)功能，實現(xiàn)對市面上所有鍋型的支持,；（4）系統(tǒng)低功耗設(shè)計,，模塊無需經(jīng)常更換電池；（5）應(yīng)用前景廣,，本節(jié)能模塊成本低,、功能齊全、安裝簡單,，有廣泛的應(yīng)用前景,。
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