刘 博，吴友宇，周鸣一，张 琪，徐啸宇，赵 迪

(1．武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070；2．武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)



基于MSP430的低功耗智能火力燃气灶节能模块

刘 博1，吴友宇1，周鸣一1，张 琪1，徐啸宇1，赵 迪2

(1．武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070；2．武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070)

介绍了一种基于MSP430单片机的低功耗、火力智能化的燃气灶节能模块。系统以防空烧和防干烧技术为基础，通过模块化设计以及独特的支路设计，不仅实现了智能火力调节、自学习等功能，而且可直接将传统燃气灶升级为节能灶。同时也解决了现有节能灶因故障率高、维修不便而难以推广的难题。系统符合创新性、实用性的要求，具有广泛的应用前景。

节能减排；智能火力灶；模块化设计；创新型支路；MSP430

0 引言

在现代生活中，燃气灶在烹饪中仍占据主导地位。由于中国人的烹饪习惯，如果使用传统的燃气灶，难免会产生空烧和干烧现象，造成燃气大量浪费[1]。通过对1 000个家庭燃气灶出菜刷锅时是否关火进行调查，发现22%家庭不关火，58%家庭有时关火，20%家庭关火。现在大部分家庭和餐馆已经认识到了空烧浪费的严重性，市面上也已经有了针对空烧现象的节能灶[2]，但现有节能灶大多数为单管路系统，一旦出现故障必须整体维修，而且由于结构复杂、成本高、故障率高等原因而难以普及(目前国内使用节能灶的餐饮企业比例不到10%)。

为解决以上问题，本文设计出一种低功耗智能火力燃气灶节能模块，在传统燃气灶的基础上加上该模块，即可实现智能火力调节。本模块在解决燃气浪费问题的基础上，以模块化的方法解决了现有节能灶难以普及的问题，具有广泛的应用前景，对于实现人们生活的智能化与节能减排具有重要的现实意义。

1 系统方案

图1 系统结构示意图

本文实现六个功能模块：火力智能调节；灶具位置检测；灶具温度检测；模块化安装设计；系统低功耗；适应不同型号的锅。本系统由单片机部分、传感器和进气量控制部分组成。系统结构如图1所示。单片机处理传感器检测到的信息，控制电磁阀的通断以控制火力。传感器部分包括超声波测距和红外测温，实现灶具位置检测和温度监控的功能。传感器封装在盒B中，置于锅边缘10～20 cm处实时检测锅的位置和温度，并将数据发送到与进气量控制部分封装在一起(盒A)的单片机模块。进气量控制部分包括气路和模拟开关。气路包括主通道和支路，由电磁阀控制通断，大火时开主通道，小火时开支路。用户可以通过调节支路球形阀来设置支路的最小通气量，从而使空烧时小火最小。电磁阀则通过模拟开关和单片机来控制。

2 硬件设计

2.1 单片机模块设计

本模块采用TI公司的MSP430G2553单片机[3]，该单片机具有低电压工作、超低功耗、抗干扰性强、成本低等特点。内部集成有定时器、ADC以及足够的I/O资源，既能满足系统需求，又没有浪费资源，硬件电路得以简单化。单片机电路如图2所示。3.3 V电压给单片机供电，同时单片机的ADC模块采集锂电池电压以实现电量监控。1个I/O口控制蜂鸣器，在发生故障时，I/O口为高电平，蜂鸣器报警。4个I/O口分别与2个超声波模块的TRIG、ECHO脚相连，通过对I/O口编程实现超声波的发射与接收，得到的时间差由单片机处理。2个I/O口与红外测温模块的SCL、SDA相连实现模块与单片机的通信。4个I/O口分别与2个模拟开关TS3A24157的逻辑控制端IN1、IN2相连，通过对I/O口编程给IN1、IN2赋不同的逻辑值来控制电磁阀。1个I/O口构成独立按键，按下此键，系统从节能灶模式切换为普通灶模式[4]。

图2 单片机模块电路图

2．2 灶具位置检测功能设计

采用超声波测距实现灶具的位置检测。超声波测距的原理是：利用已知超声波速度，根据发射和接收的时间差计算出灶到锅的距离。单片机I/O口给TRIG脚至少10 μs的高电平，超声波模块[5]自动发送8个40 kHz的方波，自动检测是否有信号返回，如有信号返回，则通过ECHO脚输出一个高电平，用单片机检测高电平的时间(超声波从发射到接收的时间)，单片机根据时间计算出锅离灶台的距离。经过测试，超声波探测角度具有15°倾角，能有效防止颠锅带来的干扰，考虑到火焰及风力的影响，设计算法每隔一段时间取值一次，并且检测到锅的位置发生变化时多次取值。经过实际测试本模块已实现防空烧功能，并且消除了环境和颠锅的影响。

2．3 灶具边缘温度检测功能设计

采用非接触式红外测温传感器进行温度感测。红外测温仪通过热辐射原理来测量温度，反应速度快。采用MLX90614系列红外测温模块[6]，它集成了低噪声放大器、17 位ADC和数字信号处理芯片 MLX90302，可实现高精度和高分辨度。测温范围为-70℃～+400℃。采用两线串行通信协议与单片机通信，其SDA、SCL接口与单片机I/O口相连。SCL为串行时钟信号接口，SDA为数字信号接口，单片机通过SDA接口写入数据以控制模块的工作，测温模块通过SDA接口把温度数据返回给单片机。电路如图3所示。

图3 红外测温模块电路图

经过大量试验，得到了用户正常使用以及干烧时的锅边缘温度数据。为消除干扰，用连续取值的方法判断锅是否干烧。

2．4 进气量控制装置设计

进气量控制装置包括气路和模拟开关，气路由主通道与支路构成，如图4所示。

图4 进气量控制模块气路结构图

燃气火力控制器中比例阀虽控制精确，但成本太高，须220 V供电，不方便使用。为实现模块化设计，使用3 V常闭式电磁阀。此电磁阀需要大吸和电流才能打开，经过实验发现，用大电流打开电磁阀后，只需小电流维持，这样可以降低功耗。本设计使用双通道SPDT模拟开关TS3A24157控制电磁阀电源的通断来控制电磁阀。当单片机给控制主通道电磁阀A的TS3A24157(U2)的逻辑控制端IN1和IN2分别赋值1和0时，则打开通道COM1给电磁阀A通大电流以打开电磁阀，稳定后，给IN1和IN2分别赋值0和1，关闭通道COM1，打开通道COM2给电磁阀A通小电流，维持打开状态。当把U2的IN1和IN2都赋值0时，主通道电磁阀A关闭，同时用同样的方法打开支路通道电磁阀B，火力变为小火。电路如图5所示[7]。虽然本模块有2个电磁阀，但始终只有1个打开，这样可以降低系统功耗。另外，本结构设计巧妙，用户通过设置支路球形阀预置小火的大小，可消除家庭之间气压的差别，真正实现小火最小，节能更显著[8]。

图5 进气量控制模块电路图

2．5 高效率电源模块设计

采用TI的DC-DC电压转换器TPS62007，最大输出电流可达到600 mA，转换效率可达到95%。输入接3.7 V锂电池，输出为固定的3.3 V供给模块。经实验发现，一节4 000 mAh的锂电池使用时间约为400 h，平均功率为0.033 W。如果用户平均每天使用3 h，可4个月不用更换电池，满足低功耗的要求。

2．6 防故障设计

市面上的节能灶未能普及的一个重要原因就是传感器的故障率高，一旦发生故障，整个燃气灶将无法使用。本模块设计有防故障按键，当用户按下模式切换键，本节能模块关闭，电磁阀保持打开状态，此时燃气灶还原成没有加节能模块的燃气灶，可以继续使用。

3 软件设计

3．1 软件流程

软件设计采用模块化设计方法，包括主程序、中断服务程序、定时程序、超声波测距程序、红外测温程序、火力调节程序。控制流程如下：打开模块，判断是否开启自学习模式，若是，则进入自学习子程序，测定干烧温度值，测完后，关闭此模式，此时火力为大火。超声波检测是否有锅，若有则继续大火，同时红外测温模块对温度进行监测，一旦达到干烧温度，则火力关闭；若没有锅，则火力减小，然后每隔一段时间检测是否有锅，若有锅则恢复火力。系统主流程图如图6所示。

图6 系统主流程图

3．2 自学习功能

不同锅型干烧温度不同，为适应不同锅型，设计干烧温度自学习功能，提高模块的通用性。自学习功能子流程图如图7所示。

图7 自学习功能子流程图

4 结论

本系统是基于MSP430单片机的智能火力燃气灶节能模块，在分析了现有燃气灶缺点的基础上，设计出实用型节能模块。相对于现有的节能灶，它具有以下5个特色：(1)模块化结构，用模块化的方法使智能火力调控技术迅速投入市场，而不仅是作为理论技术；(2)支路控制结构，可以在正常时实现最小火力的设置，在异常时能切断燃气灶与模块的联系,避免因局部故障而导致整体瘫痪的情况；(3)干烧温度自学习功能，实现对市面上所有锅型的支持；(4)系统低功耗设计，模块无需经常更换电池；(5)应用前景广，本节能模块成本低、功能齐全、安装简单，有广泛的应用前景。

[1] 国家统计局．中国统计年鉴(2014)[M]．北京：中国统计出版社，2014.

[2] 李兆坚,江亿. 家用燃气灶热效率特性测试分析[J]. 应用基础与工程科学学报,2006,14(3):368-374.

[3] TEXAS Instruments. MSP430x2xx family user’s guide [EB/OL]. (2013-07-01)[2015-12-30].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf.

[4] 冒晓莉,杨博,杨静秋,等. 基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机[J]. 电子技术应用,2013,39(5):138-140.

[5] Zhang Ping,Guo Hui.High-precision ultrasonic ranging system[C]. Proceedings of IEEE 2011 10th International Conference on Electronic Measurement & Instruments(ICEMI'2011),2011:47-50.

[6] 吴永宏,高峰. 基于MLX90601C的红外测温仪[J]. 仪表技术与传感器,2008(2):9-11.

[7] 郭修其,周文华,郑朝武. 基于电路仿真的高压共轨电磁阀驱动电路设计[J]. 浙江大学学报(工学版),2011(5):901-906.

[8] 刘鹏，范立云，马修真，等.高速电磁阀动态响应特性响应面预测模型的研究[J].哈尔滨工程大学学报，2014(5)：537-543.

An energy-saving module of gas cookstove with low power and intelligent-fire based on MSP430

Liu Bo1，Wu Youyu1，Zhou Mingyi1，Zhang Qi1，Xu Xiaoyu1，Zhao Di2

(1.College of Information Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China;2.College of Mechanical & Electrical Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

An energy-saving module of gas cookstove with low power and intelligent-fire based on MSP430 is introduced. The system is based on technology of protection from over-burning and empty-burning, benefiting from modular design and design of unique branch, it not only can achieve the functions of intelligent-fire and self-learning, but also can upgrade traditional gas cookstove into energy-saving gas cookstove directly. At the same time, the problem that existing energy-saving gas cookstove is hard to be popularized due to high failure-rate and inconvenient maintenance is solved. The system meets the demand of being innovative and practical, and has a wide application prospect.

energy-saving and emission-reduction; intelligent-fire gas cookstove; modular design; innovative branch; MSP430

TP36

A

1674-7720(2016)07-0087-03

刘博，吴友宇，周鸣一，等. 基于MSP430的低功耗智能火力燃气灶节能模块[J].微型机与应用，2016,35(7)：87-89，93.

2016-01-01)

刘博(1995-)，男，本科，主要研究方向：嵌入式系统、计算机技术与应用。

吴友宇(1963-)，女，博士，教授，主要研究方向：嵌入式系统与智能控制。

周鸣一(1994-)，男，本科，主要研究方向：计算机技术与应用、测控技术。