智能燃气灶具控制系统的设计与实现

2020-08-25郭泳军

河南科技 2020年20期

郭泳军

摘要：传统燃气灶具存在部分缺陷，突出表现为结构简单、智能化程度低。新一代智能燃气灶具对传统燃气灶具进行优化，设计了专用的控制系统。此系统采用电容式感压按键，通过数据处理方式来代替人工调节，并可融入云端、大数据、物联网等人工智能手段。产品定位于智能化，将软硬件相结合，追求精益求精的品质。经质检部门实际检测，本产品设计的各项指标均达到要求。

关键词：控制系统;燃气灶具;智能控制

中图分类号：TM925.51文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）20-0066-03

Abstract： The traditional gas cooker has some defects， which are characterized by simple structure and low intelligence. The new generation of intelligent gas stoves optimize traditional gas stoves and design a dedicated control system. This system uses capacitive pressure-sensitive buttons， instead of manual adjustment through data processing， and can be integrated into artificial intelligence methods such as the cloud， big data， and the Internet of Things. The product is positioned to be intelligent， combining hardware and software， and pursuing excellence. After the actual inspection by the quality inspection department， the indicators of this product design have reached the requirements.

Keywords： control system;gas cooker;intelligent control

當下，在日常生活中，很少有人用柴火灶做饭，而替代其进行日常生活烹饪的主要器械是燃气灶，因其方便快捷，不需要再用柴火、煤炭这些加热方式进行烹饪。燃气灶已然成为大众生活的必需品，在这样的大环境下，它的使用安全性、损耗程度、方便程度和外观观赏性都受到开发者的重视，毕竟质量决定价格。只有价格低廉、质量过硬，燃气灶产品才会受到消费者的喜爱，不然则会很快淡出人们的视线，成为不可触碰的危险品。燃气灶工作时需要燃烧液化气、天然气，具有一定的危险性，质量问题带来的安全隐患非常严重。目前，整体来看，我国生产的燃气灶设计技术水平不高、工艺结构简单，远没有达到既节能安全又可以进行智能化使用的效果，所以设计工艺和能耗安全都还有很大的研究空间[1-3]。2001年，我国就制定了家用燃气灶的安全规范章程，要求当年2月1日起，家用燃气灶必须安装火焰熄灭保护装置，所以燃气灶逐渐朝安全、节能的方向发展，新型燃气灶往往集安全、节能、高效和美观等性能于一体[4-6]。随着大众生活品质的不断提高，由单片机主导的智能燃气灶不断涌现，引领新一代产品的发展潮流。

1 系统构造及硬件设计

新型燃气灶具设计首先要安全问题，只有解决安全问题，其利用程度才会得到提高。新型燃气灶设计采用双重的安全保护装置，灶头处配有1个电磁阀和1个旋塞阀，通过两个阀门的双重控制，进一步降低使用风险。

新型燃气灶具应用传感技术，获得感官能力;附加有一些实用功能，获得能动性;再将这些传感器信号、功能集成到控制模块上，通过无线传输，将数据反馈到云端，通过数据采集，进行大数据分析或给部分数据设定阈值（如防干烧探头温度达到130 ℃，可进行自动断气），使得设备自动动作，实现智能化。灶具配备有防干烧、流量感应等传感器，其使用光敏传感、流量传感、热敏传感、压力传感等技术，这些传感器的应用提高了灶具的安全性和可监控性[7-9]。

1.1 单片机的选取

传统燃气灶具功能单一，存在较多安全隐患，本文设计的新型智能燃气灶具对其进行了有效改进。智能燃气灶具必须依靠计算机元件的控制，只有制定相应的控制程序，才可以实现多功能的智能化[10-11]。本设计选用的是以单片机为核心的控制单元，即由Freescale公司研发的MC68HC908GZ32型单片机。原因有二。一是这款单片机能承受-40～105 ℃的温度，配备有32K Flash程序存储器、1kB内存、8通道PWM和16路10位A/D，对电磁脉冲干扰有很强的抵抗力。二是它设置有一个Mon08接口，其作用非常大，它有助于设备后期的软件调试、升级和维护，避免设备因为更新换代而被淘汰，可以一直做维护升级进行长久使用。

1.2 电磁脉冲点火

除了工作元件和工作原理，细节把控也是本设计必须重点考虑的地方。燃气灶的主要功能是加热和烹饪食材，所以点火是设备的关键。如果设备打火出现失误，燃气灶具就失去存在的意义。研究发现，传统点火装置已经很完善，不需要再做过研究。所以，本设计采用传统的点火方式，即同样使用12 K强电压脉冲。

传统燃气灶具的点火装置设计良好，其工作原理简单，点火装置配有大小和方向都随周期变化的振荡电路，如图1所示。点火时，Pluse开始输入高电平，由Q2导通，点火电路进入运行状态，振荡电路由T1变压后产生60 V大小的脉冲信号，到达快恢复二极管进行整流，就形成了稳定的直流电，再经过R2电阻对C2电容进行充电，然后把能量保存在C3电容上。等C2电压提升至30～35 V时，双向二极管便疏通，触发可控硅SCR导通，C3上能量经过双向可控硅SCR向二级升压变压器T2的初级线圈释放能量，经过T2次级升压后产生12 kV以上的高压，这样的高压可以打破一定厚度的空气，完成点火。电容C3在放电后会再次充电，便出现连续不断的电磁点火效应。点火装置可以在很短的时间内完成点火，步骤看似复杂，几秒内就可以迸发出惊人的能量。

2 软件设计

智能控制系统通过传感器反馈的数据来控制灶具[12-13]。例如，利用云端监控，监控灶具使用时的燃烧温度，一旦发生异常，提前预知售后问题;利用大数据分析，统计用户使用机器的时间段、火力大小，分析出用户喜欢爆炒菜系还是清蒸的菜系，然后推荐菜谱。灶具再根据菜谱选择，自动进行烹饪。其间可以设定菜谱运行程序，如蒸排骨。先加油、放肉，大风量、大火力爆炒一段时间，然后小火力、小风量蒸一段时间，节约能源和时间，全程都在APP中显示。

智能燃气灶必须依靠应用软件进行智能控制，程序设计需要通过实际运用来进行调整和测试。很多电子类产品都需要进行后期维护，本设计保留的Mon08接口就是为了便于软件后期维护。其运行不需要太多软件做支撑，所以软件采取明显的层次划分，只设定一个主程序，再由这个主程序控制连接多个子程序，这对后期维护升级有巨大帮助，不用反复查找问题软件的位置，只需要通过主软件就可以找到出现问题或需要升级的软件。软件加入后，要对其进行初步调试，把所有程序先还原至最初状态，然后测试操作按键，记录分析其键值，再通过键值来控制对应的执行单元。采取刷新显示等指令，对A/D样本进行阻断处理。这样，整套软件设计就可以完成。

3 测试结果

为了证明设备的真实有效性，笔者对設计的智能控制系统做了多方面的试验，特别是点火效率。数据显示，多次点火得出的平均点火时间为4.7 s，从点火时间来看，与传统燃气灶具相比，新型智能燃气灶具没有太大的提升，时差不到1 s。但是，安全保护装置的测试有明显的收获，测试时让燃气灶进入工作状态，然后随机选个时间扑灭火焰，以模仿实际生活中的汤汁溢出现象。经多次反复试验，数据表明，设计的熄火保护装置十分灵敏，每次只要火焰被扑灭后2.6 s左右，设备会自动启动熄火保护装置，说明本次设计的燃气灶在安全方面是有保障的。另外，对定时功能进行测试，分别对定时10 min和1 h做了测验。试验结果显示，对于10 min定时工作，在598 s时，设备自动停止工作并关闭燃气阀门;对于1 h定时工作，在596 s时，设备自动停止工作并关上燃气阀门。因此，本次设计的智能燃气灶具是可行的，各项设定的功能都能准确无误地运行，安全保护装置非常有效。

4 结语

与以往的传统燃气灶具相较，本文设计的新型智能燃气灶具有如下优点。一是使用更加便捷，抛弃传统的旋钮式按键，采用物理感压式按键，可以智能控制火力大小，智能调节关火时间功能。二是更加安全实用，采用新型熄火保护装置，在火焰燃烧时可以智能关闭燃气，避免泄露，同时配有电容式温度检测器，能够实时观察火力输送情况，有效检测燃气的输送是否满足需要，便于侦测管道或内部是否有破裂，及时发现是否有漏气现象。三是更具观赏性，一改曾经的不锈钢面板风格，调整平面设计，不再采用圆滑式面板。操作面板改为平整的玻璃式结构，更为美观，便于清洁，还可采用数字显示，实时观察设备执行状态，使用更安心。

参考文献：

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