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(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）
摘要：介紹了一種基于MSP430單片機(jī)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(jì)以及獨(dú)特的支路設(shè)計(jì)，不僅實(shí)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(shí)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(jì)；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(fèi)［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(fèi)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(jì)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(shí)現(xiàn)智能火力調(diào)節(jié)。本模塊在解決燃?xì)饫速M(fèi)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(shí)現(xiàn)人們生活的智能化與節(jié)能減排具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1系統(tǒng)方案
圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖本文實(shí)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(jì)；系統(tǒng)低功耗；適應(yīng)不同型號的鍋。本系統(tǒng)由單片機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)來控制。
2硬件設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)
本模塊采用TI公司的MSP430G2553單片機(jī)［3］，該單片機(jī)具有低電壓工作、超低功耗、抗干擾性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。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(fèi)資源，硬件電路得以簡單化。單片機(jī)電路如圖2所示。3.3 V電壓給單片機(jī)供電，同時單片機(jī)的ADC模塊采集鋰電池電壓以實(shí)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(bào)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(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收，得到的時間差由單片機(jī)處理。2個I/O口與紅外測溫模塊的SCL、SDA相連實(shí)現(xiàn)模塊與單片機(jī)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(dú)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］?！ ?/p>
2．2灶具位置檢測功能設(shè)計(jì)
采用超聲波測距實(shí)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(jì)算出灶到鍋的距離。單片機(jī)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(jī)檢測高電平的時間（超聲波從發(fā)射到接收的時間），單片機(jī)根據(jù)時間計(jì)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(jì)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(shí)際測試本模塊已實(shí)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(jì)
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(shí)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(jī)通信，其SDA、SCL接口與單片機(jī)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(jī)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(jī)。電路如圖3所示。
經(jīng)過大量試驗(yàn)，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(jì)
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(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jī)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(jì)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(shí)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(jì)
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(shí)驗(yàn)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(jì)
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(jì)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(jì)
3．1軟件流程
軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)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(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)對市面上所有鍋型的支持；（4）系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)，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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