一种新型智能燃气灶控制系统的研制

刁琛桃 张兴强 孟天

【摘 要】随着清洁能源的使用迅速普及，燃气已经成为日常生活的重要能源来源，燃气灶也得以广泛使用。本文主要介绍了一种在单片机控制下的智能燃气灶控制系统的设计与实现。该系统以单片机为核心控制器，实现了一键点火启动，自动定时烹饪，进气量自动控制，意外熄火保护，燃气泄漏报警等功能。这使得燃气灶更人性化，更方便易用。

【关键词】MC9S12XS128单片机 智能燃气灶 自动烹饪定时 燃气泄漏报警

1引言

随着科技的发展，清洁能源的使用得以普及，燃气灶也得以广泛使用。消费者对燃气灶的使用除了基本功能的要求外，对其安全性，方便性和耐用性也提出了更高的要求。基于单片机控制的智能燃气灶的开发可以满足消费者这方面的需求。

2系统的基本结构介绍

该系统的主要功能有：一键点火启动，自动定时烹饪，电子平滑自动调节进气量，意外熄火保护，燃气泄漏及意外情况报警等功能。[1]

系统硬件部分主要由电源部分，单片机最小核心板，电子脉冲点火部分，进气量控制部分，无线传输模块，燃气泄漏检测系统，按键控制部分，火焰检测，显示部分组成。[2]

2.1 一键点火功能

按下启动按键后，主系统首先向子系统发送一个检测信号，收到安全信号后，微处理器控制电磁阀打开，旋钮打开同时脉冲电子点火电路开始工作，同时不断对火焰检测器采样判断是否达到火焰存在的阈值，如果达到，则停止点火电路的运行。如果超过阈值时间始终无法检测到火焰存在信号则停止点火，关闭电磁阀，报警提示。

2.2 意外熄火保护

系统正常工作时，定时采样火焰检测器的情况，如果判断其值低于正常工作的阈值，则认为系统熄火，微处理器立即关闭电磁阀，进行报警提示等待用户处理。

2.3 定时自动烹饪

用户提前设置好系统的烹饪过程。例如，设置系统前15分钟以最大火量加热，15分钟后要求使用小火加热20分钟。系统点火启动后，微处理器发出信号，步进电机带动阀门旋钮转到最大，并计时；计时15分钟后，微处理器发送信号，步进电机带动阀门旋到中间，并进行计时20分钟，计时20分钟后，微处理器控制阀门关闭，电磁阀闭合，报警提示。

2.4 燃气泄漏报警

主系统正常工作时，当MQ6检测到空气中浓度值达到设定阈值时，会发出响应信号，随后子系统通过无线模块向主机发送报警信号，主机接收到信号后，立即进行熄火动作，关闭阀门，并报警提示，等待用户处理。当主系统处于待机时，同样接收到子系统的报警信号后，进行报警提示。

3 系统硬件设计

3.1 单片机的选取

受限于燃气灶高温、强电磁干扰的工作环境，要保障系统可靠的工作，必须选用抗干扰能力强的单片机来实现各个功能。基于以上考虑，本系统中选用了Freescale公司的MC9S12XS128单片机。该单片机是16位的高速，低功耗的微处理器，它有128KB程序Flash和8KB DataFlash；有8、10、12位的ADC，3us转换时间；4通道16位计数器；工作温度-40°～120°。完全能满足系统要求。[3]

3.2 火焰检测

火焰检测是用来探测灶头处是否有火焰存在，是保障燃气灶安全性的重要措施。通过对点火器的分析，当火焰存在时，其内部会产生一个微弱的电流，该电流可以被控制器的AD模块采集到，以此来判断系统是否打火成功获熄火等运行状态。

火焰检测传感器本系统采用了性价比较高的热电偶感应针来实现，它装配简单，量程可以达到-200～2800°，虽然相比于离子火焰传感器，它的响应时间稍长，但是在毫秒级的延迟对于燃气灶的实际应用的影响可以忽略。

3.3 脉冲点火电路

本系统采用一个震荡变压器和电阻来组成自激震荡电路，然后通过高压脉冲变压器的初级产生高压。当单片机发出点火的动作信号时，点火系统开始震荡，并通过高压变压器的初级产生高压放电，电火花点燃天然气，完成点火功能。

3.4 进气量控制

进气量的控制是由一个12V的步进电机带动带有电磁阀的调节器的旋钮阀门转动来实现进气量的控制。

步进电机选用35BYJ46步进电机，它扭矩大，歩距角7.5度。由于本系统对系统的精度要求不是特别高，故采用该步进电机完全可以满足控制需要。驱动采用ULN2003驱动，该驱动可靠性高。当微处理器下达一定的进气量要求时，步进电机带动阀门旋钮来调整进气阀门，实现进气量调整；当微处理器下达关闭阀门的信号时，电磁阀门关闭，同时步进电机带动阀门旋钮旋转到闭合的位置，这样双重保证了燃气通道的可靠关闭。

3.5 燃气泄漏检测系统

燃气泄漏检测系统是独立于燃气灶系统之外，通过蓝牙无线模块进行数据通信，之所以将该功能独立于燃气灶系统之外，是因为天然气的主要成分为甲烷，天然气比空气轻，故燃气检测装置应安装在高处。液化气的主要成分为丙烷、丁烷等有机化合物，它气体状态的密度也比空气大，故以燃气泄漏检测应该安装在较低的位置。所以把该功能单独作为一个独立的子系统能够更好地兼容使用石油液化气和天然气的用户，也能更好地发挥其功能。[4]

该子系统控制器采用STC89C51单片机，该单片机抗干扰性强。燃气检测传感器采用MQ6液化气检测模块，该模块的灵敏度高，能够准确地检测空气中的液化气。信号传输采用了H-05主从一体的蓝牙模块，与主系统通信。

4 系统软件设计

本系统的软件设计包括主系统和子系统的程序设计。这两部分的程序设计都采用了标准程序开发的模块化设计规范，提高程序的可读性和可维护性，为以后的系统功能添加和完善提供了方便。整个软件应用采用C语言进行代码编写，使用Freescale公司的CodeWarrior IDE开发编译环境，生成代码简炼高效。主系统程序包括键值解析，步进电机驱动信号的产生，液晶显示驱动，无线模块信号的接收处理等功能的具体实现。子系统程序包括MQ6信号的接收以及无线模块信号的发出和接受。

5 结语

该智能燃气灶控制系统比市面上的燃气灶具有一下优点：（1）自动定时烹饪。能够按用户需求自动分时分火力烹饪食物；（2）燃气泄漏检测与燃气灶相关联。燃气泄漏检测独立于主系统之外，既兼容了不同燃气的使用需求，也使得燃气泄漏后第一时间切断正在使用的燃气灶，确保安全。

参考文献：

[1]姚军波，杨选民.智能燃气灶具控制系统的设计[J].家电科技，2011（01）.

[2]任勇.单片机原理及应用[M].清华大学出版社，2012.

[3]王刚建，马文伟，曾仁智，沙芳华.基于单片机的智能灶具安全装置的实现[J].现代农业科学，2008（08）.

*本论文由大学生创新创业训练计划项目支持。