智能安全節能燃氣灶設計

徐嘯宇 付彥喆 武漢理工大學信息工程學院通信工程系

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智能安全節能燃氣灶設計

徐嘯宇 付彥喆 武漢理工大學信息工程學院通信工程系

【文章摘要】

【關鍵詞】

MSP430處理器，；TMS320VC5509A；測距系統；防止干燒

引言

日常生活中，家庭烹飪會發生空燒現象。根據對200戶普通家庭是否關火的習慣調查發現：22%家庭出菜不關火，58%家庭出菜偶爾關火，20%家庭出菜刷鍋關火［1］。同時，在進行長時間烹飪的過程中有可能發生燒干鍋現象。本文針對以上情況設計了一種安全的，智能火力調節的燃氣灶模塊。模塊以MSP430低功耗芯片作為主控，根據聲波測距模塊返回的位置數據控制電磁閥以及支路系統的通斷［2］。并以TMS320VC55X系列的實時處理DSP進行數據處理，對紅外測溫系統獲得的溫度數據進行濾波處理，判斷是否出現干燒現象。本模塊也具有自動進入休眠模式功能，若用戶長時間不操作則自動進入休眠，降低功耗［3］。

1.系統結構設計

本模塊共由五個部分組成：由MSP430單片機組成的主控模塊，由TMS320VC55X系列處理器構成的數字信號處理模塊，由電磁閥以及模擬開關組成的支路控制模塊，由紅外測溫系統及聲波測距系統組成的測量模塊，由蜂鳴器組成的報警模塊。系統結構設計圖如圖1所示。

圖1　 系統結構設計

2.硬件設計

2.1支路控制模塊的設計

支路控制模塊主體為特殊設計的支路系統，電磁閥和模擬開關TS3A23159。其中，特殊設計的支路系統由兩路氣路組成。第一支路由電磁閥1控制，屬于小出氣量支路；第二支路由電磁閥2控制，屬于大出氣量支路。當聲波測距系統檢測到鍋離開灶臺時，控制雙路的模擬開關打開電磁閥1，關閉電磁閥2以減小火力。反之，則增大火力。

2.2測量模塊

由紅外測溫系統和聲波測距系統組成。其中紅外測溫系統采用MLX90614紅外測溫模塊。它集成了低噪聲放大器、 16位ADC和數字信號處理芯片MLX90614，有高精度高分辨度。測溫范圍為-70℃到280℃。聲波測距系統采用超聲波測距。超聲波測距系統有15度傾角，能避免在顛鍋時火焰熄滅的危險。

2.3主控及信號處理器

主控采用MSP430G2553超低功耗單片機，采用專用的燃氣灶電池并配合升壓電路得到3.3V穩定電壓。升壓電路采用TPS63001 的DC-DC轉換芯片，能將3V直流電壓轉換為3.3V直流電壓，效率高達96%。數字信號處理器采用TMS320VC5509A的DSP器件，此種系列的DSP具有低功耗，運算速度快等特點。

3.數據處理

由于需要對測得的溫度信號進行數據處理，我們采用DSP器件對溫度數據進行數字濾波得到溫度數據，并判斷是否關閉電磁閥。測得的溫度數據見圖2。

實驗共測得5400組數據，補零后有6000組數據，每秒鐘測得十組數據。我們選用切比雪夫Ι型濾波器。Fs=10Hz，Wp=1Hz，Ws=2Hz，Ap=1dB，As=60dB；由式（1）（2）。

圖2　 溫度測量數據

可確定N=7，通過查表可以確定歸一化系統函數為：

其中：［Ai］=［0.0307，0.2137，0.5486，1.3 575，1.429，2.1761，0.9231］

將系統函數去歸一化可得到并利用沖激響應不變法可以得到數字化的系統函數：

其中：［Bj］=［0.0064，0.0445，0.1335，0.22 26，0.1335，0.0445，0.0064］

［Ai］=［1，-6.543，18.512，-29.356，28.173，-16.360，5.323，-0.748］

濾波后得到圖2的效果。由溫度測量數據可以看出實測的水燒干的時間出現在4300點左右，即在250s時水燒干。經過濾波后可見水燒干的時間在4500點左右。可見誤差：

即在水燒干約20s后可以關斷電磁閥。

4.結束語

本文介紹了系統結構，軟硬件設計。并著重從信號處理方面分析了該模塊的防干燒的安全功能。多角度考慮，盡可能提升系統安全性。作為智能燃氣灶的核心，主控系統的安全性必須滿足國家要求，只有配備高可靠性的設備才能使安全得到保障。

【參考文獻】

［1］中國民營科技實業家協會，《關于我國餐飲企業能源消耗和節能工作現狀的報告和建議》.公用科技，2012：3-15

［2］王志國，《家用燃氣灶具結構及性能分析》.科技情報開發與經濟，2010：1-11

［3］易家言，《家用燃氣灶的發展及展望［J］》.現代家電，2005，（24）：48-49

本文介紹了一種基于MSP430處理器和TMS320VC55X系列DSP的智能燃氣灶節能模塊。該系統通過聲波測距系統測定灶具與火焰距離，根據制定的控制邏輯控制火力大小。用溫度傳感器測定灶具溫度，根據灶具工作的溫度曲線控制電磁閥的通斷以防止干燒。系統通過模塊化以及創新型支路系統設計，實現燃氣灶的智能調節及安全控制的效果。