智能燃氣灶具控制系統的設計與實現

郭泳軍

摘 要：傳統燃氣灶具存在部分缺陷，突出表現為結構簡單、智能化程度低。新一代智能燃氣灶具對傳統燃氣灶具進行優化，設計了專用的控制系統。此系統采用電容式感壓按鍵，通過數據處理方式來代替人工調節，并可融入云端、大數據、物聯網等人工智能手段。產品定位于智能化，將軟硬件相結合，追求精益求精的品質。經質檢部門實際檢測，本產品設計的各項指標均達到要求。

關鍵詞：控制系統;燃氣灶具;智能控制

中圖分類號：TM925.51文獻標識碼：A文章編號：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飯，而替代其進行日常生活烹飪的主要器械是燃氣灶，因其方便快捷，不需要再用柴火、煤炭這些加熱方式進行烹飪。燃氣灶已然成為大眾生活的必需品，在這樣的大環境下，它的使用安全性、損耗程度、方便程度和外觀觀賞性都受到開發者的重視，畢竟質量決定價格。只有價格低廉、質量過硬，燃氣灶產品才會受到消費者的喜愛，不然則會很快淡出人們的視線，成為不可觸碰的危險品。燃氣灶工作時需要燃燒液化氣、天然氣，具有一定的危險性，質量問題帶來的安全隱患非常嚴重。目前，整體來看，我國生產的燃氣灶設計技術水平不高、工藝結構簡單，遠沒有達到既節能安全又可以進行智能化使用的效果，所以設計工藝和能耗安全都還有很大的研究空間[1-3]。2001年，我國就制定了家用燃氣灶的安全規范章程，要求當年2月1日起，家用燃氣灶必須安裝火焰熄滅保護裝置，所以燃氣灶逐漸朝安全、節能的方向發展，新型燃氣灶往往集安全、節能、高效和美觀等性能于一體[4-6]。隨著大眾生活品質的不斷提高，由單片機主導的智能燃氣灶不斷涌現，引領新一代產品的發展潮流。

1 系統構造及硬件設計

新型燃氣灶具設計首先要安全問題，只有解決安全問題，其利用程度才會得到提高。新型燃氣灶設計采用雙重的安全保護裝置，灶頭處配有1個電磁閥和1個旋塞閥，通過兩個閥門的雙重控制，進一步降低使用風險。

新型燃氣灶具應用傳感技術，獲得感官能力;附加有一些實用功能，獲得能動性;再將這些傳感器信號、功能集成到控制模塊上，通過無線傳輸，將數據反饋到云端，通過數據采集，進行大數據分析或給部分數據設定閾值（如防干燒探頭溫度達到130 ℃，可進行自動斷氣），使得設備自動動作，實現智能化。灶具配備有防干燒、流量感應等傳感器，其使用光敏傳感、流量傳感、熱敏傳感、壓力傳感等技術，這些傳感器的應用提高了灶具的安全性和可監控性[7-9]。

1.1 單片機的選取

傳統燃氣灶具功能單一，存在較多安全隱患，本文設計的新型智能燃氣灶具對其進行了有效改進。智能燃氣灶具必須依靠計算機元件的控制，只有制定相應的控制程序，才可以實現多功能的智能化[10-11]。本設計選用的是以單片機為核心的控制單元，即由Freescale公司研發的MC68HC908GZ32型單片機。原因有二。一是這款單片機能承受-40～105 ℃的溫度，配備有32K Flash程序存儲器、1kB內存、8通道PWM和16路10位A/D，對電磁脈沖干擾有很強的抵抗力。二是它設置有一個Mon08接口，其作用非常大，它有助于設備后期的軟件調試、升級和維護，避免設備因為更新換代而被淘汰，可以一直做維護升級進行長久使用。

1.2 電磁脈沖點火

除了工作元件和工作原理，細節把控也是本設計必須重點考慮的地方。燃氣灶的主要功能是加熱和烹飪食材，所以點火是設備的關鍵。如果設備打火出現失誤，燃氣灶具就失去存在的意義。研究發現，傳統點火裝置已經很完善，不需要再做過研究。所以，本設計采用傳統的點火方式，即同樣使用12 K強電壓脈沖。

傳統燃氣灶具的點火裝置設計良好，其工作原理簡單，點火裝置配有大小和方向都隨周期變化的振蕩電路，如圖1所示。點火時，Pluse開始輸入高電平，由Q2導通，點火電路進入運行狀態，振蕩電路由T1變壓后產生60 V大小的脈沖信號，到達快恢復二極管進行整流，就形成了穩定的直流電，再經過R2電阻對C2電容進行充電，然后把能量保存在C3電容上。等C2電壓提升至30～35 V時，雙向二極管便疏通，觸發可控硅SCR導通，C3上能量經過雙向可控硅SCR向二級升壓變壓器T2的初級線圈釋放能量，經過T2次級升壓后產生12 kV以上的高壓，這樣的高壓可以打破一定厚度的空氣，完成點火。電容C3在放電后會再次充電，便出現連續不斷的電磁點火效應。點火裝置可以在很短的時間內完成點火，步驟看似復雜，幾秒內就可以迸發出驚人的能量。

2 軟件設計

智能控制系統通過傳感器反饋的數據來控制灶具[12-13]。例如，利用云端監控，監控灶具使用時的燃燒溫度，一旦發生異常，提前預知售后問題;利用大數據分析，統計用戶使用機器的時間段、火力大小，分析出用戶喜歡爆炒菜系還是清蒸的菜系，然后推薦菜譜。灶具再根據菜譜選擇，自動進行烹飪。其間可以設定菜譜運行程序，如蒸排骨。先加油、放肉，大風量、大火力爆炒一段時間，然后小火力、小風量蒸一段時間，節約能源和時間，全程都在APP中顯示。

智能燃氣灶必須依靠應用軟件進行智能控制，程序設計需要通過實際運用來進行調整和測試。很多電子類產品都需要進行后期維護，本設計保留的Mon08接口就是為了便于軟件后期維護。其運行不需要太多軟件做支撐，所以軟件采取明顯的層次劃分，只設定一個主程序，再由這個主程序控制連接多個子程序，這對后期維護升級有巨大幫助，不用反復查找問題軟件的位置，只需要通過主軟件就可以找到出現問題或需要升級的軟件。軟件加入后，要對其進行初步調試，把所有程序先還原至最初狀態，然后測試操作按鍵，記錄分析其鍵值，再通過鍵值來控制對應的執行單元。采取刷新顯示等指令，對A/D樣本進行阻斷處理。這樣，整套軟件設計就可以完成。

3 測試結果

為了證明設備的真實有效性，筆者對設計的智能控制系統做了多方面的試驗，特別是點火效率。數據顯示，多次點火得出的平均點火時間為4.7 s，從點火時間來看，與傳統燃氣灶具相比，新型智能燃氣灶具沒有太大的提升，時差不到1 s。但是，安全保護裝置的測試有明顯的收獲，測試時讓燃氣灶進入工作狀態，然后隨機選個時間撲滅火焰，以模仿實際生活中的湯汁溢出現象。經多次反復試驗，數據表明，設計的熄火保護裝置十分靈敏，每次只要火焰被撲滅后2.6 s左右，設備會自動啟動熄火保護裝置，說明本次設計的燃氣灶在安全方面是有保障的。另外，對定時功能進行測試，分別對定時10 min和1 h做了測驗。試驗結果顯示，對于10 min定時工作，在598 s時，設備自動停止工作并關閉燃氣閥門;對于1 h定時工作，在596 s時，設備自動停止工作并關上燃氣閥門。因此，本次設計的智能燃氣灶具是可行的，各項設定的功能都能準確無誤地運行，安全保護裝置非常有效。

4 結語

與以往的傳統燃氣灶具相較，本文設計的新型智能燃氣灶具有如下優點。一是使用更加便捷，拋棄傳統的旋鈕式按鍵，采用物理感壓式按鍵，可以智能控制火力大小，智能調節關火時間功能。二是更加安全實用，采用新型熄火保護裝置，在火焰燃燒時可以智能關閉燃氣，避免泄露，同時配有電容式溫度檢測器，能夠實時觀察火力輸送情況，有效檢測燃氣的輸送是否滿足需要，便于偵測管道或內部是否有破裂，及時發現是否有漏氣現象。三是更具觀賞性，一改曾經的不銹鋼面板風格，調整平面設計，不再采用圓滑式面板。操作面板改為平整的玻璃式結構，更為美觀，便于清潔，還可采用數字顯示，實時觀察設備執行狀態，使用更安心。

參考文獻：

[1]姚軍波，楊選民.智能燃氣灶具控制系統的設計[J].家電科技，2011（1）：79-80.

[2]吳錦躍，呂新潮，高明煜.智能燃氣灶具控制系統的設計與實現[J].杭州電子科技大學學報，2007（4）：5-8.

[3]張新榮，張宇林.基于單片機的燃氣取暖爐智能控制系統設計[J].煤炭技術，2012（5）：188-190.

[4]郭淳.小流量、低壓力燃氣爐溫度控制系統的設計與應用[J].硬質合金，2000（3）：189-192.

[5]孫圣，盧慧芬，王群.吸油煙機燃氣灶高效智能聯動控制裝置的設計[J].電氣自動化，2013（6）：71-73.

[6]黃超，李明杰，胡姣.氣墊爐成套配套自動化控制系統的設計與實現[J].自動化技術與應用，2012（9）：55-58.

[7]陳杰.船用燃油鍋爐改燃氣鍋爐控制系統設計[J].機械工程師，2016（10）：79-81.

[8]萬有群.燃氣灶具點火控制器無線供電系統的電磁耦合機構研究與設計[D].重慶：重慶大學，2017.

[9]張新榮，徐保國.一種燃氣鍋爐溫度及水位控制系統設計[J].自動化儀表，2012（6）：23-25.

[10]張堃.基于群控技術的燃氣鍋爐供暖節能控制系統設計[D].重慶：重慶大學，2016.

[11]陳前虎.臺車式工業燃氣爐窯PLC控制系統的設計與應用[D].重慶：重慶大學，2009.

[12]趙玲.燃氣鍋爐動態氣候補償供熱控制系統設計[J].黑龍江科學，2018（16）：80-81.

[13]王嘉煒，鄧若飛.燃氣鍋爐的動態氣候補償供熱控制系統設計[J].化學工程與裝備，2017（4）：15-17.