智能抽油煙機控制器的研制

吳萍，曾智忠，江世明，龍忠

（邵陽學院，湖南邵陽，422000）

0 引言

抽油煙機是家庭廚房通用的產品，在改善家庭環境中起到重要作用，然而縱觀現在的抽油煙機，存在兩個問題：一是啟動和關閉抽油煙機是人為決定，由于存在個體對油煙濃度判斷的差異，因此存在過抽和欠抽的問題；二是炒菜過程中，油煙是動態變化的，而傳統的抽油煙機抽風的速度是固定的，因此存在油煙濃度與抽風速度不匹配的問題。如何解決這兩個問題，本文提出了一種智能抽煙機技術方案，并加以實施，按照國標（GB/T17713-2011）要求，自動開啟和關閉抽油煙機，抽油煙速度自適應調整，從而實現了又智能又節能的目標。

1 技術方案

智能抽油煙機組成如圖1所示。

圖1 智能抽油煙機組成框圖

在抽油煙的四周，均布四個油煙濃度傳感器，抽風機中裝有轉速傳感器，抽風機的轉速由晶體管數字控制器控制。顯示器由兩個串口LED顯示模塊組成，用于顯示油煙濃度和抽風強度。網絡模塊與CPU相連。系統通電后，在CPU控制下，每1秒檢測一次周圍油煙濃度，然后根據油煙檢測值控制抽風機的開關和運轉速度[1]。為實現智能物聯，系統采集數據通過ESP8266WIFI模塊，傳送到Onenet云平臺，手機APP客戶端接收來自云平臺數據，遠程控制抽油煙機的開關[2]。

2 系統電路設計

2.1 油煙濃度檢測電路

如圖2是油煙濃度檢測電路。

圖2 油煙濃度檢測電路

油煙濃度檢測采用TGS2600Q氣體傳感器，LM393為比較放大器， AOUT1輸出模擬量，DOUT1輸出數字量[3]，本設計AOUT1接CPU的A/D轉換端。

2.2 抽風機轉速控制

2.2.1 集成專用調壓芯片WS100T10

風機采用調壓控制技術，WS100T10是一塊用于工頻的交流控制系統的專用集成電路，采用CMOS工藝制造，與外部交流脈沖同步的全數控精密雙通道雙向可控硅移相觸發電路[4]。每個通道單獨控制，并提供多種控制方式以滿足用戶不同的應用要求,WS100T10的引腳分布如圖3所示。

圖3 WS100T10引腳分布圖

DATA是數據端；

CLK是同步脈沖端；

STB是同步信號；

AC_CP_IN腳是同步信號輸入端；

CH1_OUT、CH2_OUT腳是雙通道脈沖輸出端。

WS100T10的工作時序如圖4所示。

圖4 WS100T10工作時序

系統在程序控制下，將數據從DATA端，按圖4的工作時序，寫入到WS100T10中。向WS100T10寫入0XXXXXXX 是控制第7 腳，寫入1XXXXXXX 是控制第6 腳。當XXXXXXX=0時, 7、8腳輸出低電平（關閉）,當XXXXXXX=1時，全功率輸出。在交流電是50Hz時，XXXXXXX=1→80功率從最大到關閉[5]，波形如圖5所示。

圖5 WS100T10寫入數據與觸發角的關系示意圖

2.2.2 交流過零檢測電路

WS100T10芯片的AC_CP_IN引腳是同步信號輸入端，對于交流調壓系統來說，需要給他提供的是交流過零信號[6]。圖6是交流過零檢測電路，R2、R3是限流電阻，R1是上拉電阻，P620是雙向光耦。圖7是過零檢測電路在Proteus中的仿真結果。從仿真結果看，輸入端過零時，在輸出端輸出一個方波。

圖6 過零檢測電路

2.2.3 風機調速電路

風機轉速控制電路如圖8所示。L、N接電源，N、LOUT接風機，PA7、PB1、PB10與CPU相連。TLP620是雙向光電耦合器，用來檢測交流過零點，TLP620的輸出端4腳接WS100T10的5腳，交流過零點信號從AC_CP_IN腳輸入。CPU通過程序，按圖4時序，通過PA7、PB1、PB10寫入數據。WS100T10接到過零信號后，將根據寫入的數據，從WS100T10的7腳發出脈沖信號，MOC3022是光耦驅動集成電路，控制雙向晶闡管Q1。當XXXXXXX=0時,7腳輸出低電平，晶闡管無觸發，系統關閉；當XXXXXXX=1時，7腳輸出端電平，晶闡管全導通，全功率輸出；當XXXXXXX=1→80時，WS100T10接收到過零信號后，根據接收數據向MOC3022發出脈沖，數字越大，所發發脈沖離過零信息的時間就越短，從而實現抽風機調速[7]。

圖8 風機控制電路

2.3 抽油煙機轉速檢測電路

抽油煙機轉速檢測電路如圖9所示。采用霍爾傳感器，檢測抽風機的轉速，霍爾傳感器裝在風葉之間[8]。圖10是實驗時采集到的波形（轉速增大，波形變密）。

圖9 霍爾傳感器

圖10 霍爾傳感器實測波形

2.4 物聯網監控

產品與手機智能物聯方案如圖11所示，CPU通過ESP8266將采集數據送到Onenet云平臺,同時接收來自產品發來的指令。手機APP是自主設計的特定程序，連接網絡后，接收來自云平臺的數據。

圖11 智能物聯方案

2.5 顯示電路

顯示系統由兩組四位一體串口數碼管組成，一組用于顯示油煙濃度，另一組用于顯示抽油煙機轉速，顯示的數據通過圖12的J1-1、J1-2寫入。

圖12 四位一體數碼顯示模塊

3 系統程序設計思路

系統啟動后，在CPU的控制下，對油煙機周圍四個傳感器的濃度每1秒鐘采樣一次，并進行A/D轉換。當發現有任何一個點的油煙濃度超標，立即啟動抽煙機的排風扇（轉速設為750轉/秒）。

系統調速：每1秒檢測一次，取最大值D。油煙濃度在2.0ppm以下時，根據采樣結果，按n=750D（轉/秒）的公式調速。油煙濃度在2.0ppm以上時，系統以額定轉速運行（n=1500轉/秒）。在炒菜過程中，會出現油煙忽大忽小的問題，同樣取最大值作為調節的依據。

系統啟停機條件：當檢測到周圍油煙濃度低于國家標準值時（0.50ppm），系統再延續5分鐘停機；當系統檢測到周圍油煙濃度大于國家標準值時，啟動抽油煙機。系統程序流程如圖13所示。

圖13 系統程序流程圖

4 樣機研制

以側吸式抽油機為例，進行技術改造，在抽油煙機的四周均勻布置四個油煙濃度檢測傳感器，上方安置兩個四位一體的數碼管，用于顯示油煙厚度和抽風機的轉速。霍爾傳感器裝在抽風機的間板中。整個系統在CPU控制下工作，系統不斷檢測油煙濃度，根據油煙濃度調整決定系統的開關和轉速的大小，產品和實物如圖14，實測油煙濃度與轉速的關系如圖15，手機遠程監控界面如圖16。

圖14 產品樣機

圖15 濃度與轉速的關系圖

圖16 手機監控界面

表1 實測油煙濃度與轉速的關系

5 結論

實測數據表明，當油煙濃度高于0.56ppm時，系統開啟抽油煙機，當油煙濃度低于0.50ppm時，關閉抽油煙機，符合國標（GB/T 17713-2011）的要求。當抽油煙機開啟時，油煙濃度增加，轉速增加。油煙濃度降低，轉速隨著降低。