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(jié)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(tǒng)；防止干燒

引言

日常生活中，家庭烹飪會發(fā)生空燒現(xiàn)象。根據(jù)對200戶普通家庭是否關火的習慣調查發(fā)現(xiàn)：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(fā)生燒干鍋現(xiàn)象。本文針對以上情況設計了一種安全的，智能火力調節(jié)的燃氣灶模塊。模塊以MSP430低功耗芯片作為主控，根據(jù)聲波測距模塊返回的位置數(shù)據(jù)控制電磁閥以及支路系統(tǒng)的通斷［2］。并以TMS320VC55X系列的實時處理DSP進行數(shù)據(jù)處理，對紅外測溫系統(tǒng)獲得的溫度數(shù)據(jù)進行濾波處理，判斷是否出現(xiàn)干燒現(xiàn)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)及聲波測距系統(tǒng)組成的測量模塊，由蜂鳴器組成的報警模塊。系統(tǒng)結構設計圖如圖1所示。

圖1　 系統(tǒng)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(tǒng)，電磁閥和模擬開關TS3A23159。其中，特殊設計的支路系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)和聲波測距系統(tǒng)組成。其中紅外測溫系統(tǒng)采用MLX90614紅外測溫模塊。它集成了低噪聲放大器、 16位ADC和數(shù)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(tǒng)采用超聲波測距。超聲波測距系統(tǒng)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(wěn)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(shù)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(shù)據(jù)處理

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

實驗共測得5400組數(shù)據(jù)，補零后有6000組數(shù)據(jù)，每秒鐘測得十組數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)

可確定N=7，通過查表可以確定歸一化系統(tǒng)函數(shù)為：

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

將系統(tǒng)函數(shù)去歸一化可得到并利用沖激響應不變法可以得到數(shù)字化的系統(tǒng)函數(shù)：

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(shù)據(jù)可以看出實測的水燒干的時間出現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)安全性。作為智能燃氣灶的核心，主控系統(tǒng)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(yè)家協(xié)會，《關于我國餐飲企業(yè)能源消耗和節(jié)能工作現(xiàn)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(fā)與經濟，2010：1-11

［3］易家言，《家用燃氣灶的發(fā)展及展望［J］》.現(xiàn)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(jié)能模塊。該系統(tǒng)通過聲波測距系統(tǒng)測定灶具與火焰距離，根據(jù)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(jù)灶具工作的溫度曲線控制電磁閥的通斷以防止干燒。系統(tǒng)通過模塊化以及創(chuàng)新型支路系統(tǒng)設計，實現(xiàn)燃氣灶的智能調節(jié)及安全控制的效果。