基于MSP430的抽油烟机控制系统设计

孙冬娇，张 闯，夏江涛

（1.南京信息工程大学，江苏 南京 210044；2.江苏省气象传感网技术工程中心，江苏 南京 210044）

0 引言

抽油烟机是现代家庭生活中必不可少的一种厨房电器。新一代的抽油烟机除了具有传统抽油烟机的功能之外，还应该具有风挡控制、LED低功耗照明和安全报警等功能。对于生产厂家，生产成本的控制是十分严格的，因此，除了在功能上提出更丰富的改进，同时还应当注意控制成本，以利于生产出性价比更高的产品，取得市场优势［1-2］。在此，根据某抽油烟机生产厂家的开发要求，提出了产品的控制方案。

1 系统总体设计

抽油烟机由风机系统、控制系统等组成。当接通电机开关时，电机带动螺旋盘，根据螺旋盘切割空气向上的运动，其下方出现一个低气压状态，因此空气会不断被抽走。其中控制系统由主控制板和键盘显示板构成。主控制板采用MSP430F2121为主控芯片，包含控制单元、检测电路单元和继电器单元等部分。主控芯片通过检测键盘按键来判断用户指令，进而控制相应的继电器动作，同时主控芯片可以实时获取检测电路的状态及控制报警电路的工作。

工作状态中，用户通过键盘来发出开关、转速设定等指令，主控芯片通过逻辑程序判断来闭合或关断相应的继电器，以达到切换风扇电机的转速挡位的目的，并将当前转速显示在LED数码管上。检测电路由温度传感电路和可燃气体传感电路组成，分别对现场温度和可燃气体浓度进行监控，如其达到设定值以上，即可发出报警等动作指令。系统总体设计如图1所示。

图1 系统原理

2 系统单元的设计

2.1 电源单元

考虑系统的功能及成本控制的要求，控制系统的电源部分采用220V交流电，通过整流二极管和LC整流电路将交流电整流滤波，为单片机提供3.3 V供电电压，为继电器提供12V供电电压，电路如图2所示。

图2中，220V交流电通过二极管 D1半波整流，电阻 R1，R2，R4，R5分压。当电压超过15V时，D4开始导通，当电压超过17.5V时，TH1开始导通，使电压稳定在17.5V左右。经过二极管D2和电容C1后的电压约为12V。R3，D7，T1，C2构成3.3 V稳压电路，其中D7将T1基极电压稳定在3.9V，由于be结压降，则在T1发射极得到一个稳定的3.3V电压。D6，R9，T2，D3，R11，R7组成过压保护电路。该电源电路结构简单，成本低，但通过电路的合理设计，能够保证供电的稳定性。

图2 电源电路

2.2 控制器单元

MSP430片内组合了不同功能模块，可适应不同应用层次的需求。在硬件架构上，提供了低功耗模式，可延长现场设备的电池寿命，适合于系统的设计需求。MSP430F2121是MSP430家族中的一个性价比较高的型号，成本较低，性能可靠，资源足够满足系统的要求，因此选用该型号MCU作为控制器单元的核心器件。MSP430F2121采用SOIC20封装，体积小有利于电路集成化。MSP430F2121芯片共有20个引脚，其中有16个I／O口，部分实现功能复用，由于资源有限，因此，必须合理地分配引脚。结合系统的设计要求，引脚分配及控制电路连接如图3所示。其中，P25用于检测是否有按键输入，P20，P21，P22用于电机的转速控制，P24用于过零检测，P16，P17分别用于气体传感电路和温度传感电路，P23用于报警电路的控制，P13用于显示键盘的状态切换，P10，P11，P12用于移位寄存器电路的控制。但需要注意的是，部分引脚除了前述功能之外，还有相应的复用功能，包括单片机调试等操作。MSP430F2121片内有4kB Flash程序存储器，256 B的RAM；256B的信息Flash，可用来存储各种参数，无需外加存储器，即可满足系统需求［3-5］。

图3 控制器电路

2.3 键盘显示单元

在键盘及显示电路板中，采用了LED显示和键盘扫描复用的方法扩展按键。设计中，结合产品的需求，使用了3个按键来实现5项功能，后续工作中还可以通过程序的修改进一步实现更多的按键复用。电路如图4所示。LED用来显示相应风速所对应的挡位，启停、风挡和照明等控制均可以通过按键输入设定，由MCU接收处理并控制相应的后续电路动作［6-7］。

由于产品级电路对成本控制十分严格，所以采用的MCU的I／O口有限。为了解决I／O口不足的问题，同时为以后的系统功能扩展预留部分资源，电路设计中采用了显示和键盘扫描复用电路。电路中的LED数码管为共阴数码管，由PB点控制显示和键盘扫描的切换，PB点的状态由MCU的P13口及三极管配合控制。移位寄存器74HC595除了实现对LED的驱动输出，其输出端Q4，Q5，Q6，Q7还能够配合PB点状态实现键盘的状态扫描，充分节约MCU的I／O接口资源。

图4 键盘及显示电路

2.4 检测报警电路

根据厂家的要求，出于安全的考虑，在新一代抽油烟机中增加了温度监测和可燃性气体监测的功能。在厨房使用中，有2种情况最为危险，一是火焰过高过大，有可能直接烧坏掉抽油烟机，这个问题可以通过温度监测来避免，但是由于炉灶上方本就是高温区域，且传感器的测量范围有限，所以在安装的位置上需要注意，以测量热辐射为准；还有一种情况就是可燃性气体的泄漏，这个问题带来的危害会更大，空气中可燃气体达到一定浓度就会引起人员中毒、甚至发生爆炸。因此，在抽油烟机上安装可燃气体检测装置是很有必要的，能够更直接地测量到气源的泄漏状态。系统中，综合考虑应用需求和性能要求，采用了温度传感器DS18B20和可燃气体传感器TGS2610来实现检测电路。电路如图5所示。

图5中，温度检测采用温度传感器DS18B20，此传感器为数字式传感器，且仅需要一条数据线即可进行数据传输，易于与单片机连接且占用最少片上I／O资源，电路中还可以省去A／D模块，最大降低了硬件成本，简化了系统电路。可燃气体检测单元，采用日本FIGARO公司的可燃气体传感器TGS2610，具有低功耗、低成本、长寿命、高灵敏度和外围电路简单的特点，非常适合于家用产品设备的开发［8-10］。

图5 检测报警电路

TGS2610属于半导体气体传感器，敏感素子由集成加热器以及在氧化铝基板上形成的金属氧化物半导体构成。集成加热器的作用是为了维持敏感素子处于特定测量温度，而抑制温度变化所引起的测量误差。在测量中，可燃气体的浓度越高，传感器的电导率就越高，这就形成了电学量的变化，只需加上外围电路即可转换成电压信号。由TGS2610的灵敏度特性可知，TGS2610对环境气体的灵敏度很低，但对甲烷和丙烷等易燃气体的灵敏度很高。如采用TGS2610进行易燃气体浓度定量测量，只需采集端口2的输出电压，通过电阻分压公式推导出传感器电阻Rs，结合其特性曲线即可得到气体浓度。在系统中，控制电路仅需要获取环境中易燃气体的一个定性状态，判断是否达到一个临界值即可。因此，综合考虑成本及电路规模，采用了如图5的设计方案，选取电压比较器来进行比较判断，而且临界值可以通过R60电阻调整。

2.5 过零检测电路

继电器是抽油烟机上必要的配件，通过它的动作来控制风机的运转状态。根据厂家提供的信息，在一些老式的抽油烟机上，继电器特别容易损坏，主要原因在于没有做过零检测，没有在电压过零时才对继电器做吸和、断开操作，长期使用很容易导致故障发生。因此，在系统中增加了电压过零检测功能。电路如图6所示。

图6 过零检测电路

在220V 交流电正半周时，经过R6，R8，R13，R23构成的分压电路后，给T4基极一个足够的电压，则T4饱和导通，P24输出低电平；在负半周时，T4截止，P24输出高电平。因此在过零点处，P24的电平发生跳变，由单片机可获取此变化，来控制继电器输出状态的改变。

根据以上各个硬件单元的设计，已经开发完成了控制系统DEMO板，并进行了调试应用。主电路板包含控制器模块、电源模块、继电器组以及其他电路板的接口。

3 程序设计

MSP430的程序开发相当简便，利用JTAG接口在PC上即可实现程序的编写、下载和调试。MSP430单片机的软件开发支持汇编和C语言，可移植性好，方便了程序设计工作，缩短了软件开发周期。软件的开发平台常用IAR Embedded Workbench单片机开发环境，系统采用窗口界面，各项功能丰富，容易操作，实现程序编写、调试下载等功能非常方便［11-13］。

根据系统的开发任务和电路结构，程序的设计采用模块化方法，对于开发工作和后期调整都能有效地提高效率。系统的软件程序由主程序和几个中断程序构成，其程序流程如图7所示。

图7 程序流程

4 结束语

按照厂商设计要求，完成了抽油烟机新控制DEMO电路板的设计，采用高性价比的集成电路和简单可靠的电路设计，在原有系统的基础之上增加了安全监测单元，优化了电路设计及程序流程。系统中采用低功耗单片机MSP430作为核心控制单元，综合电子技术、控制技术和传感技术等，实现了功能可靠的控制系统电路设计。给出了系统设计方案，方案的可移植性好、可扩展性强，可以根据需要扩展调整电路的组成，以满足不同的工作要求。系统已调试成功，并进行了应用试验，工作可靠，设计功能均能正常实现，达到预期开发目的。

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