智能安全节能燃气灶设计

徐啸宇 付彦喆 武汉理工大学信息工程学院通信工程系



智能安全节能燃气灶设计

徐啸宇 付彦喆 武汉理工大学信息工程学院通信工程系

【文章摘要】

【关键词】

MSP430处理器，；TMS320VC5509A；测距系统；防止干烧

引言

日常生活中，家庭烹饪会发生空烧现象。根据对200户普通家庭是否关火的习惯调查发现：22%家庭出菜不关火，58%家庭出菜偶尔关火，20%家庭出菜刷锅关火［1］。同时，在进行长时间烹饪的过程中有可能发生烧干锅现象。本文针对以上情况设计了一种安全的，智能火力调节的燃气灶模块。模块以MSP430低功耗芯片作为主控，根据声波测距模块返回的位置数据控制电磁阀以及支路系统的通断［2］。并以TMS320VC55X系列的实时处理DSP进行数据处理，对红外测温系统获得的温度数据进行滤波处理，判断是否出现干烧现象。本模块也具有自动进入休眠模式功能，若用户长时间不操作则自动进入休眠，降低功耗［3］。

1.系统结构设计

本模块共由五个部分组成：由MSP430单片机组成的主控模块，由TMS320VC55X系列处理器构成的数字信号处理模块，由电磁阀以及模拟开关组成的支路控制模块，由红外测温系统及声波测距系统组成的测量模块，由蜂鸣器组成的报警模块。系统结构设计图如图1所示。

图1　 系统结构设计

2.硬件设计

2.1支路控制模块的设计

支路控制模块主体为特殊设计的支路系统，电磁阀和模拟开关TS3A23159。其中，特殊设计的支路系统由两路气路组成。第一支路由电磁阀1控制，属于小出气量支路；第二支路由电磁阀2控制，属于大出气量支路。当声波测距系统检测到锅离开灶台时，控制双路的模拟开关打开电磁阀1，关闭电磁阀2以减小火力。反之，则增大火力。

2.2测量模块

由红外测温系统和声波测距系统组成。其中红外测温系统采用MLX90614红外测温模块。它集成了低噪声放大器、 16位ADC和数字信号处理芯片MLX90614，有高精度高分辨度。测温范围为-70℃到280℃。声波测距系统采用超声波测距。超声波测距系统有15度倾角，能避免在颠锅时火焰熄灭的危险。

2.3主控及信号处理器

主控采用MSP430G2553超低功耗单片机，采用专用的燃气灶电池并配合升压电路得到3.3V稳定电压。升压电路采用TPS63001 的DC-DC转换芯片，能将3V直流电压转换为3.3V直流电压，效率高达96%。数字信号处理器采用TMS320VC5509A的DSP器件，此种系列的DSP具有低功耗，运算速度快等特点。

3.数据处理

由于需要对测得的温度信号进行数据处理，我们采用DSP器件对温度数据进行数字滤波得到温度数据，并判断是否关闭电磁阀。测得的温度数据见图2。

实验共测得5400组数据，补零后有6000组数据，每秒钟测得十组数据。我们选用切比雪夫Ι型滤波器。Fs=10Hz，Wp=1Hz，Ws=2Hz，Ap=1dB，As=60dB；由式（1）（2）。

图2　 温度测量数据

可确定N=7，通过查表可以确定归一化系统函数为：

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

将系统函数去归一化可得到并利用冲激响应不变法可以得到数字化的系统函数：

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］

滤波后得到图2的效果。由温度测量数据可以看出实测的水烧干的时间出现在4300点左右，即在250s时水烧干。经过滤波后可见水烧干的时间在4500点左右。可见误差：

即在水烧干约20s后可以关断电磁阀。

4.结束语

本文介绍了系统结构，软硬件设计。并着重从信号处理方面分析了该模块的防干烧的安全功能。多角度考虑，尽可能提升系统安全性。作为智能燃气灶的核心，主控系统的安全性必须满足国家要求，只有配备高可靠性的设备才能使安全得到保障。

【参考文献】

［1］中国民营科技实业家协会，《关于我国餐饮企业能源消耗和节能工作现状的报告和建议》.公用科技，2012：3-15

［2］王志国，《家用燃气灶具结构及性能分析》.科技情报开发与经济，2010：1-11

［3］易家言，《家用燃气灶的发展及展望［J］》.现代家电，2005，（24）：48-49

本文介绍了一种基于MSP430处理器和TMS320VC55X系列DSP的智能燃气灶节能模块。该系统通过声波测距系统测定灶具与火焰距离，根据制定的控制逻辑控制火力大小。用温度传感器测定灶具温度，根据灶具工作的温度曲线控制电磁阀的通断以防止干烧。系统通过模块化以及创新型支路系统设计，实现燃气灶的智能调节及安全控制的效果。