劉博1，吳友宇1，周鳴一1，張琪1，徐嘯宇1，趙迪2
（1．武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢 430070；2．武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）
摘要：介紹了一種基于MSP430單片機的低功耗、火力智能化的燃氣灶節能模塊。系統以防空燒和防干燒技術為基礎，通過模塊化設計以及獨特的支路設計，不僅實現了智能火力調節、自學習等功能，而且可直接將傳統燃氣灶升級為節能灶。同時也解決了現有節能灶因故障率高、維修不便而難以推廣的難題。系統符合創新性、實用性的要求，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞：節能減排；智能火力灶；模塊化設計；創新型支路；MSP430
0引言
在現代生活中，燃氣灶在烹飪中仍占據主導地位。由于中國人的烹飪習慣，如果使用傳統的燃氣灶，難免會產生空燒和干燒現象，造成燃氣大量浪費［1］。通過對1 000個家庭燃氣灶出菜刷鍋時是否關火進行調查，發現22%家庭不關火，58%家庭有時關火，20%家庭關火。現在大部分家庭和餐館已經認識到了空燒浪費的嚴重性，市面上也已經有了針對空燒現象的節能灶［2］，但現有節能灶大多數為單管路系統，一旦出現故障必須整體維修，而且由于結構復雜、成本高、故障率高等原因而難以普及（目前國內使用節能灶的餐飲企業比例不到10%）。
為解決以上問題，本文設計出一種低功耗智能火力燃氣灶節能模塊，在傳統燃氣灶的基礎上加上該模塊，即可實現智能火力調節。本模塊在解決燃氣浪費問題的基礎上，以模塊化的方法解決了現有節能灶難以普及的問題，具有廣泛的應用前景，對于實現人們生活的智能化與節能減排具有重要的現實意義。
1系統方案
圖1系統結構示意圖本文實現六個功能模塊：火力智能調節；灶具位置檢測；灶具溫度檢測；模塊化安裝設計；系統低功耗；適應不同型號的鍋。本系統由單片機部分、傳感器和進氣量控制部分組成。系統結構如圖1所示。單片機處理傳感器檢測到的信息，控制電磁閥的通斷以控制火力。傳感器部分包括超聲波測距和紅外測溫，實現灶具位置檢測和溫度監控的功能。傳感器封裝在盒B中，置于鍋邊緣10~20 cm處實時檢測鍋的位置和溫度，并將數據發送到與進氣量控制部分封裝在一起（盒A）的單片機模塊。進氣量控制部分包括氣路和模擬開關。氣路包括主通道和支路，由電磁閥控制通斷，大火時開主通道，小火時開支路。用戶可以通過調節支路球形閥來設置支路的最小通氣量，從而使空燒時小火最小。電磁閥則通過模擬開關和單片機來控制。
2硬件設計
2.1單片機模塊設計
本模塊采用TI公司的MSP430G2553單片機［3］，該單片機具有低電壓工作、超低功耗、抗干擾性強、成本低等特點。內部集成有定時器、ADC以及足夠的I/O資源，既能滿足系統需求，又沒有浪費資源，硬件電路得以簡單化。單片機電路如圖2所示。3.3 V電壓給單片機供電，同時單片機的ADC模塊采集鋰電池電壓以實現電量監控。1個I/O口控制蜂鳴器，在發生故障時，I/O口為高電平，蜂鳴器報警。4個I/O口分別與2個超聲波模塊的TRIG、ECHO腳相連，通過對I/O口編程實現超聲波的發射與接收，得到的時間差由單片機處理。2個I/O口與紅外測溫模塊的SCL、SDA相連實現模塊與單片機的通信。4個I/O口分別與2個模擬開關TS3A24157的邏輯控制端IN1、IN2相連，通過對I/O口編程給IN1、IN2賦不同的邏輯值來控制電磁閥。1個I/O口構成獨立按鍵，按下此鍵，系統從節能灶模式切換為普通灶模式［4］。
2．2灶具位置檢測功能設計
采用超聲波測距實現灶具的位置檢測。超聲波測距的原理是：利用已知超聲波速度，根據發射和接收的時間差計算出灶到鍋的距離。單片機I/O口給TRIG腳至少10 μs的高電平，超聲波模塊［5］自動發送8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回，則通過ECHO腳輸出一個高電平，用單片機檢測高電平的時間（超聲波從發射到接收的時間），單片機根據時間計算出鍋離灶臺的距離。經過測試，超聲波探測角度具有15°傾角，能有效防止顛鍋帶來的干擾，考慮到火焰及風力的影響，設計算法每隔一段時間取值一次，并且檢測到鍋的位置發生變化時多次取值。經過實際測試本模塊已實現防空燒功能，并且消除了環境和顛鍋的影響。
2．3灶具邊緣溫度檢測功能設計
采用非接觸式紅外測溫傳感器進行溫度感測。紅外測溫儀通過熱輻射原理來測量溫度，反應速度快。采用MLX90614系列紅外測溫模塊［6］，它集成了低噪聲放大器、17 位ADC和數字信號處理芯片 MLX90302，可實現高精度和高分辨度。測溫范圍為-70℃~+400℃。采用兩線串行通信協議與單片機通信，其SDA、SCL接口與單片機I/O口相連。SCL為串行時鐘信號接口，SDA為數字信號接口，單片機通過SDA接口寫入數據以控制模塊的工作，測溫模塊通過SDA接口把溫度數據返回給單片機。電路如圖3所示。
經過大量試驗，得到了用戶正常使用以及干燒時的鍋邊緣溫度數據。為消除干擾，用連續取值的方法判斷鍋是否干燒。
2．4進氣量控制裝置設計
進氣量控制裝置包括氣路和模擬開關，氣路由主通道與支路構成，如圖4所示。
圖4進氣量控制模塊氣路結構圖燃氣火力控制器中比例閥雖控制精確，但成本太高，須220 V供電，不方便使用。為實現模塊化設計，使用3 V常閉式電磁閥。此電磁閥需要大吸和電流才能打開，經過實驗發現，用大電流打開電磁閥后，只需小電流維持，這樣可以降低功耗。本設計使用雙通道SPDT模擬開關TS3A24157控制電磁閥電源的通斷來控制電磁閥。當單片機給控制主通道電磁閥A的TS3A24157（U2）的邏輯控制端IN1和IN2分別賦值1和0時，則打開通道COM1給電磁閥A通大電流以打開電磁閥，穩定后，給IN1和IN2分別賦值0和1，關閉通道COM1，打開通道COM2給電磁閥A通小電流，維持打開狀態。當把U2的IN1和IN2都賦值0時，主通道電磁閥A關閉，同時用同樣的方法打開支路通道電磁閥B，火力變為小火。電路如圖5所示［7］。雖然本模塊有2個電磁閥，但始終只有1個打開，這樣可以降低系統功耗。另外，本結構設計巧妙，用戶通過設置支路球形閥預置小火的大小，可消除家庭之間氣壓的差別，真正實現小火最小，節能更顯著［8］。
2．5高效率電源模塊設計
采用TI的DC-DC電壓轉換器TPS62007，最大輸出電流可達到600 mA，轉換效率可達到95%。輸入接3.7 V鋰電池，輸出為固定的3.3 V供給模塊。經實驗發現，一節4 000 mAh的鋰電池使用時間約為400 h，平均功率為0.033 W。如果用戶平均每天使用3 h，可4個月不用更換電池，滿足低功耗的要求。
2．6防故障設計
市面上的節能灶未能普及的一個重要原因就是傳感器的故障率高，一旦發生故障，整個燃氣灶將無法使用。本模塊設計有防故障按鍵，當用戶按下模式切換鍵，本節能模塊關閉，電磁閥保持打開狀態，此時燃氣灶還原成沒有加節能模塊的燃氣灶，可以繼續使用。
3軟件設計
3．1軟件流程
軟件設計采用模塊化設計方法，包括主程序、中斷服務程序、定時程序、超聲波測距程序、紅外測溫程序、火力調節程序。控制流程如下：打開模塊，判斷是否開啟自學習模式，若是，則進入自學習子程序，測定干燒溫度值，測完后，關閉此模式，此時火力為大火。超聲波檢測是否有鍋，若有則繼續大火，同時紅外測溫模塊對溫度進行監測，一旦達到干燒溫度，則火力關閉；若沒有鍋，則火力減小，然后每隔一段時間檢測是否有鍋，若有鍋則恢復火力。系統主流程圖如圖6所示。
3．2自學習功能
不同鍋型干燒溫度不同，為適應不同鍋型，設計干燒溫度自學習功能，提高模塊的通用性。自學習功能子流程圖如圖7所示。
本系統是基于MSP430單片機的智能火力燃氣灶節能模塊，在分析了現有燃氣灶缺點的基礎上，設計出實用型節能模塊。相對于現有的節能灶，它具有以下5個特色：（1）模塊化結構，用模塊化的方法使智能火力調控技術迅速投入市場，而不僅是作為理論技術；（2）支路控制結構，可以在正常時實現最小火力的設置，在異常時能切斷燃氣灶與模塊的聯系,避免因局部故障而導致整體癱瘓的情況；（3）干燒溫度自學習功能，實現對市面上所有鍋型的支持；（4）系統低功耗設計，模塊無需經常更換電池；（5）應用前景廣，本節能模塊成本低、功能齊全、安裝簡單，有廣泛的應用前景。
參考文獻
［1］ 國家統計局．中國統計年鑒(2014)［M］．北京：中國統計出版社，2014.
［2］ 李兆堅,江億. 家用燃氣灶熱效率特性測試分析［J］. 應用基礎與工程科學學報,2006,14(3):368374.
［3］ TEXAS Instruments. MSP430x2xx family user’s guide ［EB/OL］. (20130701)［20151230］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf.
［4］ 冒曉莉,楊博,楊靜秋,等. 基于MSP430單片機的節能型數字調頻發射機［J］. 電子技術應用,2013,39（5）:138140.
［5］ Zhang Ping,Guo Hui.Highprecision ultrasonic ranging system［C］. Proceedings of IEEE 2011 10th International Conference on Electronic Measurement & Instruments(ICEMI'2011),2011:4750.