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摘要：本文介绍了一种新型智能安全型燃气灶具，通过搭载智能的控制系统平台，实现灶具的远程控制，实现灶具的一键点火、火力的触摸控制；通过火力状态LED模拟显示以及时间提醒功能，进而实现灶具的自动定时烹饪；同时通过灶具熄火保护以及声光报警模块，在满足灶具新型智能功能需求也满足了灶具的安全性。
关键词：智能安全型燃气灶具，远程控制，火力控制，自动定时烹饪
1. 前言
随着人们生活水平的提高和清洁能源的普及，燃气灶具的使用越来越广泛，燃气灶具也随着科技水平的提高，不仅拥有更美观的外形及更多样的功能，而且更加安全、方便、节能。然而，随着智能技术的不断发展，消费者对于燃气灶的安全性、耐用性、方便性、美观性以及智能化水平也提出了更高的要求。
虽然国标早已在燃气灶具的安全性方面，做了强制性熄火保护要求，但是为了更好地满足消费者日益增长的科技需求，燃气灶具的智能化以及安全性需亟待升级，为此一种基于单片机的燃气灶控制系统的新型智能安全型燃气灶具设计更加具有现实意义。
2. 新型智能安全型燃气灶具
针对用户关注燃气灶具的问题，本文提出一种新型智能安全型燃气灶具的设计结构，本燃气灶具由常规的炉头、火盖、炉架、热电偶的等组成，但是我们取消了传统的旋转控制按钮，取而代之是触摸控制面板，同时还伴随有LED状态提示，其结构效果如下图1所示。
在充分考虑燃气灶在使用过程中可能存在的风险及安全问题，以及当今触摸智能控制技术的发展，还有满足当今用户的使用体验，我们创新并提出对燃气灶的烹饪时间和火力大小进行可辨识控制的设计，从而实现燃气灶具的智能化，当然这些功能实现离不开基于单片机的智能控制系统。
图1 新型智能安全型灶具
3. 燃气灶具智能控制系统
3.1 控制系统组成
本系统以单片机为核心，由阀体控制模块、告警模块、触控显示模块、通信模块，以及相应的智能传感器等组成，如下图2所示。通过该智能控制系统，即可实现燃气灶具的一键点火、火力控制、时间状态LED显示、意外熄火保护、意外情况声光报警、自动定时烹饪以及远程数据通信和控制等功能。
图2 控制系统组成
3.2 控制原理
在上述控制系统组成的基础上，本节将细述燃气灶具的功能控制原理，主要包括触摸感应控制原理、火焰检测系统原理、点火系统控制原理、阀体控制系统原理、数据传输通信原理及节能技术原理等。
（1）触摸感应控制原理
本系统采用电容式感应按键。输入的高频电压经二极管半波整流后给电容充电，电容两端的电压输入单片机后经A/D转换进行数据比较。当手指触摸到金属片时，由于人体分布电容的存在，会有一部分电流流经人体，使得电容器两端的电压下降，输入单片机的电压经A/D转换后的数据也会随之发生变化，单片机通过比较处理来判断是否有键按下。采用电容式感应按钮成本低且操作方便。
（2）火焰检测系统原理
为了提高火焰检测的灵敏度，缩短燃气灶熄火保护的反应时间，提高智能燃气灶的安全性，本系统采用与热电偶感应电路相比更为灵敏的离子火焰检测电路实现意外熄火保护。电路主要由离子探针和电压比较器组成。当探针没有检测到火焰时，电压比较器的正输入端悬空，比较器输出高电平；当火焰烧到探针时，由于火焰的单向导电性，离子探针内部会产生一个微弱的电流，使得正向输入端电压低于反向输入端电压，电压比较器输出低电平。输出的电平在单片机内部进行数据转换和比较，单片机以此判断点火是否成功或是否熄火等运行状态。
（3）点火系统控制原理
点火方式采用传统的高压脉冲点火，点火电路由振荡电路、升压电路以及放电电极等组成。当单片机发出点火指令时，振荡电路开始工作，产生高频交流电，经过升压变压器升压后在次级产生脉冲信号，经二极管整流后得到稳定的直流电压。次级电路分别设置一个大电容和小电容，小电容处连接一个双向二极管，大电容处连接一个双向可控硅元件。该直流电压同时为两个电容器充电，小电容上的电压达到较大值时会使双向二极管导通，并触发可控硅导通，使大电容器放电，得到交流电压，经过第二个变压器升压后形成高压，能够击穿一定厚度的空气产生电火花，将天然气点燃，完成点火功能。
（4）阀体控制系统原理
采用直流电机带动阀体转动，控制火力的大小。由直流电机和三极管组成控制电路，连接成正反两个回路，控制电路有两个端口与外界相连，通过控制两端电平的相对大小来控制电路中电流的流动方向，进而操纵电机的转动方向。直流电机正向转动时，通入天然气的速率增加，火力增大；反向转动时，通入天然气的速率减小，火力减弱。阀体上装有的角度传感器能够将阀体转动的角度反馈给单片机，从而控制电机的转动方向，以便精确地控制阀体的转动角度，从而实现精确的火力控制。
（5）数据传输通信原理
数据传输是由数据接收端和数据发送端两部分组成，数据接收端和数据发送端通过蓝牙模块进行无线数据传输。燃气灶和手机均可作为数据接收端和发送端。当燃气灶作为数据发送端时，主要功能是接收传感器所采集的数据，经过单片机处理后通过蓝牙模块发送到接收端。接收端接收到数据后，可查看燃气灶的工作时间、火力大小等状态。当手机作为数据发送端时，主要功能为设置燃气灶状态，即设置燃气灶的火力大小及其烹饪时间，经蓝牙模块发送到接收端，燃气灶的单片机接收到设置数据后，通过控制器将各模块设置至用户需求的状态，从而实现燃气灶的远程监控和管理。
（6）节能技术原理
为了提高燃料利用率，有效地节约能源，燃气灶采用了内旋式快焰火燃气灶的结构设计，其火孔嵌入火盖内，燃烧火焰呈现旋转朝内状，燃烧时，火力集中锅底，热量能够更好地被吸收，减少了热量损失，全面提高热效率。
4. 燃气灶具工作原理
（1）一键点火
采用电容式感应按键启动燃气灶，单片机收到启动信号后控制脉冲点火电路开始点火，通过脉冲信号产生电火花点燃天然气，使天然气处于正常燃烧状态后关闭点火电路。
（2）火力控制
通过角度传感器与电机和阀体组成反馈控制系统，单片机收到火力调节信号后，驱动电机带动阀体旋转，角度传感器将转动角度反馈给单片机，单片机通过阀体旋转角度的大小来判断是否达到火力需求，从而进一步调整阀体旋转以精确控制火力大小。
（3）智能自动烹饪
在火力设置完成后，系统开始计时，LED灯显示目前燃气灶的火力大小以及烹饪倒计时。到达烹饪结束时间后，熄火电路控制阀门关闭，LED与蜂鸣器发出警报信号。燃气灶运行期间，单片机将传感器收集到的数据发送至LED显示屏，由LED显示屏显示烹饪时间和燃气灶的火力大小等数据。
（4）智能远程控制
除燃气灶具自身的控制面板外，本文控制系统可对燃气灶具实行远程控制操作。采用无线通信模块与手机进行数据通信，能够通过无线通信方式将单片机中燃气灶状态数据发送至手机，用户通过手机了解到燃气灶的状态并可以修改设置燃气灶的烹饪时间和火力大小，然后将设置数据发送至单片机，单片机根据手机设置的数据对燃气灶的火力大小时间进行调节设置，用户利用手机对燃气灶进行远程监控和设置。
5. 结语
本文通过介绍新型智能安全型燃气灶具的基本组成、智能控制系统构成及功能模块的控制原理，以及燃气灶具的具体工作原理，实现了燃气灶具智能与安全，提高了智能燃气灶的智能化和自动化水平，同时证实了智能燃气灶的可操作性，使智能燃气灶具更加安全、方便、环保。与当前市面上的燃气灶相比，该控制系统主要具有以下优点：
（1）自动定时烹饪，用户可根据自己的需要控制烹饪的时间和火候。
（2）能够与手机互联，方便用户随时查看燃气灶的运行状态以及对燃气灶进行远程控制，使用户不再被限制于厨房内，拓展了烹饪的时间和空间范围，使烹饪更自由，更灵活。
（3）采用意外熄火保护电路和声光报警系统，能在燃气灶意外熄火时第一时间切断燃气供应，并使用户立即发现意外状况，及时采取措施，提高了燃气灶的安全性。
该智能控制系统为人们提供了更安全便捷的操作体验，推动智能家居进一步普及，同时燃气灶具的智能化和自动化在未来较长一段时间内仍将是时代的潮流。作为智能燃气灶具的控制核心，智能控制系统的鲁棒性和稳定性将直接影响燃气灶的安全性和可操作性，这也是未来我们智能燃气灶具的前行方向。
参考文献:
[1]易家言. 家用燃气灶的发展及展望[J]. 现代家电, 2013.09
[2]姚军波. 新能源及设备的开发应用研究[J]. 西北农林科技, 2016.09
论文作者:李志强
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/29
标签：燃气灶论文; 火力论文; 智能论文; 单片机论文; 燃气灶具论文; 阀体论文; 控制系统论文; 《防护工程》2018年第19期论文;