智能燃氣灶系統的設計

高 文，趙璐鋒，肖海峰，喬社娟，馬 昭

（1.西安航空學院 電子工程學院，西安710000；2.陜西昱琛航空設備股份有限公司，西安710000）

燃氣灶作為家庭最關鍵的烹飪廚具，在居民的日常生活中扮演著重要角色。近幾年，隨著居民生活水平的日益提升，燃氣灶的需求正從實用型逐步向品質型轉變，消費者對于燃氣灶的安全性、耐用性、方便性、美觀性，以及智能化水平提出了更高的要求[1]。在目前市場上絕大多數燃氣灶的點火、火力大小調節都是通過機械式的旋鈕開關來實現的，長時間使用存在機械磨損、旋鈕開關靈敏度降低等問題，易出現燃氣灶點火不迅速、火力忽大忽小等問題，為燃氣灶的使用埋下安全隱患。

基于傳統燃氣灶的缺點和市場消費的需求，改變燃氣灶的控制方式，實現燃氣灶的智能化發展，成為燃氣灶產品未來的發展趨勢之一[2-5]。在此設計了基于嵌入式微控制器的智能化燃氣灶控制系統。該系統實現了全數字化觸摸控制，并可以通過WiFi與智能手機相連，實現燃氣灶的智能控制，順應了萬物互聯的科技潮流。

1 系統總體設計方案

智能燃氣灶系統分為觸摸控制板和驅動板。觸摸控制板完成觸控輸入、數據處理、WiFi 通信、安全檢測報警、數碼顯示、定時等功能；驅動板作為系統核心部分，實現熱電偶信號采集、電磁比例閥控制、脈沖點火等功能。智能燃氣灶系統原理如圖1所示。

圖1 智能燃氣灶系統原理框圖Fig.1 Block diagram of intelligent gas stove system

與傳統燃氣灶相比，智能燃氣灶具有以下功能和優點：

1）定時功能 自由定時功能的實現，有效提升燃氣灶具的智能化水平。該系統由3 個觸摸按鍵（時間+，時間-，確認）配合軟件，實現時間的輸入和倒計時功能。在烹飪過程中，通過此功能即使烹飪者因某些原因長時間離開，也能夠進行安全烹飪。

2）熄火保護功能 熄火保護是避免燃氣泄漏的重要環節。在此，使用熱電偶溫度傳感器，通過檢測火焰狀態，及時在火焰意外熄滅后切斷氣源進行保護。

3）數碼顯示與報警功能 通過數碼管和聲光電路顯示系統的當前狀態及相應故障報警信息。

4）智能化觸摸控制 與物理按鍵相比，可有效隔離油漬、 湯漬等可能引起按鍵失靈的外界因素，穩定性更高，便于清潔，不易損壞。

5）兒童鎖功能 防止兒童誤操作，避免安全事故的發生。

6）智能控制 通過WiFi 與智能手機通信，可在手機上查看燃氣灶的狀態，并可對燃氣灶進行火力調節和關火等操作，實現智能安全控制。

2 智能燃氣灶硬件設計

智能燃氣灶是以雙STM32F051 為系統核心，實現雙核控制。STM32 F0 微控制器采用最新的ARM Cortex-M0 32 位嵌入式處理器架構，集實時性能、低功耗運算和STM32 平臺的先進架構及外設于一身，使開發人員能夠打破采用傳統專有內核的8 位、16位微控制器的價格和性能限制[6-8]?；赟TM32F051 的智能燃氣灶性能優越、實時性高、成本低。

2.1 觸摸控制模塊

該系統使用電容式觸摸按鍵，無需人體直接接觸按鍵，也不需要傳統的按鍵觸點，避免了安全隱患，同時具有可靠耐用、美觀時尚、生產安裝維護方便的優點。

觸摸感應模塊選用觸摸管理芯片FTC359H。該芯片采用高精度數字電容測量技術，可防止各種干擾對電路的影響如防面板水跡、油污等；支持11 個觸摸按鍵輸入功能，支持相鄰按鍵同時觸摸功能，輸出采用二進制碼。通過實際電路的綜合設計，實現了滑條觸摸控制火力大小功能。該觸摸輸入電路如圖2 所示。

圖2 觸摸輸入電路Fig.2 Circuit of touch input

2.2 脈沖點火電路

智能燃氣灶采用電子脈沖方式點火，由STM32F051控制點火電路與電磁比例閥配合動作，完成點火功能。同時，結合熱電偶電路進行狀態檢測，形成閉環控制，保證用戶安全。

脈沖點火電路首先由脈沖線圈、晶閘管、變壓器等電子元器件組成脈沖高頻振蕩器。振蕩器所產生的高頻電壓，經升壓脈沖線圈升至15 kV，從而擊穿空氣，通過點火針尖端放電引燃灶具的燃氣。電子脈沖點火具有效率高，放電連續，可靠性高等優點。脈沖點火電路如圖3 所示。

圖3 電子脈沖點火電路Fig.3 Circuit of electronic pulse ignition

2.3 WiFi 傳輸電路

該系統除了采用觸摸控制，還支持基于WiFi的無線控制模式。手機可以通過WiFi 與燃氣灶進行連接，在手機App 上實現對燃氣灶狀態的監控、火力大小的調節、童鎖保護及關火等功能。系統選用ATK-ESP8266 WiFi 模塊實現無線通信。該模塊的頻率范圍為（2.412～2.484）GHz，內置TCP/IP 協議棧，支持串口轉WiFi STA、 串口轉AP 和WiFi STA+WiFi AP 的模式，同時帶有板載PCB 天線，支持LVTTL 串口，兼容3.3 V 和5 V 系統，可以快速構建串口-WiFi 數據傳輸方案[9]。系統STM32F051 通過USART1 串口PA9 和PA10 與ATK-ESP8266 模塊實現數據交互，具體硬件電路如圖4 所示。

3 智能燃氣灶軟件設計

3.1 系統主程序設計

系統控制芯片STM32F051 編程在Keil 環境下，使用C 語言編寫控制程序[10]。系統驅動板和觸摸控制板之間使用串行通信，系統主程序在驅動板STM32F051 上運行，實現整個系統的管理。系統的主程序流程如圖5 所示。

圖4 WiFi 傳輸電路Fig.4 Circuit of WiFi transmission

圖5 主程序流程Fig.5 Flow chart of main procedure

整個系統的工作流程如下：上電系統電源燈亮，除開關按鍵外，所有按鍵處于凍結狀態。打開開關解除凍結，并進入系統自檢，確認故障系統鎖定，顯示相對應的錯誤代碼，發出錯誤警報，關閉燃氣電磁閥，觸摸板無法操作。自檢完成后，如有串行通信的控制命令，則執行相關控制命令。

3.2 點火功能軟件設計

電子脈沖點火功能完成燃氣灶的正常點火、二次點火和點火失敗報警，以及關閉進氣電磁比例閥的功能。點火功能軟件設計流程如圖6 所示。

圖6 電子脈沖點火流程Fig.6 Flow chart of electronic pulse ignition

整個系統由觸摸點火信號控制，當用戶按下點火開關時，進行正常第1 次點火，而檢測到第1 次點火失敗后，會等待相應的時間，然后進行第2 次點火。如二次點火仍不成功，此時將切斷燃氣電磁閥，發出蜂鳴器警報，同時面板顯示相應故障代碼。整個過程能有效避免燃氣泄漏的危害，大大提高了燃氣灶的安全和可靠性。

3.3 觸摸控制軟件設計

為實現觸摸控制，設計了相應的硬件電路，編寫了軟件程序代碼，軟硬件配合最終實現智能燃氣灶的觸摸控制功能。同時，考慮兒童誤操作的安全隱患，在觸摸控制功能中設計了童鎖功能。所有觸摸控制功能的實現都是基于觸摸控制信號的識別，識別功能后也對應實現相關顯示，達到與用戶的信息交互功能。整個過程要考慮系統是否處于故障狀態，判斷是否符合鍵值表中的數據，進行相關顯示以及與驅動板通信實現相關動作。具體觸摸控制功能軟件的實現流程如圖7 所示。

4 系統測試

智能燃氣灶系統以滿足實際應用為設計目標，搭建實物平臺進行最終測試。系統實物平臺如圖8所示，最終測試結果見表1。

圖7 觸摸控制流程Fig.7 Flow chart of touch control

圖8 系統實物平臺Fig.8 Actual system platform

表1 核心功能Tab.1 Core function

從功能測試結果和實際應用都表明，該系統操作便捷，安全可靠，完全可滿足燃氣灶使用要求。

5 結語

以微處理器STM32F051 為核心設計的智能燃氣灶系統，完全可以滿足日常烹飪使用；區別于傳統機械式燃氣灶，具有可靠耐用、美觀時尚、安全可靠等優點，在防面板水跡、防油污等方面有大大提高；觸摸控制和WiFi連接功能更符合現代生活的使用習慣，同時順應萬物互聯的科技潮流，具有較好的應用前景。