燃气灶智能控制器设计毕业设计.docx

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燃气灶智能控制器设计毕业设计

燃气灶智能控制器设计毕业设计

燃气灶智能控制器设计

 摘要：

本次设计是围绕燃气灶智能控制器为中心设计的，以AT89C51单片机作为处理中心集成了硬件定时模块、温度采集模块、显示模块；软件方面集成了燃气灶的基本功能外还增加了煮饭、煲汤等特色功能，程序全程使用汇编语言编写，这种语言的优势在于内存占用小执行速度与效率高，在论文的开头，介绍了燃气灶的现状、种类以及现阶段主要控制方法，另外还阐述了智能燃气灶未来的发展与展望。

关键词：

燃气灶；单片机；软硬件设计；温度采集

Intelligent controller design of gas stove 

Abstract:

Thisdesignisdesignasthecenteraroundtheintelligentcontrollerforgascooker,withAT89C51microcontrollerasaprocessingcenterintegratedwithhardwaretimingmodule,thetemperatureacquisitionmodule,displaymodule;softwareintegratedthebasicfunctionofgasstovesandcooking,soupandothercharacteristicsofthefunction,process,theuseofassemblylanguage,theadvantagesofthelanguageismemoryfootprintsmallexecutionspeedandhighefficiency.Inthebeginning,thegasstovesinthecurrentsituation,classificationandmaincontrolmethod,alsodescribedthedevelopmentandProspectofintelligentgasstove..   

Keywords:

 Gasstove;SCM;hardwaredesign;temperaturesampling

第一章绪论

所谓燃气灶，系指以液化石油气、人工煤气、天然气等气体燃料进行直火加热的厨房用具。

燃气灶又叫炉盘，其大众化程度无人不知，但又很难见到一个通行的概念。

一如柴禾灶、煤油炉、煤球炉等等。

按气源讲，燃气灶主要分为液化气灶、煤气灶、天然气灶。

按灶眼讲，分为单灶、双灶和多眼灶。

1.1燃气灶的现状

家用燃气灶目前已成为我国城镇居民家中的主要灶具，其社会总拥有量已经超过1795万台，因其使用方便、安全卫生等优点而深受欢迎。

生产厂家也有几十个之多[4]。

气体燃料的使用促进了灶具市场的繁荣，在火爆的灶具市场上，尽管品牌种类繁多，价格各异，其区别仅反映在外观和制造质量上，而产品的结构和使用功能等则差别不大[10]。

燃气灶市场在经历了近两年的炒作和喧闹之后，逐渐趋于平静。

在2007年中国五金厨卫家电展上，各个品牌燃具产品基本上都以老面孔的形式出现。

方太燃气灶仍是以五腔驱动作为主打产品；帅康仍是以“人字火”、偏心炉头和定时控制作为产品主流；老板则将所有配套产品围绕其“双效内焰火”展开；华帝、樱花、万和也基本维持原有产品线[5]。

目前我国的家用燃气灶具产品的技术含量普遍不高，自动化和智能化程度较低，因此它的节能性、安全性、工艺性还有较大的提升空间[1]。

我国在2000年8月出台了新的家用燃气灶具安全标准，规定自2001年2月1日起，家用嵌入式燃气灶具必须安装熄火安全保护装置力[2]。

因此带有安全熄火保护装置的家用燃气灶具将成为今后燃气灶具的发展趋势，同时也是亟待解决的一个技术关。

另外，随着人们生活水平的日益提高，对家用燃气灶具的安全性、节能性、美观性、操作方便性、智能化等有了更高的要求。

所以基于单片机的智能控制器的燃气灶具的开发，正是顺应了时代发展的潮流和趋势[3]。

1.2燃气灶的系统构成

按气源讲，燃气灶主要分为液化气灶，煤气灶，天然气灶。

按灶眼讲，燃气灶又分为单灶，双灶和多眼灶[6]。

市场上燃气灶的进风方式大体为上进风、下进风、侧进风和全进风四种。

（1）下进风型：

这种灶具是照抄进口灶具而来，为符合国人猛火爆炒的烹调习惯而增大了热负荷及燃烧器，国外这种产品是要求橱柜开孔，或依靠较大的橱柜缝隙来补充燃烧所需的二次空气，同时用于泄漏燃气趁点火时不可避免的排出，且小热负荷设计。

而国内用户很少知道将橱柜开孔，因而造成燃烧不充分，黄焰、一氧化碳浓度高，且一旦燃气泄漏量较大，就可能造成点火爆燃，导致玻璃面板爆裂。

（2）上进风型：

这种灶具改进了第一种灶具的缺点，将炉头抬高超过台面，希望从炉头与承液盘的缝隙进入空气。

但燃烧时该部位已形成了高温区，冷空气受热膨胀上升，不能由此进入炉头，于是二次空气仍然得不到有效补充，根本上也解决不了黄焰及一氧化碳浓度偏高的问题。

这种结构设计，热负荷也不能设计过大大于3．06千瓦时黄焰很厉害，热效率较低，不太符合国人对猛火的需求，且高高的炉头使灶具的美观大打折扣，但能降低玻璃面板爆裂率。

（3）侧进风型：

这种灶具在面板相对低温区安上一个进风器，当燃烧使壳体内的空气减少形成负压时，冷空气会顺着进风器的入口被吸入壳体，不但提供了充足的一次空气和燃烧时所需的二次空气，解决了黄焰的问题，一氧化碳浓度也大大降低，而且泄漏的燃气也可以从这个进气口排出去，即使燃气泄漏出现点火爆燃，气流也可以从进风器尽快地排放出去，迅速降低内压，避免了玻璃面板爆裂。

同时，冷空气通过进风器进入炉体，也极大地降低了台面玻璃的温度。

该种灶具热负荷可达3．8千瓦。

（4）全进风型：

这种灶具不仅在底盘上有进风口，而且在炉头与承液盘之间也留有进风口，这样，不但提供了充分的一次空气和燃烧时所需的二次空气，解决了黄焰的问题，使一氧化碳含量也大大降低，而且避免了一下子开关橱门所引起的回火，因而降低了玻璃面板爆裂的概率。

由于该类灶具采纳了上进风型和下进风型灶具的特点，因此不仅保持了灶具热负荷高、火焰调节范围大，符合国人烹调习惯的优点，同时也大大降低了灶具体内和玻璃面板的温度，有效地避免玻璃面板爆裂现象的发生。

玻璃面板。

目前市面上嵌入式玻璃面板灶具大多为前两种形式，如果产品质量不过关或安装不当，较易出现燃烧不充分、黄焰、壳体及面板温度高、火力不猛、玻璃面板爆炸等现象。

因而消费者一定要选购名牌产品，安装时切记在橱柜上打孔以确保气流畅通[7]。

现在燃气灶流行的点火方式有电子脉冲点火和压电陶瓷点火两种。

（1）电子脉冲点火：

就是一般煤气灶上采用的点火装置，扭到某个位置就点着火了，非常简单方便，点火成功率接近100%，但这种方式需要换电池。

（2）压电陶瓷点火：

最大优点是不需要电池。

不过点火的成功率与环境湿度有关，湿度大时不易点着。

此外，点火的时候需要按住开关才能打着火，没有电子脉冲点火那么快[8]。

燃气灶的熄火保护装置是非常必须的，相关国家标准对此也有强制性规定。

目前市场上常用的熄火保护方式有三种：

热敏式、热电式和光电式。

（1）热敏式：

又称双金属片式。

双金属片是由两种不同膨胀系数的金属制合而成，在温度的作用下，膨胀系数大的金属一面会向膨胀系数小的金属一面弯曲，当失去温度时，原已膨胀弯曲的金属又会慢慢恢复到原来的状态，因此双金属片又称为记忆合金。

将双金属片用作安全保护装置的传感器，正是利用了双金属片在温度作用下膨胀弯曲的特性。

（2）热电式：

该装置也是利用了燃气燃烧时产生的热能。

热电式熄火安全保护装置由热电偶和电磁阀两部分所组成，热电偶是由两种不同的合金材料组合而成。

不同的合金材料在温度的作用下会产生不同的热电势，热电偶正是利用不同合金材料在温度的作用下产生的热电势不同制造而成，它利用了不同合金材料的电热差值。

（3）光电式：

也称离子感应式。

该装置是利用燃气在燃烧时火焰带有离子并具有单向导电特性[9.10]。

1.3燃气灶的控制方法

现在一般的家用燃气灶都是手动控制，使用的时候打火点燃燃气，手动调节燃气的阀门的开口，以此调节火力的大小。

不存在智能控制，价格便宜，使用还方便，但是缺乏安全保护，也不环保。

经过许多科研人员不断研究探索，许多各种各样的智能燃气灶出现了：

（1）轻触式VDF屏幕显示燃气灶具。

采用Freescale公司的MC9S08AW32单片机，用VDF（VacuumFluorescentDisplay）屏幕显示驱动，具有自发光，视角广，辉度亮的显示特性，工作温度范围宽，寿命时间长，可靠性高等优点。

被广泛应用于家用电器（微波炉，洗衣机等）和音响，视频设备等民用产品中。

非常适合用作高档燃气灶具的显示面板[11]。

（2）自动节能环保安全燃气灶。

现在世界讲究环保，环保关系到人类后代的生存和发展，所以节能环保的灶具也是时代发展的趋势。

这个灶具有个特别好的设计，就是为使锅子离开燃气灶的时候火苗可以自动熄灭，在锅底下安装了一个压力式顶杆开关。

当锅子离开灶面时，顶杆开关由于弹力作用而恢复常态。

并由顶杆开关控制电磁阀的关闭，从而达到关闭气源的目的。

当锅子重新放上灶台时，顶杆被压下，是电磁阀开关又打开。

另外，又必须重新点火，采用电脑型脉冲控制器，设计专门的微动开关装置，能够灵敏的控制点火装置和电磁阀的开启和关闭。

燃气灶的点火装置采用针尖脉冲式连续放电，而且放电的旁边还有一个感应针。

感应针的作用是当燃气被点着，它会感应温度，从而发送信号给电脑型脉冲控制器。

使放电针停止放电，这样可以节约电能[12]。

（3）新型智能燃气灶具。

采用MC68HC908GZ32单片机作为控制器，为了提高燃气灶的安全性，系统采用了两道安全阀门。

左右各有一个电磁阀和旋塞阀，由步进电机带动旋塞阀调节灶具火力大小。

此智能燃气灶和传统的燃气灶相比，优点很多：

*操作方便。

采用感应按键，具有定时，火力大小数字化调节等功能。

*安全性高。

点火不成功或意外熄火可以关闭气源。

*工艺性好。

操作面改成平面式，并增加高亮度的LED显示屏幕，增加了美感和时尚感[3]。

（4）凌阳单片机语音播报智能化燃气灶。

采用凌阳公司的16位单片机SPCE06A作为智能控制器，与传统电子燃气灶相结合，设计出家庭厨房语音播报智能化燃气灶。

它的突出优点低功耗和功能集成，内部的语音功能可实现语音功能，并适合自动信号采集仪器，液晶显示自动化等领域应用[13]。

1.4智能燃气灶具的发展和展望

生活水平的不断提高和消费品位的不断提升，现代科技技术应用的多样化，推动了当今燃气灶具不断创新的不断发展。

综合看来，灶具消费需求集中体现为科技、人性、安全、突出表现为安全技术、数字电子技术、使用方便性特点，以及目前逐步起步的气电集成技术、集成环保灶等。

数字电子技术带来的科技革命已是有目共睹，近年以来，厨电产品在数字技术应用方面呈现出“科技化”的趋势十分明显。

随着整体厨房技术的不断发展，选择整体厨房成为商品房新装修人群的多数愿望，厨房空间变大、厨房环境的人性化、个性化，都对厨电技术提出了新的要求。

因此，在一些主流品牌的展厅内，不断出现吸引眼球的新灶具，联动控制、数码显示、超温保护、语音提醒等电子技术开始装备灶具产品，并且随着移动网络技术的发展，音乐、视频点播、阅读、搜索、查询、存储等不同功能在灶具上的嵌入已不停留在概念上的实现，而成为一种技术实现的可能[16]。

其次，灶具人性化一直是消费者青睐的重要因素。

人性化含义是多方面的，概括起来主要的需求有以下几个方面：

1.火力调节的人性化。

目前大多数灶具的火力调节范围是有限的，或者存在着无法触及的下限值，而在实际烹饪过程中，较小火力负荷的使用需求是实际存在的，“燃烧器火力宽控化”是一种新的技术发展方向，怎样实现这个技术要点，是关键所在。

目前博世PED7250MX系列灶具采取“内圈火单独控制”方法达0.3KW的最低热负荷。

随着智能技术的发展，采取电控的方法，同样能够实现如上技术要求。

2.面板观感和易清洁的人性化。

灶具的高档化，对面板的要求尤其高，因而一体化、敞开化的灶具面板，在视觉效果、易清洁方面特别符合消费者的需求。

全封闭的面板设计，平面高度，整体感强，在西门子等不少品牌灶具企业中都得到应用。

3.安装定位的人性化。

灶具炉头、火盖、锅支架、面板的定位是一个不大不小的问题，但解决这个问题，无疑能达到较好的使用效果，因此结构技术创新，采用嵌入式的定位设计，能满足人性化的需求。

此外，燃气灶具安全技术，在现行的国家标准中得到深度贯彻，并提出具体技术要求。

熄火保护技术的不断升级，以离子熄火保护为现有的最先进的技术。

安全技术不仅仅局限于熄火保护，通过智能技术的升级，对燃气泄露报警、高温警示、灶体散热、童锁等等安全措施的保障，也是未来安全技术发展的重要内容。

市场上不断发展壮大的气电两用灶、集成环保灶，则完全跳出了燃气灶具的固有范畴，完全从消费者的实际需要出发而标新立异，填补了燃气灶具在一般使用过程中的技术缺陷和功能空白。

这也是从另一个角度折射出灶具技术的发展趋势呈现出多元化，但这一切都是以客观存在的消费需求为前提的，未来灶具技术的发展，消费者将起着决定性的牵引作用。

第二章总体设计方案

本设计硬件系统主要是以单片机为主要控制器，各种芯片辅助下，完成其功能。

单片机在其中起主要控制作用。

本章主要介绍燃气灶控制系统中的硬件选择，包括总体设计，硬件接线图及分析，元器件的介绍选择，各个元器件的端口设置等。

2.1总体设计

总体设计是一款产品能否设计出来的蓝图，也是主导整个产品设计最为关键的环节，而好的总体设计方案也决定了产品的优劣，图2.1为本次设计的总体设计框图。

图2.1总体设计框图

本方案的主要功能是用户可以自由设定烹饪时间，自动煮饭和煲汤，火力大小可以任意调节并具有方便的点/熄火控制按钮，方便操作，并有热电偶形成的一套安全防护措施，输出方面主要由时间显示，由LCD液晶显示，火力大小指示灯，待机指示灯。

2.2单片机的选择

通用型单片机的种类很多，且适合不同应用场合的新产品不断出现。

就目前我国的应用情况看，以8位中档MCS-51系列单片机的应用最为普遍，并把它作为实时监测

及控制等应用领域的优选机种。

本次设计单片机选择MCS-51系列单片机中的AT89C51。

 各管脚控制及对应的功能说明如下：

（1）时钟信号脚——XTAL1、XTAL2:

外部时钟信号脚。

（2）控制线——RST/Vpd:

当作RST使用时，为复位输入端；当作为Vpd使用时，当VCC掉电下，可作备用电源。

（3）/Vpp——为访问内部或外部程序储存器的选择号。

对片内RPROM编程时，Vpp接入21V编程电压。

（4）输入/输出口线——P0口，既可接地址锁存器作低8位地址I/O口使用也可以作数据I/O口使用。

能驱动8个LSTTL负载。

P1口——具有内部上位电阻的8位准双向I/O口，可驱动4个LSTTL负载。

P2口——8位具有内部上位电阻的准双向I/O口，在接收外部存储器时，P2口作为地址高8位，能驱动4个LSTTL负载。

P3口——8位具有内部上位电阻的准双向I/O口。

2.3功能设计

（1）定时：

能够实现自由定时，是燃气灶实现智能化最基本的体现，本次设计通过设计三个按钮：

时间+、时间-、确认配合软件来实现时间的输入和倒计时功能。

在烹饪过程中，即使人因某些原因长时间离开，也能够安全起好效果的烹饪。

（2）火力调节：

燃气灶最基本的功能，无论是手动燃气灶还是智能燃气灶，这个功能是最主要的设计方面，本次设计通过设计一个按钮来实现火力大小的任意切换，火力大小按比例分配，这里设计三档火力：

大火、中火（大火55%）、小火（大火35%）。

（3）煮饭、煲汤：

各自通过设计一个按键配合各自工艺曲线图、软件和温度采集装置来实现过程自动化，过程类似电饭煲但又有所区别。

（4）温度采集是实现煮饭、煲汤自动化的重要环节，本次设计选用K型热电偶温度传感器，并对其做了详细介绍。

（5）点火、熄火：

通过设计点火键和待机键来实现点火、熄火功能，点火键按下时，阀门开脉冲点火器产生电弧，点燃气体，默认小火；待机键按下时，清除所有状态，相当于OFF功能，不过不同的是待机状态时，整个系统仍处于活跃状态，在活跃状态等待别的状态开启。

（6）时间显示：

本次设计需要显示的内容很简单，所以选择了LCD显示器。

（7）状态指示：

根据本次设计方案需要6个状态指示灯，即煮饭、煲汤、待机、火力大、火力中和火力小六个状态。

2.4热电偶及转换模块

2.4.1K型热电偶工作原理

两种不同的金属A与B形成闭合回路，如图2.2所示。

当两个接点温度不同时，回路中将产生电动势。

该电势的大小和方向取决于两导体的材料和之间的温度差，而与导体的粗细、长短无关。

这种现象称为物体的热点效应，也叫赛贝克效应。

组成的测量传感器称为热电偶传感器，产生的电势称为热电势。

热电偶中用作测量的一段叫热段（测量端或工作段），另一端叫冷端（参与端）。

图2.2热电偶的组成

由于产生的热电势与两接点产生的温度差有关，必须先固定冷端的温度才能确定热电势与测温端的温度的对应关系。

目前规定冷端在0℃给出热端温度（测量温度）与热电势的数值数值对照表（称为分度表）。

在实际使用中要保持冷端0℃是不容易的，如果以室温作为冷端温度的测温，则需要加温度补偿。

2.4.2K型热电偶参数

K型热电偶测量范围宽，价格便宜，应用广泛，可以在氧化和中性气氛中测温。

按热电偶偶丝的直径不同，其推荐测温范围如表2.1所示。

表2.1K型热电偶测温范围

偶绦直径

长期使用最高温度（℃）

短期使用最高温度（℃）

0.3

700

800

0.5

800

900

0.8、1.0

900

1000

1.2、1.5

1000

1100

2.0、2.5

1100

1200

2.0、2.5

1200

1300

2.4.3 MAX6675参数及工作原理 

1.MAX6675是一个复杂的热电偶数字转换器，带有一个内置的12位模拟数字转换器模数转换器（ADC）。

MAX6675还包含了冷结补偿传感和校正，数字控制器，一个SPI兼容接口，以及相关的控制逻辑。

在MAX6675的目的是一起工作的外部微控制器或其他情报，恒温，过程控制，或监测应用。

（1）简单的SPI串行口温度值输出 

（2）0℃～ 1024℃的测温范围 

（3）片内冷端补偿 

（4）高阻抗差动输入 

（5）热电偶断线检测 

（6）单一 5V的电源电压 

（7）低功耗特性 

（8）工作温度范围-20℃～ 85℃ 

（9）2000V的ESD信号 

该器件采用8引脚SO帖片封装。

引脚排列如图2.3所示。

图2.3MAX6675引脚图

2.该器件是一复杂的单片热电偶数字转换器，内部具有信号调节放大器。

12位的模拟/数字化热电偶转换器、冷端补偿传感和校正、数字控制器。

1个SPI兼容接口和1个相关的逻辑控制，MAX6675的内部结构图如图2.4所示。

图2.4MAX6675内部结构框图

（1）温度变换 

MAX6675内部具有将热电偶信号转换为与ADC输入通道兼容电压的信号调节放大器，T和T-输入端连接到低噪声放大器A1,以保证检测输入的高精度，同时使热电偶连接导线与干扰源隔离。

热电偶输出的热电势经低噪声放大器A1放大，再经过A2电压跟随器缓冲后，被送至ADC的输入端。

在将温度电压值转换为相等价的温度值之前，它需要对热电偶的冷端温度进行补偿，冷端温度即是MAX6675周围温度与0℃实际参考值之间的差值。

对于K型热电偶，电压变化率为41μV/℃，电压可由线性公式Vout=（41μV/℃）×（tR-tAMB）来近似热电偶的特性。

上式中，Vout为热电偶输出电压（mV）,tR是测量点温度；tAMB是周围温度。

（2）冷端补偿 

热电偶的功能是检测热。

冷两端温度的差值，热电偶热节点温度可在0℃～ 1023.75℃范围变化。

冷端即安装MAX6675的电路板周围温度，比温度在-20℃～ 85℃范围内变化。

当冷端温度波动时，MAX6675仍能精确检测热端的温度变化。

MAX6675是通过冷端补偿检测和校正周围温度变化的。

该器件可将周围温度通过内部的温度检测二极管转换为温度补偿电压，为了产生实际热电偶温度测量值，MAX6675从热电偶的输出和检测二极管的输出测量电压。

该器件内部电路将二极管电压和热电偶电压送到ADC中转换，以计算热电偶的热端温度。

当热电偶的冷端与芯片温度相等时，MAX6675可获得最佳的测量精度。

因此在实际测温应用时，应尽量避免在MAX6675附近放置发热器件或元件，因为这样会造成冷端误差。

 （3）热补偿 

在测温应用中，芯片自热将降低MAX6675温度测量精度，误大小依赖于MAX6675

封装的热传导性。

安装技术和通风效果。

为降低芯片自热引起的测量误差，可在布线时使用大面积接地技术提高MAX6675温度测量精度。

（4）噪声补偿 

MAX6675的测量精度对电源耦合噪声较敏感。

为降低电源噪声影响，可在MAX6675的电源引脚附近接入1只0.1μF陶瓷旁路电容。

（5）测量精度的提高 

热电偶系统的测量精度可通过以下预防措施来提高：

①尽量采用不能从测量区域散热的大截面导线；②如必须用小截面导线，则只能应用在测量区域，并且在无温度变化率区域用扩展导线；③避免受能拉紧导线的机械挤压和振动；④当热电偶距离较远时，应采用双绞线作热电偶连线；⑤在温度额定值范围内使用热电偶导线；⑥避免急剧温度变化；⑦在严劣环境中，使用合适的保护套以保证热电偶导线；⑧仅在低温和小变化率区域使用扩展导线；⑨保持热电偶电阻的事件记录和连续记录。

（6） SPI串行接口 

MAX6675采用标准的SPI串行外设总线与MCU接口，且MAX6675只能作为从设备。

MAX6675 SO端输出温度数据的格式如图2.11所示，MAX6675 SPI接口时序如图2.10所示。

MAX6675从SPI串行接口输出数据的过程如下：

MCU使CS变低并提供时钟信号给SCK,由SO读取测量结果。

CS变低将停止任何转换过程；CS变高将启动一个新的转换过程。

一个完整串行接口读操作需16个时钟周期，在时钟的下降沿读16个输出位，第1位和第15位是一伪标志位，并总为0；第14位到第3位为以MSB到LSB顺序排列的转换温度值；第2位平时为低，当热电偶输入开放时为高，开放热电偶检测电路完全由MAX6675实现，为开放热电偶检测器操作，T-必须接地，并使能地点尽可能接近GND脚；第1位为低以提供MAX6675器件身份码，第0位为三态。

2.4.4 测温应用 

MAX6675为单片数字式热电偶放大器，其工作时无需外接任何的外围元件，这里为降低电源耦合噪声，在其电源引脚和接地端之前接入了1只容量为0.1μF的电容。

图2.5串行接口协议

图2.6串行接口时序

图2.7SO输出位

2.5计时模块

2.5.1 DS1302 简介 

DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。

实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。

工作电压宽达2.5～5.5V。

采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。

DS1302的外部引脚分配如图2.