智能燃气灶系统的设计

高 文，赵璐锋，肖海峰，乔社娟，马 昭

（1.西安航空学院 电子工程学院，西安710000；2.陕西昱琛航空设备股份有限公司，西安710000）

燃气灶作为家庭最关键的烹饪厨具，在居民的日常生活中扮演着重要角色。近几年，随着居民生活水平的日益提升，燃气灶的需求正从实用型逐步向品质型转变，消费者对于燃气灶的安全性、耐用性、方便性、美观性，以及智能化水平提出了更高的要求[1]。在目前市场上绝大多数燃气灶的点火、火力大小调节都是通过机械式的旋钮开关来实现的，长时间使用存在机械磨损、旋钮开关灵敏度降低等问题，易出现燃气灶点火不迅速、火力忽大忽小等问题，为燃气灶的使用埋下安全隐患。

基于传统燃气灶的缺点和市场消费的需求，改变燃气灶的控制方式，实现燃气灶的智能化发展，成为燃气灶产品未来的发展趋势之一[2-5]。在此设计了基于嵌入式微控制器的智能化燃气灶控制系统。该系统实现了全数字化触摸控制，并可以通过WiFi与智能手机相连，实现燃气灶的智能控制，顺应了万物互联的科技潮流。

1 系统总体设计方案

智能燃气灶系统分为触摸控制板和驱动板。触摸控制板完成触控输入、数据处理、WiFi 通信、安全检测报警、数码显示、定时等功能；驱动板作为系统核心部分，实现热电偶信号采集、电磁比例阀控制、脉冲点火等功能。智能燃气灶系统原理如图1所示。

图1 智能燃气灶系统原理框图Fig.1 Block diagram of intelligent gas stove system

与传统燃气灶相比，智能燃气灶具有以下功能和优点：

1）定时功能 自由定时功能的实现，有效提升燃气灶具的智能化水平。该系统由3 个触摸按键（时间+，时间-，确认）配合软件，实现时间的输入和倒计时功能。在烹饪过程中，通过此功能即使烹饪者因某些原因长时间离开，也能够进行安全烹饪。

2）熄火保护功能 熄火保护是避免燃气泄漏的重要环节。在此，使用热电偶温度传感器，通过检测火焰状态，及时在火焰意外熄灭后切断气源进行保护。

3）数码显示与报警功能 通过数码管和声光电路显示系统的当前状态及相应故障报警信息。

4）智能化触摸控制 与物理按键相比，可有效隔离油渍、 汤渍等可能引起按键失灵的外界因素，稳定性更高，便于清洁，不易损坏。

5）儿童锁功能 防止儿童误操作，避免安全事故的发生。

6）智能控制 通过WiFi 与智能手机通信，可在手机上查看燃气灶的状态，并可对燃气灶进行火力调节和关火等操作，实现智能安全控制。

2 智能燃气灶硬件设计

智能燃气灶是以双STM32F051 为系统核心，实现双核控制。STM32 F0 微控制器采用最新的ARM Cortex-M0 32 位嵌入式处理器架构，集实时性能、低功耗运算和STM32 平台的先进架构及外设于一身，使开发人员能够打破采用传统专有内核的8 位、16位微控制器的价格和性能限制[6-8]。基于STM32F051 的智能燃气灶性能优越、实时性高、成本低。

2.1 触摸控制模块

该系统使用电容式触摸按键，无需人体直接接触按键，也不需要传统的按键触点，避免了安全隐患，同时具有可靠耐用、美观时尚、生产安装维护方便的优点。

触摸感应模块选用触摸管理芯片FTC359H。该芯片采用高精度数字电容测量技术，可防止各种干扰对电路的影响如防面板水迹、油污等；支持11 个触摸按键输入功能，支持相邻按键同时触摸功能，输出采用二进制码。通过实际电路的综合设计，实现了滑条触摸控制火力大小功能。该触摸输入电路如图2 所示。

图2 触摸输入电路Fig.2 Circuit of touch input

2.2 脉冲点火电路

智能燃气灶采用电子脉冲方式点火，由STM32F051控制点火电路与电磁比例阀配合动作，完成点火功能。同时，结合热电偶电路进行状态检测，形成闭环控制，保证用户安全。

脉冲点火电路首先由脉冲线圈、晶闸管、变压器等电子元器件组成脉冲高频振荡器。振荡器所产生的高频电压，经升压脉冲线圈升至15 kV，从而击穿空气，通过点火针尖端放电引燃灶具的燃气。电子脉冲点火具有效率高，放电连续，可靠性高等优点。脉冲点火电路如图3 所示。

图3 电子脉冲点火电路Fig.3 Circuit of electronic pulse ignition

2.3 WiFi 传输电路

该系统除了采用触摸控制，还支持基于WiFi的无线控制模式。手机可以通过WiFi 与燃气灶进行连接，在手机App 上实现对燃气灶状态的监控、火力大小的调节、童锁保护及关火等功能。系统选用ATK-ESP8266 WiFi 模块实现无线通信。该模块的频率范围为（2.412～2.484）GHz，内置TCP/IP 协议栈，支持串口转WiFi STA、 串口转AP 和WiFi STA+WiFi AP 的模式，同时带有板载PCB 天线，支持LVTTL 串口，兼容3.3 V 和5 V 系统，可以快速构建串口-WiFi 数据传输方案[9]。系统STM32F051 通过USART1 串口PA9 和PA10 与ATK-ESP8266 模块实现数据交互，具体硬件电路如图4 所示。

3 智能燃气灶软件设计

3.1 系统主程序设计

系统控制芯片STM32F051 编程在Keil 环境下，使用C 语言编写控制程序[10]。系统驱动板和触摸控制板之间使用串行通信，系统主程序在驱动板STM32F051 上运行，实现整个系统的管理。系统的主程序流程如图5 所示。

图4 WiFi 传输电路Fig.4 Circuit of WiFi transmission

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

整个系统的工作流程如下：上电系统电源灯亮，除开关按键外，所有按键处于冻结状态。打开开关解除冻结，并进入系统自检，确认故障系统锁定，显示相对应的错误代码，发出错误警报，关闭燃气电磁阀，触摸板无法操作。自检完成后，如有串行通信的控制命令，则执行相关控制命令。

3.2 点火功能软件设计

电子脉冲点火功能完成燃气灶的正常点火、二次点火和点火失败报警，以及关闭进气电磁比例阀的功能。点火功能软件设计流程如图6 所示。

图6 电子脉冲点火流程Fig.6 Flow chart of electronic pulse ignition

整个系统由触摸点火信号控制，当用户按下点火开关时，进行正常第1 次点火，而检测到第1 次点火失败后，会等待相应的时间，然后进行第2 次点火。如二次点火仍不成功，此时将切断燃气电磁阀，发出蜂鸣器警报，同时面板显示相应故障代码。整个过程能有效避免燃气泄漏的危害，大大提高了燃气灶的安全和可靠性。

3.3 触摸控制软件设计

为实现触摸控制，设计了相应的硬件电路，编写了软件程序代码，软硬件配合最终实现智能燃气灶的触摸控制功能。同时，考虑儿童误操作的安全隐患，在触摸控制功能中设计了童锁功能。所有触摸控制功能的实现都是基于触摸控制信号的识别，识别功能后也对应实现相关显示，达到与用户的信息交互功能。整个过程要考虑系统是否处于故障状态，判断是否符合键值表中的数据，进行相关显示以及与驱动板通信实现相关动作。具体触摸控制功能软件的实现流程如图7 所示。

4 系统测试

智能燃气灶系统以满足实际应用为设计目标，搭建实物平台进行最终测试。系统实物平台如图8所示，最终测试结果见表1。

图7 触摸控制流程Fig.7 Flow chart of touch control

图8 系统实物平台Fig.8 Actual system platform

表1 核心功能Tab.1 Core function

从功能测试结果和实际应用都表明，该系统操作便捷，安全可靠，完全可满足燃气灶使用要求。

5 结语

以微处理器STM32F051 为核心设计的智能燃气灶系统，完全可以满足日常烹饪使用；区别于传统机械式燃气灶，具有可靠耐用、美观时尚、安全可靠等优点，在防面板水迹、防油污等方面有大大提高；触摸控制和WiFi连接功能更符合现代生活的使用习惯，同时顺应万物互联的科技潮流，具有较好的应用前景。