智能燃气灶控制系统

智能燃气灶控制系统2.1设计思路压力传感器通过测量外界的压力通过放大电路输出电流信号，经A/D转换器进行模数转换后给单片机，单片机进行算法处理将压力传感器的输出信号和测量的压力对应起来并实时显示在LED灯上，当所测压力大于一定值时，电磁阀打开并实现对燃气灶进行供气；当所测压力小于给点值时，电磁阀关闭，因此，燃气灶就得不到供气。供气之后单片机又会控制脉冲点火器进行点火，当燃气灶点燃时温度传感器输出经信号调节电路（放大电路、模数转换），送给单片机处理，同理单片机进行算法处理关闭脉冲点火器。否则，单片机将控制脉冲点火器一直点火。2.2原理设计（1）、当燃气灶感受到外界压力（设定值）时（或超过设定值），压力传感器输出的信号通过信号调节电路，送到单片机，经单片机处理，输出信号控制外围电路打开电磁阀给燃气灶通燃气，延时1s控制脉冲点火器点火。然而，当燃气灶没有感受到压力时或压力没有达到设定值时，系统则不会工作。（2）、燃气灶有没有点燃，通过温度传感器来判断。温度传感器输出经信号调节电路（放大电路、模数转换），送给单片机处理，若没点燃则继续点火，若点燃则关闭脉冲点火器。系统组成原理图如下：图2.1系统组成原理图2.3硬件设计（1）感受压力部分：通过压力传感器感受压力，再通过运算放大器放大信号，模数转换送给单片机处理。当没有压力时或者压力没有达到预定值，电磁阀、脉冲点火器均不工作。由于压力传感器要避免温度的影响，所以将压力传感器放置在燃气灶与桌面接触的底脚上。（2）点火部分：本部分由继电器，脉冲点火器两部分组成。继电器是用于实现用弱电来控制强电，其目的是减小脉冲点火器产生的高压脉冲对单片机的影响。脉冲点火器的工作还需外界电源供电。（3）控制电磁阀部分：本部分通过单片机输出信号控制继电器再控制再控制电磁阀的开关。控制电磁还需外界供电。由于电磁阀要么全开要么全闭，通燃气的大小由燃气灶的那个可旋转阀门控制，本系统默认打开的阀门打开50%，火候的大小由人工控制，通过旋转燃气灶上的阀门来调节火候的大小。（4）检查点燃与否部分：本部分是通过热电偶温度传感器来检查。热电偶感受燃气灶出火处的温度，对应输出一个数值经运放放大模数转换，送达单片机进行处理。若点燃，热电偶输出数值高于软件设定的值，则脉冲点火器不工作；若没点燃，热电偶输出数值低于软件设定的值，则脉冲点火器继续点火直到点燃。（5）模数转换部分：本部分由ADC0809这块芯片来实现，其作用是将压力传感器和热电偶温度传感器输出的模拟信号转换为数字信号供给单片机进行处理。（6）发光二极管部分本部分作用是通过发光二极管的亮灭来判断哪个部分在工作与否。2.4软件设计（1）定义程序中所需要的各种数据类型（无符号整型，无符号字符型），定义所需单片机与外围电路连接的I/O口。（2）延时函数的编写，为后面所需的延时部分调用。（3）模数转换部分程序的编写。由于系统有两路模拟信号（压力传感器，热电偶温度传感器信号）的出入，所以需要编写两次模数转换。其编写需要按照ADC0809的时序进行编写。笔者在这就不说明，读者自己查阅相关资料。（4）主函数的编写。本部分的作用是将之前模数转换所得到的数值进行处理。当得到的压力传感器的数值大于或等于某个数值时，则执行I/O口的输出，控制继电器从而控制电磁阀，脉冲点火器；当得到的热电偶温度传感器数值大于或等于某个数值时，则执行I/O的输出，控制继电器从而控制脉冲点火器。当压力数值达到设定数值时由于电磁阀，脉冲点火器工作需要间隔一段时间，所以需要调用延时函数进行延时处理。对本系统进行试验，没有重物在上面时，电磁阀关闭，脉冲点火器不工作。当把一个重物压在燃气灶上后，系统中的电磁阀打开给燃气灶供气，1s后脉冲点火器工作。当点燃时热电偶检测到的温度达到设定值时，脉冲点火器停止点火。当重物从燃气灶上拿下时，电磁阀关闭。3基于单片机智能燃气灶控制系统的硬件设计3.1硬件分析（1）AT89C51单片机：AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。本设计采用的是最为常用的51型单片机，主要作用就是用来控制电磁阀和脉冲点火器。然而，由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在芯片中，ATMEL的AT89C51又是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。因此，在本设计中采用这种单片机是最为合适的。AT89C51单片机管脚图如下：图3.1AT89C51单片机管脚管脚分析：VCC：供电。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。（2）AD模数转换芯片ADC0809ADC0809是CMOS型号单片机逐次逼近式的A/D转换器。本设计采用的是ADC0809型芯片主要是配合单片机进行模数转换，最终完成对指令。它主要是由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。ADC0809也是我们最为常用的模数转换芯片。ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如图所示（a）内部结构图（b）管脚图图3.2ADC0809芯片下面说明各引脚功能：IN0～IN7：8路模拟量输入端。2-1～2-8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入端，高电平有效。START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲使其启动。EOC：A/D转换结束信号，输出端，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平。OE：数据输出允许信号，输入端，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHz。REF（+）、REF（-）：电压。VCC：电源。GND：接地。（3）压力传感器压力传感器是最为常用的一种传感器。一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。因此，我们就需要一个放大电路来将模拟信号放大。通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器称为压电传感器。压力传感器是使用最为广泛的一种传感器。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主，以弹性元件的形变指示压力，但这种结构尺寸大、质量重，不能提供电学输出。随着半导体技术的发展，半导体压力传感器也应运而生。其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。特别是随着技术的发展，半导体传感器向着微型化发展，而且其功耗小、可靠性高。压力传感器的种类繁多，其性能也有很大的不同，选择较为适用的传感器，做到经济、合理的使用才是重中之重。（4）热电阻温度传感器热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的一种传感器。在本设计中，利用了热电偶温度传感器对温度的敏感来控制脉冲点火器停止点火。热电阻温度传感器一般分为金属热电阻和半导体热敏电阻。热电阻广泛用于测量零下200摄氏度到850摄氏度范围内的温度，少数情况下，低温可测至1摄氏度，高温达1000摄氏度。热电阻传感器由热电阻、连接导线及显示仪表组成，热电阻也可以与温度变送器连接，将温度转换为标准电流信号输出。用于制造热电阻的材料应具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，输出最好呈线性，物理化学性能稳定，复线性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。热电阻由两个不同材料的金属线组成，在末端焊接在一起。再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称之为热电偶温度传感器。不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1摄氏度时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏/摄氏度之间。由于热电阻温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，都是感受热非常敏感的材料，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电阻的金属材料具有很好的韧性和延展性，这种细微的测温元件具有极高的响应速度，可以随时测量快速变化的过程。图3.3热电阻温度传感器内部结构（5）脉冲点火器脉冲点火器，就是利用脉冲原理产生连续性瞬间电火花，从而点燃燃气具火焰的电子设备。早期的脉冲器多以干电池作电源，但近年来的大部分产品已改用交流电作为电源。随着工业技术的提高，脉冲器的生产成本已经面试降低，目前已普遍应用到了中高端燃气具产品上，极大地方便了顾客的使用，提高了产品自动化水平。相比于早期的压电式点火装置，脉冲点火稳定性高，操作简单。脉冲点火器是由电子元器件组成的一个脉冲振荡器，由振荡器所产生的高频电压经升压变压器升成15千伏的高电压，进行尖端放电，由放电的火花引燃燃烧器上的燃气。这种点火器点火率高，可连续放电。按下旋钮，脉冲点火器开始点火；松开旋钮，脉冲停止点火。图3.4脉冲点火器控制电路特点：1、点火频率稳定，电弧长，性能可靠。2、脉冲放电，总放电时间一般在6-15秒。3、功率大，可直接点燃液体燃料。4、点火杆、高压橡胶线、点火器等连接方便，安全可靠。5、点火头，点火时间，点火功率可按照客户的要求制造。脉冲点火控制器系统比普通燃气灶增加了脉冲点火控制电路、电磁阀控制、火焰探测针等装置。即在工作时，由单片机先输出控制信号触发点火控制电路、火焰检测反馈电路，通过火焰检测反馈电路检测火焰，并将检测的结果反馈至单片机，单片机可根据输入的火焰检测信号控制电磁阀的开、闭，从而保证了燃气灶在发生意外熄火及回火状态时，控制系统能及时关闭电磁阀，关断燃气通路，避免了因熄火引发的安全事故。系统设计采用单片机作为主控器件，实现燃气灶脉冲点火控制器设计，更新现有燃气灶，提高产品质量。通过在硬件中增加了脉冲点火电路和火焰检测电路，在软件中优化点火控制顺序，从而保证了整个燃气系统的稳定性和安全性。（6）电磁阀在本设计中电磁阀主要是用来打开燃气开关，使得可以正常的提供燃气从而达到最终点燃的目的。其主要受到单片机的控制，主要作用也就是开关燃气输送阀，控制燃气供给。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够得到保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置，然而，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。（7）LM317芯片LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。LM317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。317系列稳压块的型号很多：例如LM317HVH、W317L等。电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。LM317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。最小稳定工作电流的值一般为1.5毫安。由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5毫安。当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，LM317稳压块就不能正常工作但可以可以输出稳定的直流电压。在应用中，为了电路的稳定工作，在一般情况下，还需要接二极管作为保护电路，防止电路中的电容放电时的高压把317烧坏。几种封装的引脚识别图:LM317有三个管脚：图3.5LM317芯片第一引脚，为电压调节脚；第二引脚，为电压输出脚；第三引脚，为电压输入脚。（8)LM386芯片LM386是早期生产的音频功率放大器，主要是用于低电压消费类产品。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200伏。输入端为地，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6伏电源电压下，它的静态功耗仅为24瓦，使得LM386特别适用于电池供电的场合。在本设计中采用LM386芯片来将单电源电路转为双电源电路为两个运放放大器进行供电。因此。LM386芯片也是主要硬件组成。LM386的引脚图如下：图3.6LM386芯片引脚LM386的外形和引脚的排列如上图所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。LM386在本设计中主要的作用就是将一个12伏的电源电路分成两个带6伏电源的电路，为运放放大器提供电源。（9）OP07运放放大器在本设计中由于要用到传感器，所以就需要运放放大电路来将模拟信号进行放大，这样才可以被ADC0809芯片识别，最后进行模数转换送到单片机。因此，采用的是OP07运放放大器，这个型号的放大器可以满足需要的要求，并完成信号的传输。OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07芯片介绍如下：（a）管脚图（b）外形图图3.7OP07芯片特点：超低偏移：150μV最大。低输入偏置电流：1.8nA。低失调电压漂移：0.5μV/℃。超稳定，时间：2μV/month。最大高电源电压范围：±3V至±22V。OP07芯片引脚功能说明：1和8为偏置平衡，2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚，6为输出，7接电源正。3.2电路分析3.2.1模数转换将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换；A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。

在本设计中主要用到的就是压力传感器和温度传感器输出的模拟信号经过放大电路变成电流信号在转换成数字信号送到单片机，使单片机再控制其他设备。这就是本设计与模数转换相关的电路。然而，转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。AT89C51单片机与ADC0809的接口电路如下图所示，图中P0.0/AD0接到OUT8，P0.1/AD1接到OUT7，P0.2/AD2接到OUT6，P0.3/AD3接到OUT5，P0.4/AD4接到OUT4，P0.5/AD5接到OUT3，P0.6/AD6接到OUT2，P0.7/AD7接到OUT1，P2.0/A8接到START和ALE,P2.1/A9接到EOC,P2.2/A10接到OE,P2.3/A11接CLOCK,P2.4/A12接到ADD(A),ADD(B)、ADD(C)与VREF(-)接地,VREF(+)接VCC。AT89C51单片机与ADC0809的管脚连接仿真图：图3.8模数转换连接电路3.3.2放大电路在生产实践和科学研究中需要利用放大电路放大微弱的信号，以便观察、测量和利用。一个基本的放大电路必须有：输入信号源、晶体三极管、输出负载以及直流电源和相应的偏置电路。其中，直流电源和相应的偏置电路用来为晶体三极管提供静态工作点，以保证晶体三极管工作在放大区。就双极型晶体三极管而言，就是保证发射结正偏。在本设计就为了能够准确的达到要求的电流信号和电压信号我们采用的是OP07运放放大器来处理的，其仿真电路图如下所示：（a）放大电路（b）放大电路图3.9放大电路仿真3.3.3稳压电路本设计采用的是LM317稳压电源，三端稳压集成电路LM317是三端稳压集成电路，它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。M317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。在本设计中由于压力传感器需要的-6V到+6V的稳定电压，单片机则是0-6伏的电压，而我们的电源供电是12伏的，因此，我们就要附加一个稳压电路，使得各个器件都可以正常的运作。下面是稳压电路图的仿真图：图3.10稳压电路仿真3.3.4单电源转双电源电路为了满足每个元器件都稳定的电源供电，我们不仅需要有稳压电路来进行稳压，同时还需要多个电源一起供电，从而达到整个系统不脱节，正常的完成整个流程。这时候就需要一个单电源转双电源的设备，在本设计中我采用的是LM386芯片来达到双电源的目的。LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20伏。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200伏。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24瓦，使得LM386特别适用于电池供电的场合。静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电，工作电压范围4伏至12伏，外围元件少，电压增益可调，20伏至200伏，

低失真度。这些都是它的优良特性。单电源转双电源电路的仿真图:图3.11单电源转双电源电路仿真4软件部分4.1系统流程图开始开始 初始化初始化压力信号压力信号单片机控制继电器控制电磁阀打开单片机控制继电器控制脉冲点火器单片机控制继电器控制电磁阀打开单片机控制继电器控制脉冲点火器压力值是否达到一定值NYN结束脉冲点火器关闭热电偶检测是否点燃结束脉冲点火器关闭图4.1程序流程本系统进行试验，没有重物在上面时，电磁阀关闭，脉冲点火器不工作。当把一个重物压在燃气灶上后，系统中的电磁阀打开给燃气灶供气，1s后脉冲点火器工作。当点燃时热电偶检测到的温度达到设定值时，脉冲点火器停止点火。当重物从燃气灶上拿下时，电磁阀关闭。4.2程序编写(1)、定义：#include<reg52.h>//头文件#defineuintunsignedint//参数数据类型#defineucharunsignedcharsbitSTART=P2^0;//管脚定义sbitEOC=P2^1;sbitOE=P2^2;sbitCLOCK=P2^3;sbitX1=P1^1;//控制电磁阀sbitX2=P1^4;//控制点火器sbitX3=P1^7;SbitADDCS=P2^4;ucharAD_DATA[2];//数据存储数组voidys(uchari)//延时函数{Ucharj;while(i--){for(j=125;j>0;j--);（2）、模数转换：voidinit()//adc0809的模数转换，由于adc0809需要500hz的频率，用中断方式产生{EA=1;TMOD=0x02;TL0=216;TH0=216;TR0=1;ET0=1;START=0;OE=0;}voidt0()interrupt1using0//{CLOCK=~CLOCK;}voidAD()//模数转换{START=0;ADDCS=0;ys(10);voidmain()//主函数{ini