基于单片机的厨用燃气炉灶控制器设计.docx

本科毕业设计（ 论文 ）题 目：基于单片机的厨用燃气炉灶控制器设计 学 号： 20114831595 姓 名： 董磊 班 级： 11计科A2 专 业：计算机科学与技术 学 院：工学部 入学时间：2011级 指导教师： 日 期： 年 月 日毕业设计（论文）独创性声明本人所呈交的毕业论文是在指导教师指导下进行的工作及取得的成果。除文中已经注明的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名：日期：基于单片机的厨用燃气炉灶控制器设计摘要通过本课题的设计主要是面向家庭用户，对现代化的智能产品应用到生活中去，本文主要针对家庭的燃气灶系统进行全自动的控制，提出并设计出了一个能适应现代社会生活需要的现代化厨房用燃气灶系统。 本文主要通过STC12C5204AD单片机作为中央控制系统，并辅助各类传感器和风机电磁阀等器件进行传导和控制。本设计的智能厨燥控制系统集成了多种功能，其中的防空烧功能，通过红外发射和接收装置炉灶的防空烧控制功能，这样人们在锅离开灶台时候，防空烧红外探测器开始工作，防止了燃气的浪费，节约了能源。实现了锅在火开锅离火小的开关功能，还可以实现熄火保护的功能，熄火保护就是当火焰被风、汤水等原因意外熄灭时，熄火保护装置就会自动关闭气源，这样就不会通过燃气灶引起燃气泄漏的危险了。本设计中设计了分为主火和明火两种电磁阀控制功能，能够更好的控制火源。保证燃气灶的智能节能环保的目的。同时本设计中还配有触摸按键功能，实现触摸式的燃气开启与关闭，与此同时，为了增加燃气的可利用率增加了风压的检查功能。通过本设计可以为现代化的家庭提供一个功能强大的，省时、省力、经济实惠节能环保的高科技产品，方便人们的生活，提高人们的生活质量。关键词:单片机；红外发射；电磁阀Designof the controllerbased on thekitchengas stove ABSTRACTThrough this topic design is mainly for home users, to the modern intelligent products applied to life to,this paper mainly for household gas stove system were fully automatic control,is proposed and designed which can adapt to the needs of the modern social life of a modern kitchen with gas stove system.This paper mainly through stc12c5204ad microcontroller as the central control system, and to assist all kinds of sensors and the fan solenoid valve device to transmission and control.The design of the intelligent dry kitchen control system is integrated with multiple functions,the air burning function,through infrared emitting and receiving device of stove air defense fire control of the function,so that people in the pot leave hearth, antiaircraft firing infrared detector to work,to prevent the waste of gas,saving energy.he realization of the pot on the fire to boil away from the fire small switch function, also can realize the function of flameout protection,flameout protection is when the fire from being extinguished by wind,soup and the cause of the accident,the flameout protection device will gas source can be automatically closed,so as not to the gas stove caused the danger of gas leakage.Thedesign of themainfireandfiretwosolenoid valvecontrol function,canbettercontrol the fire.Ensure thegas stoveintelligentenergy-saving and environmental protection purposes.Also the design is also equipped with touch buttons, touch type gas opening and closing. At the same time,in order to increase gas utilization rate increased by wind pressure check function.Through this design can be for the modernization of the family to provide a powerful,time-saving,labor-saving, affordable energy saving and environmental protection high-tech products, to facilitate peoples lives,improve peoples quality of life.Key words: MCM;infrared emission;electromagneticvalve 目录1绪论12控制系统方案分析12.1控制系统简介12.2控制系统方案分析12.3本章小结13硬件电路设计23.1概述13.2单片机系统13.2.1单片机简介13.2.2单片机最小系统13.2.3单片机引脚分配13.3电源系统13.4按键系统13.5防空烧系统13.6电磁阀系统13.7风压探测系统13.8熄火保护系统13.9本章小结14软件设计24.1概述14.2软件的位定义14.3延时函数14.4按键检查函数14.5点火函数14.6防空烧函数14.7熄火保护函数14.8本章小结15 Keil uVision4介绍1 5.1 Keil uVision4简介1 5.2 Keil uVision4软件操作流程1 6结论2致谢3参考文献4附录51 绪论燃气灶，是指以液化石油气、人工煤气、天然气等气体燃料进行直火加热的厨房用具。随着人们生活水平的日益提高和燃气灶具的逐步普及，家用燃气灶作为一种生活必须品已经进入了千家万户。同时消费者家用燃气灶的安全性、耐用性、方便性、美观性等各个方面也越来越重视。家用燃气灶质量的好坏不仅影响人们的日常生活，而且质量差的燃气灶具容易引发人身伤害事故。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。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。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。所以基于单片机的厨用燃气炉灶控制器的开发，正是顺应了时代发展的潮流和趋势。与传统的燃气灶相比，多了很多优点。2 控制系统方案分析2.1 控制系统简介单片机的厨用燃气灶控制器可以实现多种功能的自动化产品，其输入的参数主要有防空烧电路系统，触摸按键系统，电磁阀控制系统，风压探测系统，熄火保护系统组成，同时还有单片机系统。整个系统通过一片STC12C5204AD单片机来进行总体的控制，作为整个设计的控制中心。其中的防空烧系统是利用红外线模块及其相应的电路系统进行设计完成的，主要应用了市面上常用燃气灶防空烧模块来进行设计。触摸按键一共设计了2个，一个功能是燃气的开功能一个是燃气的关功能。触摸按键充分发挥了按键比较流行的触摸方式。电磁阀的控制系统主要控制燃气的通路，分主火电磁阀和常明火电磁阀，通过这两个电磁阀可以通过单片机来控制其通断来完成防空烧的功能。风压探测系统运用了光耦和三五芯片来完成风机和探测电路。熄火保护装置运用了热电偶感应器和运算放大器来完成，将探测的结果传递给单片机进行其他的控制。当然了整个系统的核心是单片机系统，通过单片机对整个监测和控制电路进行监测和控制测量，并完成所需要的设计功能，既是基于单片机的厨用燃气灶控制器的设计。整个系统的设计应用了人们常用的功能，触摸按键，熄火保护，防空烧功能，风速探测和报警的功能，这些功能都是人们日常生活最基本的，也是现代化家庭必备的功能模块。通过这些功能和电子的设计完美的完成了本设计的总体方案，实现智能化得燃气灶的控制设计。2.2 控制系统方案分析本设计系统具有对家用燃气灶的控制系统，并有多种保护和控制功能。可对家用燃气设备进行实时智能化控制，达到方便和安全智能的目的。基于单片机的厨用燃气灶控制系统主要包括系统电源、单片机模块、防干烧模块、按键控制模块、风压测量模块、熄火保护模块、燃气控制模块组成。电源系统主要运用了市电220V的电源，通过变压电路把电压降到24V并通过稳压芯片对电路进行稳压到5V的工作电压，系统控制部分的电压为5V系统，外部输入的设备电磁阀等需要用到24V的电源系统，所以本设计的电源由24V和5V组成。单片机模块是整个系统的控制中心，通过对外部输入模块的信号判断来控制其他设备的输出，同时按照燃气灶的正常工作进行实时的监测和保护控制。防干烧模块的运用是为了节约能源而设计的功能，主要运用红外探测系统来完成信号的反馈，当探测到没有锅的时候，单片机判断出来并控制电磁阀关闭主电磁阀并保持常明火电磁阀的开通，同时当探测到有锅存在的时候，主路电磁阀同时打开，起到了智能的控制和节约煤气的目的。按键系统采用了主流的触摸按键，防止了机械式的按键接触不良的缺点，触摸按键完成了煤气灶的开启和关闭的功能。熄火保护功能主要为了人身安全而设计，主要运用了热电偶来探测火苗，当火苗突然熄灭的时候会启动熄火保护装置，从而关闭总阀门。本方案是智能化设计方案，可以实现安全节能的燃气控制系统，达到了理想的效果。本方案是基于单片机的燃气灶控制系统，通过各个传感器的信号和功能来控制并使单片机控制燃气阀门来达到控制整个系统所需要的控制结果。方案的总体框图如图1.2.1：LED指示风压探测报警模块点火模块熄火保护模块单片机风机模块空烧探测模块电磁阀模块按键模块图 1.2.1 总框图2.3 本章小结本章主要分析了设计的思路、方案和原理，主要运用单片机技术对并通过外部设备传感器对家用燃气灶进行自动控制的论证，通过每个方案的分析确定了本设计的最佳的方案设计。同时配有LED显示和声音提示的功能。家用燃气控制器主要有，单片机，热电偶传感器，风机，继电器，电磁阀，按键控制等。通过这些器件和模块的运用组成了燃气灶控制系统。3 硬件电路设计3.1 概述本设计的硬件系统电路由各个单元系统模块组成，各个单元模块按照自己的指令执行各自的功能，模块化的设计已经是工程师们的首选设计方法，本论文也是按照模块化设计方法进行设计，接下来我们对每个电路进行详细的介绍。3.2 单片机系统3.2.1单片机简介所谓的单片机是一种芯片而且它集成了很多小的模块在电路内部，它的这种工艺是是采用了现代所说的集成电路技术。是把大规模电路集成到，具有数据处理能力的中央处理器中。内部RAM，随机存储器。内部ROM，只读存储器。和多种输入输出口和特殊用途的中断系统，用于时间的定时器/计数器等功能，把这些都集成到一块硅片上，这样构成的一个小的系统，表完善的功能系统成为单片机。3.2.2单片机最小系统单片机最小系统是单片机运行的主要核心，在进行设计的时候是最基本的单元电路，而对于常用的系列单片机，它其内部就已经包含了一定数量的内部程序存储器和内部数据存储器。在外部只要增加时钟电路单元电路，还有单片机的复位电路，电源系统供电电路，那样即可构成单片机最小系统了。下面对单片机最小系统需要的时钟电路和复位电路做一下详细的说明。 时钟电路主要是单片机内部运行周期电路，这个时钟可以保证单片机的整个系统各个部分在一个统一的时钟脉冲控制下有序地进行工作。时钟电路是单片机系统最基本、最重要的电路，是给单片机提供时序时钟源的电路。单片机的时钟电路可以有三种，分别是外部晶振电路、内部振荡电路、外部时钟输入。对于普通的单片机来说是没有内部振荡电路的，带有内部振荡器的单片机有PIC、AVR等。本设计采用的是外部晶振电路，如图16：图16 单片机时钟电路图17 单片机复位电路单片机在运行中或在上电时候必须要让单片机内部的相关寄存器处于准备工作的状态，复位后单片机内部的状态是固定不变的，除非软件进行相应的操作，所有单片机的复位电路是非常必要的，复位电路按照需要可以是上电复位和手动复位，单片机是高电平复位，当然在有些场合中复位电路不是必须的，这时候需要将复位端口加上下拉地电阻。在有些场合需要单片机充分复位后进行工作。基本的复位电路如图17所示。本论文的单片机最小系统如下图；构成本论文中设计的最小系统。包括单片机的电源供电电路，电源电路是由5V供电系统提供的，可以选择电池组，也可以选择开关电源提供5V输出的电压。单片机的复位电路包括两部分，一部分是上电复位，另一部分是手动复位这两个部分，上电复位是在使用单片机的时候，单片机的内部存储器处于一个还没有被赋值的状态，上电复位使其赋值到内部。这样可以保证每次复位内部的控制位的值都是一样的，这样以来可以更好的控制单片机，还有时钟电路，时钟电路是由无源晶振一个和2个瓷片电容组成的电路，这是最常用的单片机时钟电路。通过这几个部分的有机结合，组成了单片机控制的最小单元如图2.2.4。图2.2.4 单片机最小系统3.2.3单片机引脚分配单片机的通用IO口是可编程逻辑口，通用IO口有15个，这些端口可以通过编程进行对各端口进行输入输出控制。那么这些端口如何运用如何分配呢？从端口的类型上通用的IO口是可以自由分配的，当外部需要特殊功能的端口时候，就需要把特殊端口分配到单片机的对应复用端口上。本设计没有特殊端口即没有中断类型的端口，其端口分配没有特殊要求。单片机引脚分配图如下所示单片机与各个功能模块芯片引脚分配按键单片机指示灯单片机熄火保护单片机开P3.2风机P1.6LM393P1.7关P3.3点火P1.5风机单片机防空烧单片机熄火保护P1.4EP1.1光偶P3.5空烧P1.3风压监测单片机主火P1.2光耦P3.1表格1 引脚分配图3.3电源系统单片机系统及其外围器件需要的电压是直流5V电源和24V电源供电系统，要取得要取得这两种电源电压，可以有两个方案进行选择，下面逐一介绍一下设计的电源方案。1、开关电源开关电源是市面上常用的将220VAC转变成直流24V和5V的设备，因为其价格低廉，简单方便，所以应用非常广泛。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控等领域。由于开关电源产品比较普遍，并且为了体现设计的原创和一体化控制系统，本方案不选择开关电源作为系统供电设备。2、 线性电源本方案和开关电源原理类似，是应用线性电源技术工作原理，首先将220 V市电通过变压器转为低压电，比如说12V，而且经过转换后的低压依然是AC交流电，然后再通过一系列的二极管进行矫正和整流，并将低压AC交流电转化为脉动电压如图；下一步需要对脉动电压进行滤波，通过电容完成，然后将经过滤波后的低压交流电转换成DC直流电如图；此时得到的低压直流电依然不够纯净，会有一定的波动（这种电压波动就是我们常说的纹波），所以还需要稳压二极管或者电压整流电路进行矫正。最后，我们就可以得到纯净的低压DC直流电输出了如图：经过整流滤波电路输出了直流24V，这个直流24V可以用作继电器和电磁阀的控制用电，我们用稳压芯片LM2596进行稳压，24V直流电经过稳压芯片后输出直流5V，这样我们就得到了我们所需要的电源电压。电源系统电路图系统供电模块综述：T1为变压器，市电交流220V电压通过变压器转变成交流24V电，通过4个全波整流二极管进行整理输出，得到了带有毛刺的直流24V电压，通过滤波电容C10、C9得到稳定的24V电压，再用稳压芯片LM2596进行降压，得到系统所需的5V直流，在配合滤波电容进行滤除杂波，以保证5V直流电源的抗干扰和稳定。3.4按键系统本设计中的按键是运用触摸按键的方式进行设计的，运用的芯片是QTC186C。QTC186C是一款具备超强抗干扰、超强防水能力的6通道电容式触摸感应芯片,可以工作在不同频率的开关电源供电系统以及非隔离的阻容降压电源系统并且灵敏度完全一致，在灵敏度适当的前提下,水溅、水漫、水淹触摸面板均不会引发误动作,即使成片积水淹没多个感应键也可以正常的进行触摸操作,在无须加电感滤波的情况下可以顺利通过4KV 以上电快速瞬变群脉冲干扰测试、干扰过程中可以正常进行触摸操作、灵敏度不降低、不漂移，还可以抵抗高达5W的对讲机射频干扰,系统具备先进的灵敏度自动校准功能，灵敏度自动补偿功能,工作环境突变抑制功能,提供灵活、简便的灵敏度调节方式,应用非常广泛。本设计的电路图如下所3.4.1所示图 3.4.1 按键电路本设计中的触摸按键运用了2个，其中一个是燃气灶的开一个是燃气灶的关按键，QTC186C芯片输出端口与单片机的P3.3，P3.2端口连接来监测按键的状态。3.5防空烧系统防空烧系统一般分为3类，一类是红外线感应电磁阀式，一类是压杆式电磁阀，一类是亚杆式磁阀。本系统中运用了第一类红外线感应电磁阀式，这类防空烧系统结构简单按照方便，所以本设计选择这种方案系统。本设计的电路图如3.5.3所示，本设计中运用了三线的防空烧系统，这个系统是多用图电路系统，既可以用三线防空烧感应器件也可以用4线防空烧感应器件。这就这样的目的主要是为了选择防空烧方式的灵活性，对于现代的电路设计，多更能是主要的选择，因为整个电路的设计和排版是非常费时间的，而设计的多用途是首要选择，这就是本设计的目的。那么我们就设计一款既可以用在三线的系统上也可以用在4线的系统上的防空烧系统。设计中的电路运用了光耦元件进行输出，并传递给单片机信号。由于本设计选用的是三线式红外线防空烧设计所以本设计着重讲一下这个，当红外信号检测到无锅情况下，会输出高电平的信号导通光耦，光耦导通后会输出低电平给单片机，从而完成单片机的其他控制。图2.5.1 防空烧电路3.6电磁阀系统本设计中的燃气控制是由电磁阀系统来完成的，其中有两组电磁阀，一组是控制主火力的电磁阀，一组是控制常明火的电磁阀，这两组电磁阀是通过继电器来控制输出的。单片机控制三极管的导通，由三极管来驱动继电器，继电器动作来使电磁阀工作，单片机的控制端口是P3.0，P3.4端口。电磁阀系统电路如图3.6.1。单片机根据需要即可控制两个电磁阀的通断，从而控制燃气的主火和明火的状态。图3.6.1 电磁阀电路3.7风压探测系统本设计中含有风压探测电路和风机控制电路，当燃气系统开启时候需要有风力才能提高燃气的利用率，所以本设计安装了有风机控制系统，同时也安装了风压的检查系统，风压的检查是用了风压传感器来完成的。下面我们逐一介绍一下这两个系统。图3.7.1是风压检查系统，风压检测传感器是由24V电压供电的模块，当大火系统开始大火的时候，首先检测是否有风压存在，如果检测到风压说明风机正常工作，那么风压检测电路会使光耦器件工作，使输出端输出低电平给单片机，如果单片机判断出低电平说明检测到风压力，即工作一切正常，可以进行下一项任务了。图3.7.1 风压检测下面图3.7.2是风机控制电路，主要通过单片机控制mos管的导通来驱动继电器，继电器闭合使电压接通到风机中。图3.7.2 风机电路3.8熄火保护系统本设计中的熄火保护装置，主要由热电偶来完成探测的，通过芯片LM393来完成信号的放大，并输出给单片机引脚进行控制，电路中设计了热电偶的接插件，可以方便外部器件的插拔。LM393放大器是将微弱的变化两变化成标准的信号进行输出，这样单片机可以识别到。整个电路的设计如图3.8.1所示。图3.8.1 熄火保护电路3.9本章小结本章节主要介绍了燃气灶控制系统的硬件电路设计，并介绍了所电路的组成和分析电路，电路是按照模块化方法设计的，每个模块都是独立的个部分，把每一个模块组合起来就构成了本论文的总体设计。硬件电路设计的是否正确有时候需要软件系统来验证，软件和硬件是不可分割的，他们相互联系又互相独立。4 软件设计4.1概述本章节主要是程序的设计，针对每个功能模块对应相应的功能进行编写，软件也遵循模块化设计方法。整个程序运行流程图如下所示图4.1.1。图4.1.1 流程图4.2软件的位定义每个软件都有位的定义，位的定义主要是为了，定义单片机的端口和所操作的变量一样进行操作，位定义定义如下。sbit LED_fan = P16;/风机指示灯 D13(D17)sbit LED_ignition = P15;/点火指示灯D14(D19)sbit LED_fireneedle = P14;/熄火保护指示灯D16(D20)sbit LED_avoid_flame = P13;/防空烧指示灯D17(D21)sbit LED_mainfire = P12;/主火指示灯D20(d24)sbit Start = P33;/启动按钮sbit Halt = P32;/停止按钮sbit avoid_flame = P35;/防空烧检测sbit fireneedle = P17;/熄火保护针sbit Moto = P11;/电机sbit MainFire = P34;/主火sbit NormallyFire = P30;/常明火sbit Ignition = P10;/点火sbit Wind = P31;/风压开关 4.3延时函数延时函数在那个程序中都会用到，它主要完成了程序的内部延时操作，这个是非常有用的函数，当单片机在执行摸个动作的指令的时候，程序中主要运用了循环的延时，也可以理解为空操作，就是单片机在一个指令内什么都不做的动作，这样就起到了延时的功能。void Delay10ms()/12.000MHzunsigned char i, j;i = 117;j = 184;dowhile (-j); while (-i);4.4按键检测函数本程序中的按键检测主要检测了两个按键的动作，一个是启动按钮一个关闭按钮，当按键检测到运行指令按键的时候，单片机执行按键程序会运行，当进入到按键程序中，单片机判断是那个按键按下了，如果是运行按键按下单片机则执行运行动作，如果停止按键按下则单片机执行停止动作。uchar Key_Scan() if(Start=0)&(Halt=1) Delay10ms(); if(Start=0)&(Halt=1) return Run; /User operation Run else if (Start=1)&(Halt=0) Delay10ms(); if (Start=1)&(Halt=0) return Stop;/User operation Stop else if (Start=1)&(Halt=1)|(Start=0)&(Halt=0) return NOR;return NOR;4.5点火函数本程序主要是点火程序，单片机在执行点火操作指令的时候会检测风压，当风机启动后点火程序才能正常工作。uchar Run_ignition()uchar X,Y;LED_fan =0;/风机指示灯亮Moto=1;/风机继续运行Ignition=1;/open Ignition relayLED_ignition=0;/open LED_ignition/while(1);/-for(X=0;X20;X+) Delay30ms(); if(Key_Scan()=Stop) return Stop; /delay 1SNormallyFire=0; /打开长明火继电器 for(X=0;X140;X+)Delay30ms();if(Key_Scan()=Stop) return Stop;if(Moto=1)&(Wind=1)/如果风机打开，但没有风压，返回失败I=unsucceed;return Stop; /delay 5SIgnition=0;/关闭点火开关 LED_ignition=1;/熄灭点火指示Y=0;for(X=0;X30;X+)Delay30ms();if(Key_Scan()=Stop) return Stop;if(Moto=1)&(Wind=1)/如果风机打开，但没有风压，返回失败I=unsucceed;return Stop; /delay 1S for(X=0;X5)LED_fireneedle=0;/熄火保护指示灯亮，点火成功 return succeed;if(Key_Scan()=Stop)LED_ignition=1;return Stop;Delay30ms();if(Moto=1)&(Wind=1)I=unsucceed;return Stop; /The last 1SLED_fireneedle=1; /熄火保护指示灯灭NormallyFire=1;/关闭长明火Ignition=0; /close Ignition relayLED_ignition=1;/close LED_ignitionreturn unsucceed; /点火失败4.6防空烧函数本节的防空烧函数如下，当燃气灶进入正常工作的状态下，在这过程中如果有锅离开灶台，那么红外探测系统会探测到锅的离开，同时这个信号会反馈给单片机，单片机进入防空烧程序中，单片机启动防空烧程序，控制电磁阀关闭主火电磁阀，启动常明火电磁阀。当锅防盗炉灶中时单片机也会通过红外探测装置把信号反馈给单片机，同时单片机打开主火电磁阀，使煤气灶正常工作。uchar Read_User() uint X,M; X=M=0;if(avoid_flame=1) return Nouse; while(X4997) M=X=0; while(X1990) return Use; return Nouse; 4.7熄火保护函数本函数是熄火保护函数，通过热电偶感应，当燃气灶正常工作并加热过程中，突然火熄灭了，为了防止煤气中毒事件的发生，设计了此保护程序，当燃气已经开启并进入到正常工作状态情况下，熄火保护装置已经启动工作，当熄火装置监测到火苗突然熄灭了，那么单片机将执行熄火保护程序，并强行关闭主阀门和次阀门，以停止供应煤气，防止煤气中毒。void Normal_Work()uchar X,Y;while(1)Y=0; #ifndef DEBUGWDT_CONTR = 0x35;#endifif(Moto=1)&(Wind=1)I=unsucceed;/TR1=0;return; for(X=0;X6) / TR1=0; goto loop1; Y=0; Delay100ms(); while(Wind=0) #ifndef DEBUGWDT_CONTR = 0x35;#en