CN102374563B - 具有烟气自动检测装置的吸油烟机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其包括控制吸油烟机运转的主控制模块，显示按键模块，以及控制烟气自动监测装置的超声波模块；所述的超声波模块在结构上独立于所述的主控制模块，所述的超声波模块通过电源线与数据线与所述的主控制模块连接；所述的超声波模块在结构上独立于所述的显示按键模块，所述的超声波模块通过数据线与所述的显示按键模块相互连接。

Description

具有烟气自动检测装置的吸油烟机及其控制方法

[技术领域]

本发明涉及一种吸油烟机，尤其是指一种利用超声波技术实现烟气自动检测的吸油烟机的控制系统，以及该吸油烟机的控制方法。

[背景技术]

抽油烟机是人们生活中普遍使用的厨房家用电器。伴随着科技的发展，智能化已经成为家电发展的必然趋势。通常，抽油烟机工作时都是由用户根据使用习惯选择相应的工作状态，比如选择一定的风扇速度档位：1，2，3，...。对于这样的吸油烟机，用户需要根据烟气的状态手动操作抽油烟机，这种吸油烟机的另一个缺点是：风扇经常处于固定的档位状态，要么档位太低，不能很好达到抽油烟的效果，要么档位太高，浪费能源。因此，设计一种根据烟气情况智能改变抽油烟机档位的吸油烟机是一件非常有意义的事情。

中国实用新型专利200920000606.X揭示了一种根据油烟浓度自动调节抽风速度的抽油烟机，其中用于检测油烟浓度的装置是安装在油烟机上的光电检测单元，该光电检测单元包括光发射器和光电探测器，二者之间有一空间，来自周围环境的油烟可以进入该空间并被该光电检测单元探测到。这种设计的缺点是：必须要保持光发射器的发射源与光探测器的接受源的较高清洁度，否则可能严重影响探测的灵敏度与反馈的准确度，然后，吸油烟机的使用环境不可避免的产生大量油烟，长期使用之后难以保证足够的清洁度。

另一种用于检测烟气浓度的技术是超声波，超声波技术是近年来快速发展的技术，超声波的声信号对烟气有良好的感应，因此，将超声波技术应用于烟气检测无疑会极大地提高抽油烟机的工作效率与用户的使用舒适感。美国专利US,5074,281和US6,324,889B1均揭示了使用超声波来检测烟气浓度的技术方案。然而，在抽油烟机运行过程中，由于环境温度，环境湿度等变化因素对电路板，超声波传感装置以及超声波信号的影响，超声波传感装置的接收信号有可能变得过于大或者过于小，这时就很难判断出烟气对于超声波信号的影响，这势必会影响超声波烟气检测效果的准确性。

[发明内容]

本发明的目的在于提供一种便于安装的吸油烟机的烟气自动检测装置的控制系统。

本发明的另一目的在于提供一种具有上述烟气自动检测装置的吸油烟机的控制方法，提高烟气检测的准确性。

相应地，本发明的一种实施方式的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其包括控制吸油烟机运转的主控制模块，显示按键模块，以及控制烟气自动检测装置的超声波模块；所述的超声波模块在结构上独立于所述的主控制模块，所述的超声波模块通过电源线与数据线与所述的主控制模块连接；所述的超声波模块在结构上独立于所述的显示按键模块，所述的超声波模块通过数据线与所述的显示按键模块相互连接。

作为本发明的进一步改进，所述的显示按键模块在结构上独立于所述的主控制模块，所述的显示按键模块通过电源线与数据线与所述的主控制模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述的主控制模块、超声波模块、显示按键模块之间的数据线连接通过D-BUS□通信协议交换信息。

作为本发明的进一步改进，所述的超声波模块包括依次连接的MCU、振荡器、放大器一、整形电路、超声波传感器、开关一、放大器二、带通滤波器、峰值检测电路、以及开关二。

作为本发明的进一步改进，所述的放大器二是一个放大倍数可调的放大器。

作为本发明的进一步改进，所述的MCU可分别向振荡器发出使能指令，向开关一和/或开关二发出导通、关断指令，向放大器二发出调整放大倍数的指令。

相应地，本发明的一种实施方式揭示一种具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其中所述的超声波模块的控制过程包括如下步骤：

(a)振荡器使能，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(b)振荡器发出激励信号，并经过放大器一放大之后发出，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(c)等待超声波反馈信号，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(d)导通开关一，接收反馈信号，并经过放大器二放大，此时开关二处于关断状态；

(e)导通开关二开始AD采样，此时开关一和开关二均处于导通状态

所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，还包括如下步骤：根据AD采样数据计算风扇速度，此时开关一和开关二均处于关断状态。

相应地，本发明的一种实施方式揭示一种具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其中所述的超声波模块的控制过程包括如下步骤：

(a)在MCU中预设超声波信号阀值V_MAX和V_MIN，

(b)进行信号采样并得到采样平均值V_MeanValue

(c)将采样平均值V_MeanValue超声波信号阀值V_MAX和V_MIN进行比较，并根据比较结果调整放大器二的放大倍数。

作为本发明的进一步改进，所述的调整放大器二的放大倍数的步骤包括：

(c1)当采样平均值V_MeanValue＞VMAX时，减小放大器二的放大倍数，一直到V_MeanValue＜V_MAX；

(c2)当采样平均值V_MeanValue＜V_MIN时，增大放大器二的放大倍数，一直到V_MeanValue＞V_MIN。

本发明的有益效果是：其一，让超声波模块独立于主控制模块，从而可以自由地将超声波模块安装在吸油烟机上任何合适的位置上，这样即可以充分利用空间，也便于整个系统的设计；其二，超声波模块的两个开关依次导通/关断，从而有效阻止了小信号在放大过程中开关的关断噪音输入；其三，通过调整放大器二的放大倍数，超声波信号的采样平均值V_MeanValue落在一个合理的区间，从而保证了超声波信号能够良好反映烟气的影响。

[附图简要说明]

图1是本发明的一种实施方式的吸油烟机的结构示意图；

图2是本发明的吸油烟机的控制系统的示意图；

图3是图2中的超声波模块的详细结构示意图；

图4是吸油烟机的控制系统的自检过程示意图；

图5是图5中的超声波模块的控制过程示意图；

图6a是吸油烟机启动后且没有烟气的状况下超声波信号采样值的分布状态示意图；

图6b是吸油烟机启动后且有烟气的状况下超声波信号采样值的分布状态示意图；

图7a是对应于图6a的采样信号的平均值分布状况示意图；

图7b是对应于图6b的采样信号的平均值分布状况示意图。

[具体实施方式]

参考图1，本发明的一种实施方式的吸油烟机1包括机身主体10和安装在机身主体10中的蜗壳11，蜗壳11中安装由电动马达驱动的风扇，风扇转动时带走油烟，这种吸油烟机1的结构与工作原理与市场上常见的吸油烟机相同，在此不再详细描述。机身主体10朝向烟气来源的开口处设置有第一过滤装置12，在本实施方式中，第一过滤装置12是栅格状的金属过滤网，该金属过滤网的间隙设置使得外部的烟气在通过其间时被过滤掉部分包含在烟气中的油脂，但是该金属过滤网并不能充分过滤掉烟气中的全部油脂及其他有气味的杂质。超声波传感装置安装在机身主体10的内部空间中，并位于第一过滤装置12的后面，此处所说的“后面”指的是外部的烟气必须在首先通过第一过滤装置12之后，才能够到达超声波传感装置。超声波传感装置包括信号发生器14和信号反馈器15。在本实施方式中，信号发生器14和信号反馈器15分别安装在机身主体10的内部空间的两个相对侧壁上，这样的话在信号发生器14和信号反馈器15之间形成一个可以供烟气通过的空间通道，信号发生器14发射的超声波信号通过该空间通道并被信号反馈器15反馈回来，从而得出通过该空间通道的超声波信号收到的干扰状况，并进一步由此判断通过该空间通道的烟气的浓度，具体判断方法在以下的段落中会详细描述。在蜗壳11与超声波传感装置之间设置第二过滤装置13，在本实施方式中，第二过滤装置13是由碳材料(例如活性碳)制作而成的密集过滤网，由于第一过滤装置12的栅格间隙较大并难以完全过滤烟气中的杂质，设置第二过滤装置13可以进一步对烟气进行过滤，从而使得排出到室外空气中的烟气已经足够清洁，有利于环境保护。需要指出的是，第二过滤装置13在本发明的其他实施方式中并不一定是必须的，然后，本发明的超声波传感装置也不能安装在第二感应装置13的后面，以免通过超声波传感装置的烟气浓度太低而难以探测。

参考图2，本发明的一种实施方式的吸油烟机的控制系统包括主控制模块2，超声波模块3，显示按键模块4，风扇马达5，灯6，以及外接电源7。其中主控制模块2是吸油烟机的控制中枢，其包括一块具有控制芯片的电路板，其安装位置可以设置在吸油烟机的机身主体10的合适位置上，例如设置在显示按键模块4的后方。主控制模块2在外接电源7的驱动之下，接收来自超声波模块3和显示按键模块4，并相应地向超声波模块3、显示按键模块4、马达风扇5、灯6发出指令信号。超声波模块3是一个独立的模块，其具体架构如图3所示，以下会详细描述。超声波模块3与主控制模块2之间可以通过电源线和数据线相互连接，并通过D-BUS□通信协议交换信息，这样的设计可以让超声波模块3独立于主控制模块2，从而可以自由地安装在吸油烟机上任何合适的位置上，例如可以将超声波模块3安装在靠近超声波传感装置的位置，这样即可以充分利用空间，也便于整个系统的设计(若将超声波模块3集成到主控制模块2上，会使得整个控制单元的体积过于庞大，而不便找到合适的位置安装)。显示按键模块4与主控制模块2之间可以通过电源线和数据线相互连接，与超声波模块3之间通过数据线相连接，并通过D-BUS□通信协议交换信息，显示按键模块4接收根据操作者输入的按键指令，向主控制模块2传递信息，用来控制吸油烟机的运转，也可以向超声波模块3传递信息，用来控制超声波模块的工作；同样地，显示按键模块4也可以将主控制模块2和超声波模块3发出的控制指令或者吸油烟机工作状态信息显示出来，让操作者了解吸油烟机的工作状态。风扇马达5和灯6则分别单向接收来自主控制模块2的指令，实现马达5的启动/停止/变速，或者灯6的亮/灭。

参考图2，本发明的吸油烟机的控制系统包括S1至S7总计七个步骤，经过七个步骤之后，则吸油烟机的超声波模块处于正常的工作状态。

参考图3，超声波模块3包括MCU30(MicroControlUnit，微控制单元)，振荡器31，放大器一32，整形电路33，超声波传感装置34，开关一35，放大器二36，带通滤波器37，峰值检测电路38，以及开关二39。超声波模块3的工作原理是：MCU30控制振荡器31的使能、振荡频率，开关一35、开关二39的状态，以及放大器二36的放大倍数。振荡器31能够产生一定频率的信号。放大器一将振荡器31的输出信号放大到一定幅值。整形电路33将放大器一32输出信号整形输出给超声波传感装置34。超声波传感装置34接收整形电路33输出的激励信号，发出声信号，并且接收反馈信号。放大器二39将反馈信号放大。带通滤波器37对放大后的反馈信号滤波。峰值检测电路38从交流反馈信号提取峰值电压输出到MCU30供AD采样。

本发明的超声波模块3的结构及工作过程具有如下特征：在结构上，设置两个开关：即开关一35和开关二39。在工作过程中，配合参考图5，这两个开关依次导通/关断，从而有效阻止了小信号在放大过程中开关的关断噪音输入。具体工作过程如下：

步骤S30：振荡器31使能，此时开关一35和开关二39均处于关断状态；

步骤S31：振荡器31发出激励信号，并经过放大器一32放大之后发出，此时开关一35和开关二39均处于关断状态；

步骤S32：等待超声波反馈信号，此时开关一35和开关二39均处于关断状态；

步骤S33：导通开关一35，接收反馈信号，并经过放大器二36放大，此时开关二39处于关断状态；

步骤S34：导通开关二39开始AD采样，此时开关一35和开关二39均处于导通状态；

步骤S35：空闲时间，根据采样数据计算风扇速度，此时开关一35和开关二39均处于关断状态。

超声波系统会受到很多种因素的影响，比如环境温度，环境湿度，烟气等等。这些影响作用于电路板，超声波传感装置以及超声信号，使接收到的超声波反馈信号变化。如果环境温度，环境湿度变化剧烈时，会导致超声波信号过于大或者过于小。例如：如果环境温度，环境湿度变化剧烈导致超声波信号在无烟气的情况下就很大，这样会带来一个问题，超声波信号幅值过大，当有烟气时，很多采集到的超声波信号都是饱和值，超声波的平均值很大并且平均值的波动区间很小，从而导致系统很难判断是否有烟气。再例如：如果环境温度，环境湿度变化剧烈导致超声波信号在无烟气的情况下就很小，这样会带来另外一个问题，超声波信号幅值过小，无论是否有烟气，超声波信号都是在一个很小的范围内波动，同样导致系统很难判断是否有烟气。

对应于以上的问题，本发明的超声波模块3的另一特征是：放大器二36是一个放大倍数可调的放大器，通过MCU30能够控制其放大倍数，这样的结构配合系统软件的设计可以解决环境温度、环境湿度剧烈变化对超声波信号的影响。在MCU30中预先设置超声波信号阀值V_MAX和V_MIN，根据采样到的实际超声波信号，对放大器二36进行如下的放大倍数调整：

当采样平均值V_MeanValue＞VMAX时，减小放大器二36的放大倍数，一直到V_MeanValue＜V_MAX。

当采样平均值V_MeanValue＜V_MIN时，增大放大器二36的放大倍数，一直到V_MeanValue＞V_MIN。

这样，超声波信号的采样平均值V_MeanValue就落在一个合理的区间，从而保证了超声波信号能够良好反映烟气的影响。

参考图6a至图7b，以下说明本发明的烟气自动检测装置的吸油烟机的工作原理及其控制方法。

超声波信号会受到很多种因素的影响，比如环境温度，环境湿度，烟气等等。但是，如果将超声波传感装置设置在如本发明的图1所示的吸油烟机的机身内部，则环境温度，环境湿度等因素对超声波信号的影响是相对均匀的。图6a显示了在一定风扇运行速度下超声波信号采样值的分布状态。从图6a中可以看出，超声波信号采样值分布比较均匀。当然，风扇速度的大小也对采样值有一定的影响，总体来说，风扇速度越大，采样值的离散性越大。

在同样的风速下，图6b显示了烟气对于采样信号的影响。从烟气开始出现前，超声波信号采样值比较集中，而且值也比较大；当烟气出现后，超声波信号采样值在一个较大范围内波动，同时采样值更偏向于低值；当烟气消失后，超声波采样值又恢复到较大值，而且在一个小范围内波动。

对采样信号在一定时间内作平均值计算，根据图6a和图6b的信号可以分别得到图7a和图7b的平均值图形。比较图7a和图7b可以看出，烟气对于超声波采样信号的平均值的影响有明显的变化规律，那就是当无烟气时，信号曲线相对比较平滑稳定，烟气产生后，由于烟气对超声波信号的削弱，曲线幅值减小。又由于烟气的不连续性，信号跳动剧烈，在信号曲线上表现为幅值上下震荡。因此，本发明根据平均值幅值的变化来判断烟气的大小，主要包括以下两个方案：

方案一：为不同的风扇速度设定不同的平均值阀值，当超声波采样信号的平均值低于一个设定阀值时，判断其应该提高风扇速度，当超声波采样信号的平均值高于一个设定阀值时，判断其应该降低风扇速度。例如，为风扇速度Speed1、Speed2分别设定阀值V_speed1和V_speed2。V_MeanValue为T1至T2时间段内采样信号的平均值。当采样值V_MeanValue＜V_speed1时，风扇速度由1档提升到2档，当采样值V_MeanValue＞V_speed2时，风扇速度由2档降低到1档。

方案二：为不同的风扇速度设定不同的平均值波动范围，以及对一定时间内平均值超出设定范围进行计数，并为不同的风扇速度改变设定计数的阀值，用以判断一个风扇速度的改变。例如，在不同的风扇速度状态下设置不同的波动范围标准：Speed1对应区间(V_speed1min，V_speed1max)，Speed2对应区间(V_speed2min，V_speed2max)，V_MeanValue为T1至T2时间段内采样信号的平均值。在Speed1状态下，如果采样的超声波信号在T1至T2时间范围内各个V_MeanValue超出(V_speed1min，V_speed1max)的计数值大于设定标准C_max时，则认为有较大的烟气，风扇速度由1档提升到2档。在Speed2状态下，如果采样的超声波信号在T1至T2时间范围内各个V_MeanValue超出(V_speed2min，V_speed2max)的计数值小于设定标准C_min时，认为有较小的烟气，风扇速度由2档改变到1档。

方案一和方案二的优点：运用巧妙的算法充分提取烟气对于超声波信号影响的有效信息，两个方法可以根据抽油烟机的具体设计而分别采用2种方法或将2种方法结合到一起，从而达到根据烟气状态自动改变抽油烟机风扇速度的效果。

以上是本发明的较佳实施方式，需要指出的是，本领域的普通技术人员可以基于本实施方式的揭示，在不付出创造性劳动的基础上做出适应性的变更，这些合理的变更应该在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其包括控制吸油烟机运转的主控制模块，显示按键模块，以及控制烟气自动检测装置的超声波模块，其特征在于：所述的超声波模块在结构上独立于所述的主控制模块，所述的超声波模块通过电源线与数据线与所述的主控制模块连接；所述的超声波模块在结构上独立于所述的显示按键模块，所述的超声波模块通过数据线与所述的显示按键模块相互连接；所述的超声波模块包括MCU、振荡器、放大器一、超声波传感装置、放大器二；所述的放大器二是一个放大倍数可调的放大器。

2.如权利要求1所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其特征在于：所述的显示按键模块在结构上独立于所述的主控制模块，所述的显示按键模块通过电源线与数据线与所述的主控制模块连接。

3.如权利要求1或2所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其特征在于：所述的主控制模块、超声波模块、显示按键模块之间的数据线连接通过D-BUS□通信协议交换信息。

4.如权利要求1所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其特征在于：所述的超声波模块包括依次连接的MCU、振荡器、放大器一、整形电路、超声波传感器、开关一、放大器二、带通滤波器、峰值检测电路、以及开关二。

5.如权利要求4所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统，其特征在于：所述的MCU可分别向振荡器发出使能指令，向开关一和/或开关二发出导通、关断指令，向放大器二发出调整放大倍数的指令。

6.一种如权利要求5所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的超声波模块的控制过程包括如下步骤：

(a)振荡器使能，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(b)振荡器发出激励信号，并经过放大器一放大之后发出，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(c)等待超声波反馈信号，此时开关一和开关二均处于关断状态；

(d)导通开关一，接收反馈信号，并经过放大器二放大，此时开关二处于关断状态；

(e)导通开关二开始AD采样，此时开关一和开关二均处于导通状态。

7.如权利要求6所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：根据AD采样数据计算风扇速度，此时开关一和开关二均处于关断状态。

8.一种如权利要求5所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的超声波模块的控制过程包括如下步骤：

(a)在MCU中预设超声波信号阀值V_MAX和V_MIN，

(b)进行信号采样并得到采样平均值V_MeanValue

(c)将采样平均值V_MeanValue超声波信号阀值V_MAX和V_MIN进行比较，并根据比较结果调整放大器二的放大倍数。

9.如权利要求8所述的具有烟气自动检测装置的吸油烟机的控制系统的控制方法，其特征在于，所述的调整放大器二的放大倍数的步骤包括：

(c1)当采样平均值V_MeanValue＞VMAX时，减小放大器二的放大倍数，一直到V_MeanValue＜V_MAX；

(c2)当采样平均值V_MeanValue＜V_MIN时，增大放大器二的放大倍数，一直到V_MeanValue＞V_MIN。