CN106871205A - 一种集成灶控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成灶控制系统，包括安装在灶具上的上位机和安装在抽油烟机上的下位机；所述上、下位机之间通过电力线载波通信模块进行通信。本发明实现了厨房的集成化控制，并提高了混合空气和燃气的混合效率，实现燃烧充分、火力细分、节能低碳。
Description
技术领域
本发明涉及集成灶，尤其是一种集成灶的控制系统。
背景技术
近几年，随着人们生活水平的提高，家用灶具数量得到迅速增加，并且还在以每年大约7％的速度增加。目前，有些高档灶具增加了意外自动熄火、漏气检测等自动保护功能，还有些高档灶具增加了油温过热保护装置、防干烧保护装置。总得来说，人们不仅要求灶具节能、环保、卫生，而且还要求灶具具有智能、人性化的功能，诸如自动点火、自动调温、自动报警、与其他厨房电器联动、实现远程控制等。考虑到中国烹饪习惯的复杂要求，还要求灶具具有多种自动烧煮模式。随着电子技术引入抽油烟机行业，抽油烟机的自动化和智能化程度都有一定的提高。而抽油烟机的感应功能、延时功能、定时功能、记忆功能等都体现着消费者对于智能化、人性化家居产品的追求。而抽油烟机的外观，也在向时尚、美观方向发展，主流产品大多以不锈钢面板为主。
但目前市场上还缺乏一种能够实现灶具和抽油烟机一体化控制的集成灶。
发明内容
为此针对现有技术的不足，本发明综合运用微处理器技术、机电一体化技术，发明了一套集成灶具控制系统，从而对灶具、抽油烟机进行集成化控制。
为实现该技术目的，本发明采用的技术方案是：一种集成灶控制系统，包括安装在灶具上的上位机和安装在抽油烟机上的下位机；所述上、下位机之间通过电力线载波通信模块进行通信。
进一步地，所述上位机是灶具控制器，所述灶具控制器包括人机交互模块、电磁阀控制模块、电子点火模块、检测模块；
进一步地，所述灶具控制器分待机和工作两个状态，在待机状态下，所述灶具控制器不断监测灶具机械阀体的位置，一旦发现阀体没有处于“关”的位置，则自动关闭阀体；当灶具控制器收到来自用户的命令后，则进入工作状态；在工作状态，灶具控制器通过电力线载波通信模块将灶具开启、关闭、烧煮模式、灶具火力大小信息传送给下位机；
进一步地，所述下位机是抽油烟机控制器，所述抽油烟机控制器包括风机调速模块、烟雾传感模块、蜂鸣器报警模块；
进一步地，所述抽油烟机控制器根据电力线载波通信模块接收到的上位机信息，决定自己的工作状态；当灶具开启时，启动风机调速模块；灶具关闭时，延时1min后自动停止风机；
进一步地，所述风机调速模块根据烟雾传感器模块的检测结果、上位机传送过来的灶具烧煮模式、火力大小信息自动调节抽油烟机风速；当风机停止工作时，若烟雾传感器模块检测到燃气泄露，则自动打开风机排气。
进一步地，所述电力载波通信模块主芯片采用北京福星晓程公司的PL3106；主控MCU与PL3106通过UART接口实现通信，当PL3106完整接收一次命令后，将命令传送给主控MCU做进一步的处理；当主控MCU发送控制命令/状态信息时，先将命令/状态传输给PL3106，然后由PL3106按照制定的通信协议将命令/状态封装成一个数据帧，再控制相应的载波发射电路将数据帧发送出去。
进一步地，主控MCU选取STM32F103VBT6。
进一步地，烟雾传感器模块采用TGS813；
进一步地，本发明的集成灶燃烧器，采用内外双圈燃烧器，具有坡向内置、旋转、条缝形火孔和切向供气引射器；
进一步地，本发明还提供了集成灶引射器调节机构，引射器调节机构为一混合风扇，通过安装在混合管中的支架而位于混合管的中心轴线上，所述支架具有左右两根立柱，两根立柱安装在混合管的内壁上，左右两个立柱之间安装有转轴，混合风扇安装在该转轴上；
进一步地，所述混合风扇由空心轴16和扇叶17组成，扇叶17包括前部叶片18和尾部叶片19两部分，前部叶片18与尾部叶片19的结构不同，前部叶片18为螺旋结构，尾部叶片19为平直叶片，两部分叶片均固定于空心轴16外表面上，之间由圆弧光滑过渡；
进一步地，混合风扇扇叶17边缘上开有一个或数个V形、矩形、梯形或半圆形切口20；
进一步地，混合风扇的前部叶片18上开有导流槽21，可引导混合气体的径向流动，促进气体的径向混合。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：实现了厨房的集成化控制，并提高了混合空气和燃气的混合效率，实现燃烧充分、火力细分、节能低碳。
附图说明
图1为本发明的系统整体框图；
图2为本发明的抽油烟机控制器硬件框图；
图3为本发明的引射器；
图4为本发明的引射器调节机构结构图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，本发明中提及的各个商品型号或通讯协议及各技术术语，都是所属技术领域中早已明确知晓的技术用语，故不再做过多解释。
实施例一：
本发明的集成灶控制系统由两部分组成，即装在灶具上的上位机和装在抽油烟机上的下位机。上位机主要完成人机交互、进气阀控制、电子点火、灶头火力大小控制及灶头熄火、锅底温度、燃气泄漏等检测；而下位机主要完成风机调速、烟雾检测、蜂鸣器报警。上、下位机之间通过电力线载波通信，以实现灶具与抽油烟机的联动。系统整体框图如图1所示。
上位机是灶具控制器。灶具控制器分待机和工作两个状态，在待机状态，它不断监测灶具机械阀体的位置，一旦发现阀体没有处于“关”的位置，则自动关闭阀体。当灶具控制器收到来自用户的命令后(如点火)，则进入工作状态。在工作状态，灶具控制器通过电力线载波通信模块将灶具开启、关闭、烧煮模式、灶具火力大小等信息传送给下位机抽油烟机控制器。在烧煮过程中，灶具控制器不断地监测灶具熄火、燃气泄漏(通过监测灶具进气压力及灶具机械阀体的位置实现燃气泄露检测)等情况，一旦发现异常，立即切断气源。整个系统的人机界面接口都装在灶具上，系统的工作状态、灶具火力大小及灶具定时均由数码管LED显示。
下位机是抽油烟机控制器。抽油烟机控制器根据电力线载波通信模块接收到的上位机信息，决定自己的工作状态。当灶具开启时，启动风机模块；灶具关闭时，延时1min后自动停止风机。风机调速模块可根据烟雾传感器模块的检测结果以及上位机传送过来的灶具烧煮模式、火力大小自动调节抽油烟机风速，从而达到最佳节能效果(因为风机的功耗与其转速的三次方成正比，因此根据实际情况调节风速能大大降低功耗)。当风机停止工作时，若烟雾传感器模块检测到燃气泄露，则自动打开风机排气，以实现灶具、抽油烟机系统双重安全保护。
灶具控制模器主要完成人机交互、进气阀控制、电子点火、灶头火力大小控制及灶头熄火、锅底温度、燃气泄漏等检测。其功能主要包括感应按键实现开关机、火力大小数字化调节、烧煮模式设置、定时设置、安全保护等功能。
图2是本发明的抽油烟机控制器硬件框图，包括电力线载波通信模块及风机调速模块。其中电力线载波通信模块主芯片采用北京福星晓程公司的PL3106。载波发射中心频率120KHz，带宽15KHz。信号通过220V电力线载波传输，速率为250bps。主控MCU与PL3106通过UART接口实现通信，综合考虑PL3106以及主控MCU，通信速率选为2400bps。当PL3106完整接收一次命令后，将命令传送给主控MCU做进一步的处理；当主控MCU发送控制命令/状态信息时，先将命令/状态传输给PL3106，然后由PL3106按照制定的通信协议将命令/状态封装成一个数据帧，再控制相应的载波发射电路将数据帧发送出去。
微控制器(MCU)是整个抽油烟机控制系统的核心，控制着抽油烟机的工作。由于抽油烟机工作环境恶劣，因此，集成度高、功能强、体积小、性能可靠的单片机是最为理想的选择。本发明中的风机变频模块对MCU的选择起着决定性的作用，该模块要求微控制器具有强大的运算能力、为电机控制定制的PWM单元以及良好的信号采集接口。纵观电机变频控制领域的通用方案，大多是采用DSP作为主控芯片来实现电机变频调速，其中以TI公司的TMS320LF2407A、TMS320F2812居多。本系统中采用STMicroelectronics公司的STM32F103VBT6作为主控MCU，STM32F103VBT6在性能上与TMS320F2812有一定的差距，但是其相关功能模块已足够强大(全面超越TMS320LF2407A)，而且其价格仅为TMS320F2812的三分之一左右，综合考虑选取STM32F103VBT6作为系统的微控制器。
本系统采用的微控制器STM32F103VBT6使用高性能的ARM Cortex-M3 32位RISC内核，工作频率最高可达72MHz。Cortex-M3是首款基于ARMv7-M体系结构的32位处理器内核，具有低功耗、少门数、短中断延迟、低调试成本等优点，可应用在汽车电子、数据通信、工业控制、消费类产品等领域。STM32F103VBT6具体的性能如下：(1)采用基于哈佛架构的3级流水线内核和分支预测，并且包括乘法在内的大多数指令都是单周期的，因此有着强劲的性能。在Dhrystone benchmark测试中，STM32系列微控制器可达到1.25DMIPS/MHz。(2)采用具有更高指令效率和更强性能的Thumb-2指令集。该指令集结合了16位指令的代码密度和32位指令的性能，许多数据操作能用更少的代码实现，这简化了软件开发和代码维护工作，大大提高了灵活性。(3)与内核紧耦合的嵌套向量中断控制器NVIC(Nested VectoredInterrupt Controller)支持多达240个中断输入，可设置多达256个优先级。向量化的中断功能、自动现场保护和恢复、咬尾中断机制、晚到中断机制等措施大大缩短了中断延迟。(4)由于Cortex-M3需要的逻辑门数少，所以功耗较低(低于0.19mW/MHz)。同时，STM32F103系列微控制器提供了Sleep、Stop、Standby三种低功耗模式，可以通过将内核设置为相应的模式以降低功耗。另外每个模块的时钟是分开供应的，因此可以关闭未使用模块的时钟以进一步降低功耗。(5)丰富的外设。STM32F103VBT6具有如下外设：128kB的片内Flash、20kB RAM、3个通用定时器、1个高级定时器、2个SPI、2个12C、3个USART、多达16通道的12位ADC模块、1个RTC、1个独立看门狗、1个窗口看门狗、1个SysTick定时器、1个DMA模块以及80个GPIO端口。(6)使用了ARM最新的CoreSight架构来构建调试系统，使得在处理器运行时，也能访问处理器状态和存储器内容。(7)STM32F103系列之间的全兼容性(pin到pin兼容、软件和功能兼容)，使得芯片的选用非常方便。(8)低成本，STM32F103系列微控制器比很多8位/16位单片机还要便宜。(9)工作电压：2.0-3.6V。
STM32F103控制电路需要完成如下几个功能：(1)保证微控制器正常运行；(2)JTAG调试功能；(3)与电力线载波通信模块的通信；(4)电压、电流信号采集；(5)产生DC-AC逆变电路所需的6路PWM波。
厨房油烟主要由两部分组成：(1)食用油和食物加热时产生的油蒸汽、水蒸气；(2)煤气、天然气、液化气等燃料燃烧不充分生成的有害气体，其主要成分为CO、NO等。众所周知，CO对人体的危害较大，当空气中CO质量浓度达500mg/m3(400ppm，part per million)时即导致头痛、眼花、乏力、恶心等不适，750mg/m3(600ppm)时即可能引起虚脱，严重时甚至有生命危险。另外，还需要检测燃气的泄露情况，实现灶具、抽油烟机系统双重安全保护(灶具部分通过不断监测灶具机械阀体的位置实现部分安全保护)。
本发明中日本Figaro公司生产的TGS813采用该传感器作为烟雾传感器模块的核心。TGS813使用二氧化锌(SnO2)作为气敏基体。SnO2在清洁空气中电导率低，当空气中气体浓度增加时，其电导率也随之增加。TGS813具有如下几个特性：(1)能检测多种气体；(2)对检测气体敏感，对其他气体灵敏度低；(3)初期特性、长期稳定性以及温湿度特性好；(4)工作电压范围宽，最大可达24V，加热电压为5V；(5)电路简单、成本低。
抽油烟机主要根据灶具传送过来的状态信息和控制命令来切换相应的运行状态。因此，从灶具传送过来的信息对于抽油烟机来说非常重要，需要保证信息可靠、通畅地传输。本发明中采用上位机传送信息、下位机接收到信息后应答的模式。因为下位机只用应答接收命令是否完好，数据帧较为简单，所以上位机、下位机采用不同的传输格式。这两种传输格式均采用固定的长度和格式，因此可以很好地处理信息传输中的特殊字符问题。
上位机采用数据帧形式发送，以字节为最小单位，具体格式如下表所示。
| 数据头 | 同步字符 | 地址码 | 命令字 | 参数字 | 校验字 |
| 6个字节 | 1个字节 | 1个字节 | 1个字节 | 1个字节 | 1个字节 |
数据头用于确保PL3106载波芯片捕获和跟踪接收到的扩频信号。因为低压电网中恶劣的环境，PL3106开始发送的数据可能会产生畸变，因此必须采取一定的措施保证PL3106进入可靠工作区，以保证信息传输的可靠性。本设计是通过采用连续发送48位“1”来解决这个问题，即采用48位“1”作为数据头。
同步字符用于同步上位机、下位机两端的信息传输。因为电力线载波通信为异步通信方式，而且PL3106中没有采用类似DALI协议中的特殊电平跳变来表示信息传输的开始，因此需要在数据帧中添加同步信息。同步字符还有一定的抗干扰作用，使得本发明的系统可以避免其他采用电力线载波通信系统的干扰。本发明中采用0xA5作为同步字符。地址码有两个作用，一是用于识别从机，以避免本系统从机误接收电力线上的杂波载波信号。另外，为了以后的兼容、扩展，地址码留有扩展的余地。例如，地址码具体编码格式可记为：ABBBBCCC。其中A为“1”时表示此地址为主机地址，A为“0”时则表示此地址为从机地址；BBBB用于标识某一类设备，最多可表示16类设备；而CCC用于标识某类设备中的某一台，同一类设备最多可有8台接入电力线进行通信。
本设计中为地址码预设为SLAVE_ADDR(SLAVE_ADDR为预定义常量，在程序中进行控制)。命令字中含有要传输的控制命令或状态信息。部分命令字和功能如下表所示。
| 编号 | 命令 | 命令字代码 | 功能 |
| 1 | TURNON | 00001010 | 灶具开启 |
| 2 | SHUTDOWN | 00000101 | 灶具关闭 |
| 3 | POWERLEVEL | 01100001 | 灶具火力大小(6级火力大小) |
| 4 | COOKMODE | 00110010 | 灶具烧煮模式(五种烧煮模式) |
命令字分为带参数和不带参数两类，其中编号为1、2的命令不需要参数，而编号为3、4的命令均带参数，分别为传送给抽油烟机的灶具火力大小、灶具烧煮模式。参数字为相关命令字的附带参数，当命令为无参数命令时，参数字为0x00。校验字用于保证传输数据的可靠性，本设计中采用校验和方式：校验字为地址码、命令字及参数字求和后的低字节值。
下位机采用数据帧形式发送，以字节为最小单位，具体格式如下表所示。
| 数据头 | 同步字符 | 地址码 | 校验结果 |
| 6个字节 | 1个字节 | 1个字节 | 1个字节 |
数据头、同步字符、地址码与上位机数据帧中相同。校验结果用于表示下位机接收到的数据是否正确.当校验结果正确时，该字为00001111；当校验结果不正确时，该字为11110000。当上位机接收到从机的应答信息后，根据其中的校验结果来决定是否需要重新发送数据。
此外，本发明中的集成灶具在集成了灶具和抽油烟机协同控制的基层上还对集成灶中的燃烧器进行了改进。如图3所示，本发明的集成灶燃烧器，采用内外双圈燃烧器，具有坡向内置、旋转、条缝形火孔和切向供气引射器。引射器包括喷嘴1、吸气收缩管2、混合管3、扩压管4、一次空气吸入口5。为了提高混合管中空气与燃气的混合作用，本发明还提供了集成灶引射器调节机构，如图4所示，引射器调节机构为一混合风扇，通过安装在混合管中的支架而位于混合管的中心轴线上，所述支架具有左右两根立柱6，两根立柱安装在混合管的内壁上(安装方式可以采用各类机械安装方式，如焊接)，左右两个立柱之间安装有转轴7，混合风扇安装在该转轴上。当混合气体通过时，混合风扇在气流作用下发生转动，从而提高了空气和燃气的混合作用。其中混合风扇由空心轴16和扇叶17组成，扇叶17包括前部叶片18和尾部叶片19两部分，前部叶片18与尾部叶片19的结构不同，前部叶片18为螺旋结构，尾部叶片19为平直叶片，两部分叶片均固定于空心轴16外表面上，之间由圆弧光滑过渡。在空气和燃气的混匀过程中，混合空气受到前部叶片18的推动进行旋转，由于结构上的不一致性，尾部叶片19会提供一个相反的力矩，从而增强了混合气体的混合效果。进一步地，混合风扇扇叶17边缘上开有一个或数个V形、矩形、梯形或半圆形切口20，以增加气流的扰动，提高混合效果。进一步地，混合风扇的前部叶片18上开有导流槽21，可引导混合气体的径向流动，促进气体的径向混合。
对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同替换和改进，均应包含在本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成灶控制系统，包括安装在灶具上的上位机和安装在抽油烟机上的下位机，其特征在于所述上、下位机之间通过电力线载波通信模块进行通信。
2.如权利要求1所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述上位机是灶具控制器，所述灶具控制器包括人机交互模块、电磁阀控制模块、电子点火模块、检测模块。
3.如权利要求2所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述灶具控制器分待机和工作两个状态，在待机状态下，所述灶具控制器不断监测灶具机械阀体的位置，一旦发现阀体没有处于“关”的位置，则自动关闭阀体；当灶具控制器收到来自用户的命令后，则进入工作状态；在工作状态，灶具控制器通过电力线载波通信模块将灶具开启、关闭、烧煮模式、灶具火力大小信息传送给下位机。
4.如权利要求3所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述下位机是抽油烟机控制器，所述抽油烟机控制器包括风机调速模块、烟雾传感模块、蜂鸣器报警模块。
5.如权利要求4所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述抽油烟机控制器根据电力线载波通信模块接收到的上位机信息，决定自己的工作状态；当灶具开启时，启动风机调速模块；灶具关闭时，延时1min后自动停止风机。
6.如权利要求5所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述风机调速模块根据烟雾传感器模块的检测结果、上位机传送过来的灶具烧煮模式、火力大小信息自动调节抽油烟机风速；当风机停止工作时，若烟雾传感器模块检测到燃气泄露，则自动打开风机排气。
7.如权利要求6所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述电力载波通信模块主芯片采用北京福星晓程公司的PL3106；主控MCU与PL3106通过UART接口实现通信，当PL3106完整接收一次命令后，将命令传送给主控MCU做进一步的处理；当主控MCU发送控制命令/状态信息时，先将命令/状态传输给PL3106，然后由PL3106按照制定的通信协议将命令/状态封装成一个数据帧，再控制相应的载波发射电路将数据帧发送出去。
8.如权利要求7所述的集成灶控制系统，其特征在于，集成灶控制系统控制集成灶燃烧器，所述集成灶燃烧器采用内外双圈燃烧器，具有坡向内置、旋转、条缝形火孔和切向供气引射器。
9.如权利要求8所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述集成灶燃烧器包括集成灶引射器调节机构，引射器调节机构为一混合风扇，通过安装在混合管中的支架而位于混合管的中心轴线上，所述支架具有左右两根立柱，两根立柱安装在混合管的内壁上，左右两个立柱之间安装有转轴，混合风扇安装在该转轴上。
10.如权利要求8所述的集成灶控制系统，其特征在于，所述混合风扇由空心轴16和扇叶17组成，扇叶17包括前部叶片18和尾部叶片19两部分，前部叶片18与尾部叶片19的结构不同，前部叶片18为螺旋结构，尾部叶片19为平直叶片，两部分叶片均固定于空心轴16外表面上，之间由圆弧光滑过渡。
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