CN108361750B - 一种智能燃气炉插件及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能燃气炉插件及其控制方法，插件包括有设置于插件连接板上的主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机、下压控制步进电机、下压部件和固定部件，所述燃气炉点火开关采用带齿轮旋钮，所述旋钮控制步进电机的转轴上设置有用于驱动带齿轮旋钮的齿轮，所述下压部件用于按压点火开关，所述下压控制步进电机的转轴上设置有用于驱动下压部件的偏心轮。本发明采用插件形式可直接升级大部分普通燃气炉，实现远程或自动地控制火力和烹饪时间，更智能化地控制食物加热的方式；并且在燃气炉或插件损坏时更换损坏的设备即可，减少使用成本和维修难度。本发明作为一种智能燃气炉插件及其控制方法可广泛应用于家电领域。

Description

一种智能燃气炉插件及其控制方法

技术领域

本发明涉及家电领域，尤其是一种智能燃气炉插件及其控制方法。

背景技术

近年来，由于忘记关闭燃气炉而引发的厨房安全事故层出不穷，原因是现有的燃气炉在烹饪食物过程中，需要用户现场控制燃气炉的火力和火力的持续时间，以防止溢锅或焦胡，从而烹饪出可口的食物。另外，当出现燃气炉漏气，火熄灭等情况时，及时关闭燃气炉开关，消除安全隐患。现有的智能燃气炉通常是在以往燃气炉的基础上集成智能控制模块实现，因此针对每个厂家、每个型号的燃气炉都需要单独设计智能控制模块，成本相对较高；并且当燃气炉与智能控制模块中，任意一个出现故障则需要进行维护，因此故障率高、维修频繁且难度大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种适配多种型号燃气炉的智能控制插件。

为了解决上述技术问题，本发明的另一目的是：提供一种适配多种型号燃气炉的智能控制插件的控制方法

本发明所采用的技术方案是：一种智能燃气炉插件，所述燃气炉包括有点火开关，包括有主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机，还包括有插件连接板和下压部件，所述主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机、下压控制步进电机、下压部件均设置于插件连接板上，所述主控模块分别与传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机连接，所述插件连接板上还设置有用于与燃气炉连接的固定部件，所述点火开关采用带齿轮旋钮，所述旋钮控制步进电机的转轴上设置有用于驱动带齿轮旋钮的齿轮，所述下压部件用于按压点火开关，所述下压控制步进电机的转轴上设置有用于驱动下压部件的偏心轮。

进一步，所述固定部件包括有固定螺丝和设置于插件连接板下表面的插槽，所述燃气炉的边缘插入插件连接板下表面的插槽，所述固定部件上方的插件连接板上设置有配合固定螺丝的螺丝孔，所述固定螺丝穿过螺丝孔拧紧固定。

进一步，所述插件连接板上还设置有显示模块，所述主控模块与显示模块连接。

进一步，所述传感模块包括有温湿度传感器、天然气传感器、火焰传感器和/或旋钮位置传感器。

进一步，所述通信模块为WIFI模块。

本发明所采用的另一技术方案是：一种智能燃气炉插件控制方法，包括有以下步骤：

A、通信模块接收目标路由器的SSID和密码；

B、通信模块根据接收到的目标路由器的SSID和密码连接路由器；

C、连接路由器成功后，通信模块发出连接成功的确认信号；

D、主控模块中将旋钮控制步进电机、下压控制步进电机和传感模块中的每个传感器的工作均封装成一个独立的线程，采用ProtoThreads虚拟多线程对上述多个独立的线程进行调用，获取相应数据；

E、主控模块将上述多个独立的线程的数据通过通信模块发送至远程服务器进行可视化显示，并根据远程服务器发送的控制指令对旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行调节；

F、若主控模块获取相应的数据异常，则驱动旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行控制。

进一步，所述步骤F中可视化显示的数据包括有旋钮控制步进电机的旋转角度和/或下压控制步进电机的旋转角度。

进一步，所述步骤E中远程服务器发送的控制指令为旋钮控制步进电机的旋转角度控制指令，主控模块将旋钮控制步进电机的旋转角度控制指令转换为旋钮相对位置数据，然后根据旋钮相对位置数据采用PID算法对旋钮位置进行控制。

进一步，所述步骤F中可视化显示的数据包括有传感模块中的每个传感器采集的传感数据。

进一步，所述传感模块包括有温湿度传感器、天然气传感器、火焰传感器和/或旋钮位置传感器。

本发明插件及其控制方法的有益效果是：采用本发明智能燃气炉插件可以直接把大部分普通燃气炉升级为智能燃气炉，在不改变原来操作方式的基础上，使燃气炉可实现远程或自动地控制火力和烹饪时间，更智能化地控制食物加热的方式；并且在燃气炉或插件损坏时更换损坏的设备即可，减少使用成本和维修难度。

附图说明

图1为本发明的电路结构框图；

图2为本发明中旋钮控制步进电机与带齿轮旋钮连接接构图；

图3为本发明中下压控制步进电机和下压部件结构示意图；

图4为本发明中插件连接板结构示意图；

图5为本发明方法的步骤流程图；

图6为本发明方法中步进电机的模糊控制曲线；

图7为本发明方法对应的远程控制界面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种智能燃气炉插件，所述燃气炉包括有点火开关，参照图1，包括有主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机，还包括有插件连接板和下压部件，所述主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机、下压控制步进电机、下压部件均设置于插件连接板上，所述主控模块分别与传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机连接，所述插件连接板上还设置有用于与燃气炉连接的固定部件；如图2所示，所述点火开关采用带齿轮旋钮3，所述旋钮控制步进电机1的转轴上设置有用于驱动带齿轮旋钮3的齿轮2，主控模块通过控制旋钮控制步进电机1转轴上的齿轮2转动来带东齿轮旋钮3转动，实现对旋钮的调节；如图3所示，所述下压部件用于按压点火开关，所述下压控制步进电机4的转轴上设置有用于驱动下压部件的偏心轮5，当偏心轮5转动时，下压部件会随之向下或向上移动；当需要点火时，通过下压控制步进电机4带动偏心轮5旋转，对连接旋钮的主轴产生一个向下的力，使得整个点火开关被压下；点火之后，通过下压控制步进电机4带动偏心轮5旋转180度，利用回弹力使下压部件复位，所述回弹力可由点火开关和/或弹簧提供。

本发明中主控模块可采用Arduino mega2560实现，所述通信模块可采用ESP8266WIF模块。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述固定部件包括有固定螺丝和设置于插件连接板下表面的插槽，所述燃气炉的边缘插入插件连接板下表面的插槽，所述固定部件上方的插件连接板上设置有配合固定螺丝的螺丝孔，所述固定螺丝穿过螺丝孔拧紧固定。

进一步作为优选的实施方式，所述插件连接板上还设置有显示模块，所述主控模块与显示模块连接。

进一步作为优选的实施方式，所述显示模块为OLED显示屏。

进一步作为优选的实施方式，所述传感模块包括有温湿度传感器、天然气传感器、火焰传感器和/或旋钮位置传感器等。

进一步作为优选的实施方式，所述主控模块还连接有警报模块。

进一步作为优选的实施方式，所述警报模块为蜂鸣器；当主控模块检测到有用火危险时，蜂鸣器会发出警报，提醒用户注意。并通过步进电机自动旋转旋钮关闭燃气炉。

进一步作为优选的实施方式，所述通信模块为WIFI模块。

参照图5,本发明一种智能燃气炉插件控制方法，包括有以下步骤：

A、通信模块接收目标路由器的SSID和密码；

B、通信模块根据接收到的目标路由器的SSID和密码连接路由器；

C、连接路由器成功后，通信模块发出连接成功的确认信号；

D、主控模块中将旋钮控制步进电机、下压控制步进电机和传感模块中的每个传感器的工作均封装成一个独立的线程，采用ProtoThreads虚拟多线程对上述多个独立的线程进行调用，获取相应数据；

ProtoThreads是一个通过宏定义（#define）写出来的模拟多线程库函数，为C语言模拟了一种无堆栈的轻量线程环境，能够实现模拟线程的条件阻塞、信号量操作等操作系统中特有的机制，从而使程序实现多线程操作。每个Protothreads线程仅增加10行代码和2字节RAM的额外硬件资源消耗。对于资源紧缺而不能移植嵌入式操作系统的嵌入式系统，使用Protothreads能够方便直观地设计多任务程序，能够实现用线性程序结构处理事件驱动型程序和状态机程序，简化了该类程序的设计；

E、主控模块将上述多个独立的线程的数据通过通信模块发送至远程服务器进行可视化显示，并根据远程服务器发送的控制指令对旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行调节；

F、若主控模块获取相应的数据异常，则驱动旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行控制。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤F中可视化显示的数据包括有旋钮控制步进电机的旋转角度和下压控制步进电机的旋转角度；参照图6所示，其中旋钮控制步进电机的旋转角度可直接转换为“电机旋转角度”，下压控制步进电机的旋转角度则直接反映出是否点火，即界面中的“ignition”。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤E中远程服务器发送的控制指令为旋钮控制步进电机的旋转角度控制指令，主控模块将旋钮控制步进电机的旋转角度控制指令转换为旋钮相对位置数据，然后根据旋钮相对位置数据采用PID算法对旋钮位置进行控制。

以步进电机型号为28BYJ-48的四相八拍电机为例，当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动，从而实现控制旋钮位置。具体需要输出的脉冲值计算公式为：

P=[（A-S）×256 ÷ 45×C]÷40

其中， A为主控模块获取的目标位置，即步进电机的旋转角度控制指令；S为主控模块获取的当前位置，C为上述型号步进电机旋钮齿轮与步进电机上小齿轮的齿轮比；P为主控模块的输出脉冲值，即旋钮相对位置数据。

为了应用PID算法，需要在硬件结构上采用闭环控制，即加入反馈模块，用于返回旋钮的运动状态。所述反馈模块具体可采用角度传感器，将角度数据反馈到主控模块中；或者在旋钮底部增加一圈电阻丝和相应的触点，将旋钮的转动角度转化为电阻的变化，从而将电阻丝的电流值反馈到主控模块。

步进电机的运转速度是由脉冲溢出速度决定的，脉冲间隔时间越长，步进电机的运转频率越低，反之越高。改变脉冲间隔就可以改变电机频率。因此，对步进电机的升降速控制实际上是对脉冲间隔时间的控制。只要使脉冲间隔时间逐次递减，即可使电机升速；反之降速。

对于步进电机的速度控制系统，从起点到终点的运行速度都有一定的要求。如果要求运行的速度小于步进电机的极限起动频率，则步进电机可以按要求的速度直接起动，运行至终点后可立即停发脉冲串而令其停止。但在一般情况下，步进电机的极限起动频率是很低的，而要求的速度往往较高。如果步进电机以要求的速度直接起动，因为该速度已超过极限起动频率而不能正常起动，可能发生丢步或根本不运行的情况。电机运行起来之后，如果到达终点时立即停发出脉冲串，令其立即停止，则因为电机的惯性原因，会发生冲过终点的现象。

这些情况的产生是由步进电机的频率特性曲线决定的。如果转子的加速度慢于步进电机的旋转磁场，即低于换相速度，则输入电机的电能不足，在步进电机中产生的同步力矩无法令转子速度跟随定子磁场的旋转速度，从而引起失步或不运转。为了解决这个问题，本发明采取一个“加速——恒速——减速——停止”的过程，如图6的虚线。而为了使步进电机的响应速度加快，运行平稳，噪音降低，图6中实线是很理想的的控制过程。

具体的PID算法原理如下：

1、PID中的P代表“比例”

以控制旋钮的旋转为目标，可能会出现一下几种情况：

（1）、控制器通过电流检测模块发现旋钮逆时针偏转角度偏大，位置误差值为正，那么需要顺时针旋转，转向值为正值。

（2）、控制器通过电流检测模块发现旋钮逆时针偏转角度偏小，位置误差值为负，那么需要逆时针旋转，转向值为负值。

（3）、控制器通过电流检测模块发现旋钮逆时针偏转角度恰好为目标角度，位置误差值为0，转向值为0。

对于上述三种情况，步进电机旋转值的修正输出可以通过把位置误差乘以一个系数得到，而且误差越大，得到的转向值就越大，符合要求。这里的系数我们把它令名为P_term，而数值的具体大小，需要通过实际情况调试确定，即第一个公式：

P_term=Kp*error

其中，Kp为比例参数，error为误差量。

2、PID中的D代表“微分”

以控制旋钮的旋转为目标，在P（比例）参数的作用下，会出现一下几种情况：

（1）、旋钮逆时针旋转，向目标靠拢，然而由于步进电机的惯性，旋钮的位置会稍稍偏大。

（2）、旋钮顺时针旋转，向目标靠拢，然而由于步进电机的惯性，旋钮的位置会稍稍偏小。

因此在计算中引入D（微分）。若想要旋钮的位置恰好位于目标点，那么就需要一个转向的阻力，而这个力可以通过转向速度误差乘以一个系数得到。显然转向速度误差越大，阻力越大，符合要求，于是采用第二个公式：D_term=Kd*(error-last_error)，

其中Kd为微分参数，last_error为上次的误差量。

3、PID中的I代表“积分”

在旋钮转向时中存在一些固定的阻力，例如采用PID控制一个步进电机转动时，当给定目标的角度很小时，就会出现这样的情况：P _term=Kp*error,当error很小时，输出也很小，由于摩擦力的存在，此时不能让电机转动起来，又由D_term=Kd*(error-last_error)，由于电机没有转动，显然（error-last_error）始终为0，于是D输出也为0。因此需要改变目标值，否则电机永远也不会转起来。

I的作用就是消除这样的静态误差，它会将每次的误差都积累起来，然后同样乘以一个系数之后输出。比如上面的情况，虽然误差很小，但不是0，于是在每一轮的计算中，I项逐渐把error积累起来，直到越过临界值，让电机转起来；而在误差为0的时候，又不会影响电机的正常工作。此时采用第三个公式：I_term=Ki*(I_term+error)，Ki为积分参数。

以上为PID算法的全部计算，最后三者加起来就得到：PID_output=P_term+I_term+D_term。

循环执行上述PID算法即可实现旋钮的精确调节。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤F中可视化显示的数据包括有传感模块中的每个传感器采集的传感数据，例如图7中所示，一氧化碳传感器的传感数据转换为安全级别进行显示。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种智能燃气炉插件，所述燃气炉包括有点火开关，其特征在于：包括有主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机，还包括有插件连接板和下压部件，所述主控模块、传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机、下压控制步进电机、下压部件均设置于插件连接板上，所述主控模块分别与传感模块、通信模块、旋钮控制步进电机和下压控制步进电机连接，所述插件连接板上还设置有用于与燃气炉连接的固定部件，所述点火开关采用带齿轮旋钮，所述旋钮控制步进电机的转轴上设置有用于驱动带齿轮旋钮的齿轮，所述下压部件用于按压点火开关，所述下压控制步进电机的转轴上设置有用于驱动下压部件的偏心轮；

其中，所述插件连接板上还设置有显示模块，所述主控模块与显示模块连接，所述显示模块为OLED显示屏，旋钮控制步进电机为四相八拍步进电机；

其中，关于所述智能燃气炉插件的控制方法包括如下步骤：

A、通信模块接收目标路由器的SSID和密码；

B、通信模块根据接收到的目标路由器的SSID和密码连接路由器；

C、连接路由器成功后，通信模块发出连接成功的确认信号；

D、主控模块中将旋钮控制步进电机、下压控制步进电机和传感模块中的每个传感器的工作均封装成一个独立的线程，采用ProtoThreads虚拟多线程对上述多个独立的线程进行调用，获取相应数据；

E、主控模块将上述多个独立的线程的数据通过通信模块发送至远程服务器进行可视化显示，并根据远程服务器发送的控制指令对旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行调节；

F、若主控模块获取相应的数据异常，则驱动旋钮控制步进电机和/或下压控制步进电机进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种智能燃气炉插件，其特征在于：所述固定部件包括有固定螺丝和设置于插件连接板下表面的插槽，所述燃气炉的边缘插入插件连接板下表面的插槽，所述固定部件上方的插件连接板上设置有配合固定螺丝的螺丝孔，所述固定螺丝穿过螺丝孔拧紧固定。

3.根据权利要求1所述的一种智能燃气炉插件，其特征在于：所述传感模块包括有温湿度传感器、天然气传感器、火焰传感器和/或旋钮位置传感器。

4.根据权利要求1所述的一种智能燃气炉插件，其特征在于：所述通信模块为WIFI模块。

5.根据权利要求1所述的一种智能燃气炉插件，其特征在于：所述步骤F中可视化显示的数据包括有旋钮控制步进电机的旋转角度和/或下压控制步进电机的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的一种智能燃气炉插件，其特征在于：所述步骤F中可视化显示的数据包括有传感模块中的每个传感器采集的传感数据。