2018年03月21日 | 利用PIC单片机为主控制芯片的多种厨房设备智能组合控制设

    本文介绍了真空荧光屏显示器在多功能厨房控制系统中的软硬件设计方法。系统以PIC16F72单片机为主控制芯片对外围传感器检测模块和按键扫描电路等采集信号进行处理，发送指令驱动继电器来控制天然气灶、抽油烟机、消毒柜、烘干机等多种厨房设备进行工作。该系统采用真空荧光屏显示各种工作状态，具有漏气报警、按键童锁等功能。

    随着智能家电控制技术的不断发展，具有多功能和智能化的厨房控制器成为厨房电器设备发展主流。和传统单一厨房设备控制器相比，多功能厨房控制器具有占用空间小、成本低、功能多、便于设备统一管理，使用安全、方便等优点。

    系统以PIC单片机作为主控制芯片，选用VFD(Vacuum Fluorescent Display)真空荧光屏为显示器，结合气敏传感器、热敏电阻、高压点火器、继电器等受控对象，通过检测外部信号以及内部定时时间状态可以控制各种受控对象工作状态之间的相互转换，实现对厨房电器设备的智能控制。系统结构框图如图1所示。

    1 各单元电路硬件设计

    1．1 电源电路设计

    设计所需的6组工作电源均由如图2所示的电路提供。6组电源分别为AC 220 V、AC 3 V、DC+12 V、DC+5 V、DC+5 V B、DC+24 V、DC-30 V。各组电源的使用情况如下：AC 220 V作为抽油烟机电机工作电压，AC 3 V作为VFD灯丝驱动电压，DC-30 V作为VFD显示段码工作电压，DC+12 V作为继电器工作电压，DC+5 V作为单片机及外围+5 V供电电源，DC+5 V B作为气敏传感器工作电压，DC+24 V作为24 V直流电机以及照明LED工作电压。

    为确保VFD显示屏段码截止时没有鬼影余亮现象，在AC 3 V中心抽头和DC-30 V之间加了5．1 V稳压管1N4733，同时在关闭VFD时通过继电器KA1切断灯丝电源AC 3 V，以达到彻底熄灭灯丝和省电的目的。

    1．2 功能控制电路设计

    如图3所示功能控制电路，通过继电器控制抽油烟机、风机的强度以及消毒、烘干童锁、LED照明开关等。为确保消毒和烘干是在消毒柜关闭状态下才工作，故在消毒柜的柜门处装个开关，只有在门关闭状态下继电器才能动作。在烘干发热棒上串联一个热敏电阻NTC5D-11，在温度过高时断开，防止温度过高而烧坏碗筷和设备。同时，在设计时考虑到安全因素，加了童锁功能，即正在进行消毒或烘干时童锁关闭，消毒烘干结束后1 min才开启童锁，以防止儿童在设备正在消毒或烘干时误打开柜门而烫伤，童锁为电磁阀。

    设计中考虑到两板之间的数据传送及节省I／O口，选用了串并转换芯片74HC595作为I／O口扩展(只需3个I／O口)，再经过7路内部达林顿结构的ULN2003驱动继电器。电路中，将ULN2003第9脚接+12 V就相当于在每个被驱动对象两端反向并联一个二极管，起到续流的作用，外部无需在加二极管达到节省成本的效果。

    1．3 处理器电路设计

    处理器电路如图4所示，选用MICroChip公司的PIC16F72作为系统的核心控制芯片。PIC16F72具有8位精度A／D,2 kbit x8 ROM，128 bit x8 RAM,22个驱动能力达到20 mA电流的I／O口，足以满足本设计对处理器的要求。电路中选用晶振为4 MHz，起振电容C18、C19取22pF。R2和C17—起构成系统复位电路。为减小纹波干扰，在电源跟地间接了C20和C21滤波确保系统的稳定性。

    1．4 显示电路设计

    本部分在设计时主要考虑到厨房环境油烟较多，周围温度较高，强电流、强磁场等环境因素，而VFD显示屏有自动发光、高清晰度和高亮度显示、低压操作、低功耗的特点，并具有从红色到蓝色多种色彩、宽视角、反应速度快、可靠且使用寿命长、成本低等优点，适合作为系统控制信息显示屏。显示电路如图5所示，开关管用三极管9013，VFD专用驱动芯片PT6312。

    1．5 炉火检测和气阀开关电路设计

    考虑到安全性，只有在检测到炉火，且倒计时开始定时后才开启气阀。为提高系统稳定性，点火开关信号间用光耦隔离，如图6和图7所示。

    1．6 漏气检测及报警电路设计

    本单元电路如图8和图9所示。当炉火定时时间到和气敏传感器检测到煤气漏气时报警提示。用普通无源蜂鸣器即可满足要求蜂鸣器需要的1 kHz方波由单片机500μ中断取反产生，只要在BELL端加高电平就可报警。为增大驱动电流用三极管9013和9012作二级放大。同时，加了R22，R22和C23构成充放电回路，以使报警时的声音有假和弦效果。

    1．7 按键扫描电路设计

    模块电路如图10所示，用到7个按键，分别为风速调整键，消毒键，烘干键，开／关机键，时间／定时设置键，小时键，分钟／LED开关键。通过单片机采集按键结果进行处理。

    2 软件设计

    系统软件利用Mplab集成开发环境(IDE)进行编写，程序总流程图如图11所示。在编写软件时，将程序编写为多任务方式，各种任务放在程序各分支上，依据程序状态的变化分别执行各个模块功能程序。同时将实时事件放在主干道上，每次程序循环都要执行。各个相互关系模块之间只通过标志位联系。

    软件设计中还涉及到500μs中断服务子程序、VFD显示子程序、按键扫描子程序、炉火定时子程序、煤气漏气检测子程序等模块。

    3 结束语

    介绍了利用PIC单片机为主控制芯片的多种厨房设备智能组合控制设计思想和方法。该系统还可以做一些功能上的扩展，比如在系统中加入厨房热水器，微波炉，洗碗机的控制，使功能更强大；加入烟雾及气敏传感器和语音模块以及GPRS接收模块，当家里发生火灾时报警，可以语音提示并利用手机通知主人或进行远距离的厨房设备无线控制，使功能更多样化，操作更加人性化和智能化。