覃園芳++蔡文宏++李國有++陸天鉑++黃光旭++鄭俊鵬++李惠添

摘 要：廚房是家庭存在安全隱患最大的地方。人們經(jīng)常會因為粗心而做出各種操作錯誤，又或者由于管道泄漏等原因從而造成火災(zāi)甚至爆炸，給家庭及鄰居帶來災(zāi)難性危害。而現(xiàn)有的產(chǎn)品僅在檢測漏氣后發(fā)出警報，而不能做出相應(yīng)的處理。針對這種情況，我們在此基礎(chǔ)上利用STC12C5A60S2單片機、溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制等設(shè)計出一種新型報警系統(tǒng)，它通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時監(jiān)測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃氣泄漏，然后做出相應(yīng)的動作（如關(guān)閉煤氣閥門）從而及時化解危險，保證廚房安全。

關(guān)鍵詞：STC單片機；廚房安全；硬件設(shè)計；軟件設(shè)計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

在當今經(jīng)濟高速發(fā)展的社會中，隨著人們生活水平日益提高，人們對自身所處的安全環(huán)境越來越重視，家庭廚房安全已成為當今小康之家優(yōu)先考慮的問題，日常生活中，人們經(jīng)常在廚房中使用液化氣、煤氣作為燃料，但是這些氣體有害且易爆炸，安全隱患大。首先經(jīng)常會因為操作錯誤或管道密封不好而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；其次若氣體泄漏時不能及時被發(fā)現(xiàn)和處理或泄漏氣體遇明火發(fā)生爆炸，都會給家庭及鄰居帶來災(zāi)難性危害。因此，提出一種新型報警系統(tǒng)，它通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時監(jiān)測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃氣泄漏，然后做出相應(yīng)的動作（如關(guān)閉煤氣閥門）。如煤氣灶大火持續(xù)時間過長，啟動自我保護，關(guān)閉煤氣；煤氣灶打開隨即打開煤氣，結(jié)束烹飪后半小時自動關(guān)閉煤氣。并使報警裝置發(fā)出聲音等信號提醒，最終實現(xiàn)對廚房安全隱患的有效監(jiān)控?，F(xiàn)有的產(chǎn)品僅在檢測漏氣后發(fā)出警報，該系統(tǒng)將漏氣檢測與隱患的消除結(jié)合在一起，不僅能實現(xiàn)該功能，還能夠自動切斷煤氣，及時化解危險。

1.廚房智能安全管控系統(tǒng)功能要求

（1）若大火烹煮時間過長，超過系統(tǒng)規(guī)定時間，避免有燒糊風險，該系統(tǒng)會發(fā)出警報，提醒用戶，若20s內(nèi)無人應(yīng)答，則自動關(guān)閉燃氣閥門。

（2）針對人們安全意識不足或者遺忘而沒有關(guān)煤氣的情況，該系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)火15分鐘后，自動斷掉燃氣源。

（3）若檢測到空氣中可燃性氣體超過安全濃度，會自動斷掉燃氣管道，并發(fā)出警報。

（4）若廚房溫度超過安全溫度則會發(fā)出警報，若10s內(nèi)無應(yīng)答則關(guān)閉燃氣管道。

（5）煤氣開關(guān)控制通常設(shè)置在不易碰觸的地方，該系統(tǒng)把煤氣開關(guān)的操作簡化，通過簡單機械開關(guān)和無線遙控開關(guān)即可控制90度閥門控制，隨手可觸。

（6）針對烹飪計時有要求的用戶，該系統(tǒng)實現(xiàn)燃氣灶打火后自動啟動計時，OLED屏自動顯示當前煤氣灶燃燒時間。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2作為該系統(tǒng)的控制器，加上單片機最小系統(tǒng)模塊，由溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制、控制開關(guān)作為輸入，OLED顯示屏、報警器和控制機械手作為輸出。總體結(jié)構(gòu)框圖及模塊間的交互關(guān)系如圖1所示。

另外，在系統(tǒng)內(nèi)部還集成有定時/計數(shù)器、串口通信接口以及AD數(shù)模轉(zhuǎn)換等部件，這樣可以讓整個系統(tǒng)的設(shè)計都更加的安全、細巧、精準。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

正如如圖1所示，該系統(tǒng)硬件由STC12C5A60S2、溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制、控制開關(guān)、OLED顯示屏、報警器和控制機械手等模塊組成。下面對該系統(tǒng)的主要功能模塊進行介紹：

（1）溫度傳感器

本系統(tǒng)采用DHT22作為我們智能廚房安全系統(tǒng)溫度檢測。該傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。在具體實現(xiàn)上，采用單總線連接及數(shù)據(jù)傳輸，圖2給出了該系統(tǒng)里DHT22溫度傳感器與單片機之間的硬件連接示意圖。

（2）氣體傳感模塊

本系統(tǒng)采用MQ-5氣體傳感器作為有害氣體的檢測。該氣體傳感器所使用電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號電壓值。再將電壓值輸給單片機，由單片機根據(jù)設(shè)置初值進行比較并作出反應(yīng)。圖3給出了該系統(tǒng)里MQ-5氣體傳感器與單片機之間的硬件連接示意圖。

（3）火焰?zhèn)鞲心K

本系統(tǒng)采用紅外接收傳感器來探索火焰是否存在并傳遞實時的火焰大小。該傳感器可以檢測火焰或者波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的光源?；鹧嬖酱螅瑴y試距離越遠。該火焰?zhèn)鞲衅鞑捎脝慰偩€連接及數(shù)據(jù)傳輸，具有精準度高和優(yōu)良的穩(wěn)定性。不過當使用AO輸出端時須與AD轉(zhuǎn)換器搭配使用，而AD轉(zhuǎn)換器與MCU之間則是使用I2C總線傳輸。圖4為火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機之間的硬件連接示意圖。

（4）無線控制模塊

系統(tǒng)無線控制部分主要實現(xiàn)無線遙控控制煤氣開關(guān)，無線模塊發(fā)送端設(shè)置一個按鈕，可一鍵發(fā)送命令信號，接收端接收到信號后，控制煤氣閥門的開關(guān)。如果此時煤氣閥門開，按下按鈕即可關(guān)閉煤氣閥門，反之，按下按鈕可打開煤氣閥門。使操作更加及時方便。系統(tǒng)采用433M超再生高頻接收模塊和無線發(fā)射模塊，具有收發(fā)模塊功耗低，遙控距離長等優(yōu)點。無線收發(fā)模塊配合使用PT2262編碼器與PT2272解碼器，PT2262與PT2272是一種CMOS工藝的低功耗低價格的編碼譯碼電路。芯片具有8位地址位設(shè)置引腳，可自由設(shè)定地址值，只有當發(fā)射芯片跟接收芯片的地址編碼一致，才能實現(xiàn)配對進行發(fā)送接收數(shù)據(jù)，我們使用的發(fā)送芯片為PT2272—M6，是一種6位數(shù)據(jù)輸出的暫存型接收芯片。

（5）機械手模塊

系統(tǒng)通過單片機控制L9110芯片，實現(xiàn)對驅(qū)動機械手斷開煤氣，從而實現(xiàn)對廚房安全隱患的有效監(jiān)控。L9110芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動。圖5為機械手模塊與單片機之間的硬件連接示意圖。

（6）供電模塊

由于機械手的驅(qū)動電壓為12V，其他模塊的工作電壓為5V，故設(shè)計時采用12V作為系統(tǒng)的工作電壓，采用LM2596實現(xiàn)12V電壓到5V電壓的轉(zhuǎn)化，具體硬件如圖6所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

廚房智能安全管控系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。首先循環(huán)檢測可燃氣體濃度及環(huán)境溫度，若超過閾值，則啟動報警并且關(guān)閉燃氣閥門，直到按下按鍵解除警報；其次當檢測到有火焰時，啟動烹飪計時，并顯示在顯示屏上，當火焰消失時，停止烹飪計時；同時系統(tǒng)檢測火焰大小是否達到閾值，達到閾值后，計時超過半小時則自動啟動關(guān)閉燃氣的操作。最后，當火焰消失后啟動關(guān)火計時，若15分鐘內(nèi)未檢測到火焰，則關(guān)閉燃氣閥門。對于無線模塊接收到來自遙控器的信號時，關(guān)閉燃氣閥門，該功能采用中斷的形式實現(xiàn)。

結(jié)語

本設(shè)計包括單片機最小系統(tǒng)電路、各輸入模塊電路、機械手控制電路以及OLED顯示電路。它通過傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)實時監(jiān)測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃氣泄漏，然后做出相應(yīng)的動作（如關(guān)閉煤氣閥門），并使報警裝置發(fā)出聲音等信號提醒，最終實現(xiàn)對廚房安全隱患的有效監(jiān)控。當數(shù)據(jù)達到危險界限時會自動切斷煤氣，及時化解危險，保證整個廚房的安全。而且使用者不僅可以通過觀看OLED顯示的數(shù)據(jù)來安排烹煮，還可以通過無線控制模塊來控制煤氣閥，及其方便。該產(chǎn)品還可以廣泛應(yīng)用于其他各種需要，如汽車發(fā)動機漏油監(jiān)控、延伸為更大范圍的安全管控例如用電安全、增加功能如自動記錄烹飪時間、連接物聯(lián)網(wǎng)，融合互聯(lián)網(wǎng)等。此產(chǎn)品將以其設(shè)計巧妙、靈活多變、成本低廉、操作簡單、便捷實用、保密安全等優(yōu)點，擁有廣闊的市場前景和發(fā)展空間。

參考文獻

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