張弛　潘治國

摘 要：獨居老人生活的安全問題是一個越來越嚴重的社會問題，家中安全隱患最嚴重的就是廚——忘記關(guān)火、燃氣泄漏、失火等問題讓年輕一代很不放心。設(shè)計了一種廚房智能安全監(jiān)視器，可以實時監(jiān)視廚房燃氣是否泄漏，尤其可以監(jiān)視燃氣灶上是否有鍋處于干燒狀態(tài)，可以在出現(xiàn)危險時報警并關(guān)閉燃氣；同時還設(shè)計了操作十分簡便的3個鬧鐘，顯示清晰明了，非常適合老年人家庭使用，也適合中等餐廳的廚房使用；設(shè)計了藍牙功能，可以方便地在智能手機上操作和監(jiān)視。

關(guān)鍵詞：廚房安全監(jiān)視器；紅外測溫；傳感器；編碼開關(guān)

中圖分類號：TP722.5 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.079

現(xiàn)代社會，許多家庭常常只有老年人在家生活，年輕一代由于忙于工作，只能在周末或更長時間后才能回家陪陪老人，老人在家生活的安全問題成了社會問題。我們經(jīng)常在電視或網(wǎng)絡(luò)新聞中看到，家中老人獨自生活，忘記關(guān)火，結(jié)果因失火而造成財產(chǎn)損失或人身安全事故。顯然，家中安全隱患最嚴重的就是廚房——忘記關(guān)火、燃氣泄漏、失火等，這些問題讓晚輩們很不放心。老年人家庭迫切需要一個廚房監(jiān)視設(shè)備。另外，因烹飪需要，經(jīng)常需要鬧鐘。但是市場上銷售的鬧鐘一般都只能設(shè)置一個定時時間，當(dāng)有多個菜在烹調(diào)并且需要計時時，這些就無法滿足需要了。雖然手機的鬧鐘功能支持多個鬧鐘時間，但操作復(fù)雜，還需要計算預(yù)設(shè)時間與當(dāng)下時間的差值。而且手機是一個比較嬌貴的高檔設(shè)備，廚房工作人員手上不是水就是油，在廚房操作手機也非常不合適。對老年人來說，能使用手機打電話就已經(jīng)很不錯了，絕大多數(shù)老年人都不會使用智能手機的其他功能，而且老年人記憶力不好，常常在客廳休息就忘了廚房還有沒有關(guān)火的壓力鍋等。這就造成了廚房安全隱患，所以老年人尤其需要操作簡單的廚房安全監(jiān)視器。

本文設(shè)計了一個智能廚房安全監(jiān)視器，具有紅外測溫功能，可以方便地檢測灶上各種鍋的溫度，并判斷是否干燒。如果干燒則發(fā)出報警，有燃氣泄漏報警功能，有操作非常簡單的鬧鐘功能。報警信息可以通過無線方式報告給智能手機，甚至后輩們還可以通過智能手機查看廚房的鬧鐘、溫度、燃氣泄漏情況。

1 方案設(shè)計

本監(jiān)視器由單片機、紅外溫度傳感器、可燃性氣體傳感器、液晶顯示屏、編碼開關(guān)、藍牙連接模塊和WiFi連接模塊、繼電器等組成。單片機通過檢測鍋體表面的溫度，判斷鍋體是否處于干燒狀態(tài)，同時檢測可燃性氣體濃度是否超標(biāo)。當(dāng)檢測到鍋體干燒或可燃性氣體超標(biāo)時，單片機將顯示報警信息，同時切斷繼電器關(guān)閉氣源，通過藍牙向手機發(fā)送信息，手機將顯示相應(yīng)的報警信息。為了提高監(jiān)視器的適用性，同時利用液晶顯示

和旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)設(shè)計了3個鬧鐘，用戶可以非常方便地設(shè)置和使用鬧鐘功能。通過手機監(jiān)控軟件，可以在手機上查看監(jiān)視器的全部狀態(tài)，并設(shè)置鬧鐘。圖1為廚房安全監(jiān)視器原理。

采用紅外溫度傳感器MLX90614AAA，它是一種紅外測溫傳感器，與接觸式的溫度傳感器不同，它可以遠程測量鍋體表面的溫度。在出廠前，傳感器這一模塊已進行校驗及線性化，具有非接觸、體積小、精度高、成本低的優(yōu)點。被測目標(biāo)溫度和環(huán)境溫度都能通過數(shù)字信號輸出，可以直接與單片機接口。為了方便地將傳感器對準(zhǔn)被測鍋體，采用金屬軟管將溫度傳感器連接在儀器外殼上，這樣在使用時只需要簡單調(diào)整軟管，讓溫度傳感器對準(zhǔn)發(fā)熱的鍋就可以了。由于溫度傳感器的測溫區(qū)域是一個扇形區(qū)域，所以對準(zhǔn)的角度允許有較大的范圍，大致對準(zhǔn)就行了。這就大大提高了設(shè)備的易用性。通過反復(fù)試驗驗證，炒菜時，隨著加熱時間的延長，溫度會慢慢上升，但如果鍋內(nèi)有水分，溫度會在110 ℃以下，人們在操作時也不會讓溫度升得太高。而水分燒干后，如果不人為關(guān)火降溫，溫度會隨著時間的延長而繼續(xù)升高，直到燒紅甚至起火。

鬧鐘功能：廚房燉、煮菜時經(jīng)常要使用鬧鐘，這也是防止長時間打開灶具后發(fā)生危險的效措施之一。本監(jiān)視器采用旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)、液晶顯示屏和單片機設(shè)計了3個鬧鐘，可以滿足大多數(shù)廚房的要求，而且由于采用了旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)作為輸入方式，鬧鐘的設(shè)置非常簡單，即旋轉(zhuǎn)時設(shè)置時間，按下時打開或關(guān)閉鬧鐘。

采用STC15F2K60S2單片機，與8051單片機兼容，但速度更快，功能更強。

本系統(tǒng)中USB接口主要用于下載與調(diào)試程序。

2 主要功能模塊設(shè)計

主要功能模塊有溫度測量與干燒判斷模塊、顯示模塊、實時時間模塊、溫度和可燃性氣體監(jiān)測模塊、藍牙功能模塊等。主程序負責(zé)對上述功能模塊采用輪詢方式進行合理的調(diào)用。主程序流程如圖2所示。

2.1 溫度測量與干燒判斷

從MLX90614AAA讀出的數(shù)據(jù)由高8位（DataH）和低8位（DataL）兩部分組成，其中RAM地址07H單元存儲的是TOBJ1數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍從0x27AD到0x7FFF，以絕對溫度（K）為單位，一個單位數(shù)值表示0.02 K，總的溫度表示范圍為-70.01～382.19 ℃。從傳感器中讀出的數(shù)據(jù)（DataH：DataL）換算為溫度數(shù)據(jù)（單位為“℃”）如以下公式所示：

T=（DataH：DataL）×0.02-273.15. （1）

軟件由2個函數(shù)組成。uint MEM_READ（uchar slave_addR，uchar cmdR）讀取傳感器內(nèi)部的RAM數(shù)據(jù)，在傳感器的RAM中，地址06存貯有環(huán)境溫度值，07H存貯有目標(biāo)溫度值；void CALTEMP（uint TEMP）溫度轉(zhuǎn)換，將TEMP的數(shù)據(jù)按式（1）轉(zhuǎn)換成溫度，用于判斷和顯示。根據(jù)試驗，我們將在連續(xù)10 s超過設(shè)定溫度時判定為超溫。

本文采用“讀取3次取中間值”的方法對溫度值濾波，以可靠、穩(wěn)定地讀取溫度值。

2.2 實時時鐘

利用H1302芯片加后備紐扣電池產(chǎn)生實時時間，芯片與單片機之間通過SPI口連接，單片機可以通過SPI口修改和讀取當(dāng)前時間。

主要C語言函數(shù)：

2.3 定時器處理

由于單片機的定時器在長時間定時時可能會由于晶振誤差而產(chǎn)生較大偏差，所以我們采用了H1302實時時鐘專用的芯片計時，它的精度很高，一個月內(nèi)的誤差小于10 s。

用單片機中的定時器每秒鐘產(chǎn)生中斷，在中斷函數(shù)中通知主程序讀取當(dāng)前的實時時鐘，并根據(jù)每個定時器的狀態(tài)，計算處于打開狀態(tài)的定時器的剩余時間或者超時時間，并顯示出來。

編寫的主要C語言函數(shù)：

void Timer1Init（）interrupt 3 using 1：定時器1的中斷處理函數(shù)，定時器被設(shè)置成0.5 ms中斷一次，在中斷程序中將變量SysTime加1，加2 000次后就正好是1 s了，再將秒標(biāo)志bsec置1.另外，旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)的狀態(tài)也在本程序中進行，旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)每隔0.5 ms檢查一次。如果連續(xù)檢測到2次相同的狀態(tài)，則被認為是一個可靠的狀態(tài)。以可靠狀態(tài)為基礎(chǔ)，檢測到信號A的一個上升沿則認為是一個旋轉(zhuǎn)動作，再根據(jù)B相的高低電平狀態(tài)判斷旋轉(zhuǎn)方向。

void TimeOP（）：在主程序中每秒鐘執(zhí)行一次，判斷定時器的狀態(tài)并處理顯示的內(nèi)容。定時器的運行采用有限狀態(tài)機編程，定時器總是工作在4種狀態(tài)，即關(guān)閉（狀態(tài)0）、運行（狀態(tài)1）、報警（狀態(tài)2）、停止（狀態(tài)3）。關(guān)閉狀態(tài)下，顯示器顯示“關(guān)”，定時器不計時，按下對應(yīng)的開關(guān)后進入運行狀態(tài)。運行狀態(tài)表示定時器計時還沒有到預(yù)設(shè)的時間，顯示器會顯示剩余的時間。當(dāng)剩余時間大于1 min時，以“分鐘”為單位；小于1 min時，以“秒”為單位。當(dāng)時間到了后自動轉(zhuǎn)入狀態(tài)2，或者按下對應(yīng)開關(guān)后轉(zhuǎn)入“停止?fàn)顟B(tài)”。報警狀態(tài)表示定時秒器預(yù)設(shè)的時間已經(jīng)到了，蜂鳴器會發(fā)出聲音報警，顯示器顯示鬧鈴符號，同時顯示超時時間（以“秒”為單位），30 s后自動轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)。在停止?fàn)顟B(tài)下，顯示器保持原來的顯示不變——顯示“超時30 s”及鬧鈴符號，但蜂鳴器停止發(fā)出聲音，與關(guān)閉狀態(tài)的顯示不同，以提醒用戶這個定時器時間到了，但用戶沒有理會它，按下對應(yīng)開關(guān)后進入關(guān)閉狀態(tài)。

2.4 藍牙功能

在家庭使用時，常常是廚房里有食物在燉，人卻在客廳短暫休息。為了適用于這種情況，本監(jiān)視器設(shè)計了藍牙及WiFi功能，配合手機APP軟件，就可以在智能手機上查看監(jiān)視狀態(tài)，并設(shè)置定時器的時間與開關(guān)。以藍牙為例，本文采用藍牙轉(zhuǎn)串行口的模塊，它可以解析藍牙協(xié)議，并在連接成功后成為一個串行口，這樣單片機就可以用串行口來操作藍牙功能了。本手機軟件定義了5 個指示燈，其中3個用來指示定時器的狀態(tài)，另外2個用于溫度報警及可燃性氣體濃度報警；定義了6個按鍵，分別是定時器1～3的開關(guān)、溫度報警復(fù)位及狀態(tài)讀取。3個進度條用于設(shè)置鬧鐘時間。

3 實施與測試

為了檢測鍋體的干燒狀態(tài)，試驗了常用的炒菜鍋、高壓鍋、普通不銹鋼水鍋等。鍋體溫度的檢測與傳感器對著的位置有關(guān)——當(dāng)傳感器正對著火焰與鍋底的接口部及以下時，溫度會高達260 ℃以上；但如果稍向上，傳感器正對著鍋體時，溫度在非干燒狀態(tài)下不會超過110 ℃，鍋內(nèi)的水燒干后，則溫度開始上升，到260 ℃時，鍋已經(jīng)有點發(fā)紅了。經(jīng)過反復(fù)試驗，本儀器將干燒溫度設(shè)置在160 ℃時可以很可靠地檢測到干燒，且此時燃氣灶處于安全燃燒狀態(tài)。所以在本儀器的程序中將溫度報警的默認值設(shè)置在160 ℃。為了適應(yīng)其他場合的需要（比如化學(xué)實驗室），報警溫度也設(shè)計成了用戶可以在0～255 ℃之間任意調(diào)整，但重新開機后又恢復(fù)160 ℃的默認值。

現(xiàn)在的燃氣灶都有“火焰熄滅自動斷氣”功能，燃氣灶內(nèi)部已經(jīng)設(shè)計有一個電磁閥來切斷燃氣，我們將安全監(jiān)視器的輸出繼電器串聯(lián)在燃氣灶的電磁閥線圈電路中，這樣在干燒時，就自動切斷了氣源。

為了提高儀器的適用性，以后的改進中還可以增加攝像頭，這樣就可以在辦公室里看到廚房的情況。這樣，兒女們就可以在辦公室里看到年老的爸爸媽媽在廚房里的情況，讓人更加放心。

參考文獻

[1]李靜，裘祖榮，齊永利.MLX90614系列紅外測溫模塊的原理及應(yīng)用[J].國外電子元器件，2006（1）.

〔編輯：劉曉芳〕