摘要：隨著城市的發(fā)展，老齡化程度進一步提高，獨居老年人越來越多，所以老人用燃氣灶燒水時的安全問題也越來越引起人們的關注。煤氣灶支架上安裝熱電偶溫度傳感器，通過精確感應容器底部溫度來判斷是否為干鍋狀態(tài)。然后通過節(jié)流電磁閥來關閉燃氣。當灶具出現(xiàn)異常時，燃氣灶也會開啟自動斷氣功能，完成自動報警、自動斷開氣源兩方面的功能。

Abstract： With the development of the city， the degree of aging has been further improved， and more and more elderly people are living alone. Therefore， the safety problems of the elderly when using gas stoves to boil water have attracted more and more attention. A thermocouple temperature sensor is installed on the gas stove bracket to accurately determine the bottom temperature of the container to determine whether it is a dry pan state. The gas is then turned off by a throttle solenoid valve. When the cooker is abnormal， the gas stove will also turn on the automatic gas-breaking function， and complete the functions of automatic alarm and automatic disconnection of the gas source.

關鍵詞：防干燒;單片機;K型熱電偶傳感器;煤氣灶

Key words： anti-dry burning;single chip;K-type thermocouple sensor;gas stove

中圖分類號：TP732? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）36-0135-03

1? 項目背景

根據(jù)聯(lián)合國最新的人口數(shù)據(jù)預測，在以后的30年里，中國人口老齡化將呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢，60歲及以上人口占比將年均增長16.55%，2040年60歲及以上人口占比將達28%左右，到2050年，60歲及以上老人占比將超過30%，社會進入深度老齡化階段。

隨著老齡化程度的逐步提高，獨自生活的老年人越來越多，老人們用燃氣灶燒水的安全問題也越來越引起人們的關注。目前雖然市場上陶瓷爐、電磁爐、電燉鍋品種繁多，但老年人還是習慣使用煤氣灶，在使用過程中隱含著由于年老容易遺忘的安全隱患，不少人都有忘記關火導致燒干鍋的經(jīng)歷，這往往會因此引發(fā)不必要的事故。該項目就是為了解決這一問題而設計的，通過報警裝置的提醒和自動斷開燃氣灶的保護，有了這個裝置，老齡人可以安全家居，不必擔心使用煤氣灶的安全問題，已成功申請了實用新型專利。

2? 系統(tǒng)設計要求及功能

2.1 系統(tǒng)設計要求

本項目目標旨設計一款適合老齡家居的煤氣灶智能防燒干報警智能裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在容器內的水燒干后自動報警提醒，持續(xù)狀態(tài)異常，斷開燃氣，能夠為老人們安全使用燃氣灶提供保障。

老齡居家煤氣灶智能防燒干報警裝置系統(tǒng)設計要求通過對燒水容器底部溫度的測量，顯示容器底部溫度，判斷容器是否干燒，并自動報警，進而控制燃氣灶氣路。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)功能

老齡居家煤氣灶智能防燒干報警裝置系統(tǒng)要求能夠具備以下主要功能：

①利用單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集、自動控制，實現(xiàn)智能化;

②系統(tǒng)具有準確溫度測量，具有溫度顯示的功能;

③當處于干鍋時溫度高于設定值，具有報警提示功能，同時可以自動關閉電磁閥，斷開煤氣;

④具有烹調定時等擴展功能。通過溫度、時間的控制可以實現(xiàn)烹調定時功能，減輕老人烹飪壓力。

3? 系統(tǒng)設計

老齡居家煤氣灶智能防燒干報警裝置系統(tǒng)是利用傳感器感應容器底部外壁的溫度變化，來判斷容器內水分是否燒干，我們設置了下面三種極限溫度：

①溫度低于100±2℃，為溫度正常值，系統(tǒng)進行溫度顯示;

②溫度高于102±2℃，溫度低于140℃，為水開溫度，進行報警提示;

③溫度高于140±5℃，為溫度異常值，持續(xù)1分鐘，系統(tǒng)切斷氣源，保證安全。

將溫度傳感器安裝在燃氣灶上方的架子上，與容器底部外壁緊密接觸，此時測量的溫度既是燒水壺的溫度。傳感器測量的容器外壁溫度信號，經(jīng)過A/D采樣將模擬信號轉換為數(shù)字信號輸入到單片機，單片機通過對檢測信號計算判斷容器內水分是否燒干，從而控制報警器和電磁閥，以確定是否進行報警處理和斷氣保護。

因此，老齡居家煤氣灶智能防燒干報警裝置系統(tǒng)主要由溫度傳感器測量系統(tǒng)、A/D采樣系統(tǒng)、單片機測控系統(tǒng)、溫度顯示、報警及控制系統(tǒng)組成，其硬件結構框如圖1所示。

3.1 單片機測控系統(tǒng)

單片機測控采為整個系統(tǒng)的核心，選用價廉物美，技術成熟的STC89C52單片機，使用簡單，編程方便，可靠性高，故障率低。單片機最小系統(tǒng)是單片機連接電路中最基本的部分，主要由電源電路、復位電路、時鐘震蕩電路三部分組成。

單片機測控系統(tǒng)控制過程相對簡單。先將傳感器相應溫度點測量閾值存入單片機相應內存中，通過采集輸入裝置傳感器感電壓信號，檢測容器內中水溫的變化，判斷溫度范圍，進行溫度顯示、溫度報警或觸發(fā)斷氣控制系統(tǒng)，關閉燃氣灶。

3.2 溫度測試系統(tǒng)

老齡居家煤氣灶智能防燒干報警裝置系統(tǒng)的關鍵部分是溫度的測量。溫度信號的精度在控制系統(tǒng)中起著至關重要的作用。對于家用電子產(chǎn)品來說，產(chǎn)品應具備經(jīng)久耐用，可靠性高，故障率低的特點，因此在溫度傳感器選擇方面要特別慎重，不能經(jīng)常出現(xiàn)故障。溫度傳感器多種多樣，根據(jù)測量容器溫度和水干容器溫度的數(shù)值，且考慮到溫度傳感器的測量精度以及經(jīng)濟性，我們可以選擇熱電偶溫度傳感器。

熱電偶溫度傳感器是由兩種不同材料的金屬導體絲或半導體組成。將兩根不同材料的金屬絲一端焊接在一起，作為熱電偶的測量端;另一端與測量儀表相連，當測量溫度變化時，熱電偶輸出電動勢，電動勢的大小與溫度變化量成正比，通過測量即可推算出所測溫度值。

本系統(tǒng)采用K型熱電偶傳感器（即鎳鉻-鎳硅熱電偶傳感器），其測量溫度在0-1000°C（長期）和0-1300°C（短期），可以使用于氧化環(huán)境，耐金屬蒸汽，具有靈敏度高，輸出線性便于測量，性能穩(wěn)定，重復性好，價格便宜，便于安裝接線，耐高溫，堅固耐用等特點。

在溫度測量時，將鎳鉻-鎳硅熱電偶傳感器的溫度測量端緊貼在燒水容器底端（容器的下部），如果容器內有水，容器溫度與水溫接近;如果容器內沒有水，容器溫度將快速升高，容器溫度與干燒時間不同而不同，溫度高于140°C，持續(xù)1分鐘，說明容器內無水，要關斷燃氣。

3.3 放大電路設計

在溫度測量電路中，熱電偶溫度傳感器輸出信號較小，信號最多不過幾十毫伏（<30mV），且其中包含工頻、靜電和電磁偶合等共模干擾，為了提高精度，便于測量，需將溫度傳感器信號進行放大，再由單片機進行采集。此外，熱電偶輸出信號為溫差電動勢，是差動電壓，是輸出帶有共模信號的二端電壓，因此放大電路應設計為差動放大器。為了提高測量精度，設計的放大電路應具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪聲和高輸入阻抗，因此一般采用差動儀表放大器，如圖2所示。

差動儀表放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、橋路放大器，它的信號是從運放的正端輸入，具有較高的輸入阻抗，易于與各種信號源匹配。輸出電壓與輸入電壓差成正比例，輸入端的溫度漂移信號相互抵消，可使放大電路溫度誤差較小。

放大器的運放選用LM358芯片。LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，是一種低噪聲，具有非常低的輸入失調電壓，不需要額外的調零措施。這種低失調、高開環(huán)增益的特性特別適用于放大、轉換傳感器的微弱信號，放大電路的穩(wěn)定性好。

3.4 A/D轉換電路

單片機采集的是數(shù)字信號，需將傳感器輸出信號經(jīng)放大后由A/D轉換器轉換為數(shù)字信號，輸入到單片機中。

傳感器的精度一般在0.5%左右，為了不損失傳感器精度，A/D轉換器的采樣轉換精度應高于傳感器精度。8位的A/D轉換器理論本精度為1/256，約為0.4%，如果疊加上系統(tǒng)轉換誤差，將不能滿足系統(tǒng)精度要求。因此為了溫度信號采集的精度，可選用10 位的A/D轉換器，因為系統(tǒng)中有三個溫度傳感器，一個位移傳感器，可選擇較為經(jīng)濟的4通道A/D轉換器。

本系統(tǒng)最終選擇AD7864-2A/D轉換器，它是一款高速、低功耗、4通道、12位同時采樣模數(shù)轉換器，供電電源為+5 V單電源，其內置一個1.65 微秒，逐次逼近型A/D轉換器，內部自帶2.5 V基準電壓源、信號調理電路和一個高速并行接口。4個通道上的輸入信號同時進行采樣，可保留4個模擬輸入上的信號相對相位的信息。AD7864系列有多種模擬輸入范圍，傳感器的輸出范圍為0至5V，AD7864-2模擬輸入范圍滿足設計要求。AD7864-2A/D轉換器的模擬輸入均具有過壓保護，不會損壞器件或影響正在進行的轉換，可靠性高，穩(wěn)定性好。

3.5 煤氣斷氣裝置

煤氣切斷裝置主要由電磁閥、繼電器和電磁閥驅動電路組成。電磁閥采用選用12V直流電磁閥，便于安裝、使用，價格便宜。

單片機輸出的高低電平來控制煤氣切斷裝置開啟。單片機的高電平為5V，輸出電流微弱，想要控制高電壓的電磁閥需要使用繼電器驅動接口電路才能滿足控制要求。設計時通過P2口輸出控制信號，由三極管Q2驅動，使繼電器K線圈得電，繼電器的常開開關閉合，電磁閥控制線路通電，可以關閉閥門，切斷天然氣氣路。如圖3表示。

3.6 報警模塊

聲光報警裝置設計為一個音樂和閃爍燈光進行報警。在100°C時，單片機觸發(fā)音樂芯片，采用柔和的音樂提示，告知用戶水已經(jīng)燒開;當溫度處于異常高溫時，單片機觸發(fā)聲光報警，可以提醒老年人及時關火;如果持續(xù)測得容器底部溫度過高，說明容器內水已經(jīng)燒干，單片機觸發(fā)聲光報警，并觸發(fā)煤氣切斷裝置，切斷煤氣，保證老人居家安全。

4? 系統(tǒng)軟件設計思路

系統(tǒng)軟件設計沒有難點。MCS-52系列單片機實時采集經(jīng)放大的傳感器信號，測量出電壓值，計算出溫度值，判斷當前溫度的狀態(tài)，輸出控制信號。

軟件設計采用C語言進行程序設計。首先，我們對系統(tǒng)進行初始化，三路溫度傳感器測量容器的溫度，經(jīng)過A/D采樣，將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳輸給單片機，單片機進行溫度判斷，若是低溫，則重新采樣，若是高溫，則發(fā)出報警信號;當溫度持續(xù)高于140℃時，單片機經(jīng)計算輸出高電平，繼電器得電，電源開關導通，直流電磁閥工作，切斷煤氣供氣。

5? 結論

利用本系統(tǒng)技術制作的智能燃氣灶采用防干燒技術和溫度探頭，可以及時發(fā)現(xiàn)容器干燒狀態(tài);可以在開火之后自動檢測有無鍋具，開火達到一定時間如果一直沒有放置鍋具，燃氣灶就會自動關閉，防止空燒隱患。

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的煤氣報警自動關閉不同，采用在煤氣灶支架上安裝熱電偶溫度傳感器，通過精確感應容器底部溫度來判斷是否為干鍋狀態(tài)。然后通過節(jié)流電磁閥來關閉燃氣。當灶具出現(xiàn)異常時，燃氣灶也會開啟自動斷氣功能。在烹飪過程中，由于強風或其他特殊原因造成火苗被撲滅的現(xiàn)象時，智能燃氣灶會及時切斷氣源，防止燃氣泄露造成危險。

本系統(tǒng)留有端口，可以進行功能擴展。增加煤氣泄漏報警，可以通過CO傳感器采集環(huán)境中的CO濃度進行報警。增加烹調定時功能，通過溫度、時間的控制可以實現(xiàn)烹調定時功能，減輕老人烹飪壓力。

參考文獻：

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