孫春志，胡笑林，王雪闖

（商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000）

0 引 言

由于氣體燃料具有方便易燃、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)被越來(lái)越多的家庭使用，但氣體燃料也存在一定的危害，一旦發(fā)生泄露，輕則損傷人體神經(jīng)系統(tǒng)，重則將直接危及生命。在氣體燃料十分普及的今日，因燃?xì)鈫?wèn)題引發(fā)的安全事故不勝枚舉。為加強(qiáng)廚房安全的日常防范，本文介紹了一種安全、高效、智能的廚房安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以很大程度上降低廚房燃?xì)馐鹿拾l(fā)生率，保護(hù)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，給人們使用廚房帶來(lái)極大的安全和便利。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以 STC8F2K64S2作為主控，由主機(jī)和從機(jī)兩部分組成。主機(jī)是燃?xì)鈾z測(cè)系統(tǒng)，由主控電路、備用電源、氣體檢測(cè)、溫度檢測(cè)、LCD顯示以及無(wú)線通信等組成。

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到燃?xì)?、溫度和火焰時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)接收到的模擬量判定是否已經(jīng)發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生安全事故。當(dāng)燃?xì)鉂舛?、溫度、火焰超過(guò)設(shè)置的限定值時(shí)，蜂鳴器立即發(fā)出報(bào)警，并通過(guò)無(wú)線通信模塊傳遞命令給從機(jī)，使從機(jī)控制機(jī)械手臂和繼電器，對(duì)廚房進(jìn)行斷電、斷氣操作[1]。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路是該系統(tǒng)硬件電路的核心，它直接控制著其他外圍電路，協(xié)調(diào)各模塊工作?？紤]到該設(shè)計(jì)對(duì)程序所需內(nèi)存、響應(yīng)速度及硬件功能的要求，特選用具有大容量、高速度、低功耗、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)的STC8F2K64S2芯片[2]，其最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖1 整體設(shè)計(jì)原理框圖

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源選用TP4056，它具有外圍電路簡(jiǎn)單、充電精度高等優(yōu)點(diǎn)。電池輸出端用二極管與電源適配器隔開(kāi)以防止灌流。正常使用時(shí)，通過(guò)適配器為系統(tǒng)供電，斷電時(shí)，備用的鋰電池18650為系統(tǒng)供電[3]。充電電路原理如圖3所示。

2.3 監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)電路由溫度監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)、火焰監(jiān)測(cè)部分組成。溫度監(jiān)測(cè)采用DS18B20傳感器，它是單總線數(shù)字溫度計(jì)，讀取溫度數(shù)及指示器件的溫度。數(shù)據(jù)經(jīng)一根數(shù)據(jù)線讀入DS18B20或從DS18B20送出[4]。數(shù)據(jù)線本身可以提供讀、寫(xiě)以及完成溫度轉(zhuǎn)換所需要的電源，無(wú)需外接電源。

圖3 TP4059充電電路圖

氣體監(jiān)測(cè)采用MQ-2煙霧傳感器。MQ-2是一種N型半導(dǎo)體器件，它由二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料制造而成，可對(duì)甲烷、丙烷、丁烷、氫氣、煙霧、酒精濃度等進(jìn)行檢測(cè)，尤其對(duì)液化氣、天然氣、城市煤氣有較好的靈敏度，具有使用壽命長(zhǎng)和穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，MQ-2煙霧傳感器輸出的模擬量通過(guò)主控電路的A/D轉(zhuǎn)換器后，系統(tǒng)可獲得準(zhǔn)確的燃?xì)鉂舛葦?shù)字量，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，主機(jī)開(kāi)始響應(yīng)，并向從機(jī)發(fā)送指令[5]。MQ-2煙霧檢測(cè)電路如圖4所示。

火焰檢測(cè)采用紅外光譜傳感器，該傳感器適用于各種火焰、火源的檢測(cè)?？蓹z測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760～1100 nm范圍內(nèi)的光源，探測(cè)角度約60°，對(duì)火焰光譜尤為靈敏[6]。與氣體傳感器相似，該傳感器輸出的模擬量通過(guò)主控電路的A/D轉(zhuǎn)換器后，系統(tǒng)可獲得準(zhǔn)確的火焰強(qiáng)度數(shù)字量，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，主機(jī)開(kāi)始響應(yīng)，并向從機(jī)發(fā)送指令?；鹧鏅z測(cè)電路如圖5所示。

圖4 MQ-2煙霧檢測(cè)電路圖

圖5 火焰檢測(cè)電路圖

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)分為內(nèi)部通信和外部通信兩部分。系統(tǒng)內(nèi)部主從機(jī)的通信采用nRF24L01無(wú)線通信模塊，nRF24L01是NORDIC出廠的無(wú)線芯片，其工作頻率為2.4 GHz[7]。nRF24L01的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是功耗小、電流極低，尤其在掉電模式或待機(jī)模式下電流更小[8-9]。系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)下，主機(jī)通過(guò)nRF24L01向從機(jī)傳送廚房的安全狀態(tài)。上位機(jī)與下位機(jī)無(wú)線通信電路原理如圖6所示。

圖6 無(wú)線通信電路圖

圖7 外部通信電路圖

系統(tǒng)外部通信采用SIM900A。SIM900A是SIMCOM公司推出的一款高性能工業(yè)級(jí) GSM/GPRS模塊，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、DTMF、SMS（短消息服務(wù)）、GPRS 數(shù)據(jù)的傳輸[10]。當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)，從機(jī)控制該模塊的SMS功能向相關(guān)人員發(fā)送險(xiǎn)情短信。SIM900A電路如圖7所示。

2.5 斷電、斷氣電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的斷電、斷氣功能通過(guò)繼電器和機(jī)械手臂控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)從機(jī)無(wú)線模塊接收到主機(jī)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)送來(lái)的險(xiǎn)情信息時(shí)，從機(jī)通過(guò)控制繼電器和機(jī)械手臂切斷廚房的供電和燃?xì)忾y門(mén)的開(kāi)關(guān)[11]。該系統(tǒng)還配有備用電源，即使廚房斷電，系統(tǒng)也能正常進(jìn)行斷電、斷氣工作。自動(dòng)斷氣結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 自動(dòng)斷氣機(jī)械手臂示意圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的程序分為主機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)部分和從機(jī)斷電、斷氣控制系統(tǒng)部分。

3.1 主機(jī)程序

主機(jī)主程序包括系統(tǒng)硬件初始化、初始化信息顯示、nRF24L01自檢、溫度過(guò)高及燃?xì)庑孤┡袛?、?bào)警、發(fā)送短信、與從機(jī)通信。主程序流程如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

3.2 從機(jī)程序

從機(jī)斷電、斷氣程序過(guò)程：首先將從機(jī)的硬件進(jìn)行初始化，從機(jī)通過(guò)nRF24L01與主機(jī)通信，當(dāng)從機(jī)通過(guò)nRF24L01接收到主機(jī)發(fā)送的信息后，判斷信息是否接收完成，未接收完成則繼續(xù)接收，接收完成后單片機(jī)控制繼電器或機(jī)械手臂進(jìn)行斷電、斷氣操作。從機(jī)斷電、斷氣程序流程如圖10所示。

圖10 從機(jī)程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多次實(shí)地測(cè)試，廚房安全系統(tǒng)完美實(shí)現(xiàn)了從燃?xì)鈾z測(cè)、溫度檢測(cè)、火焰檢測(cè)到系統(tǒng)報(bào)警，再到控制從機(jī)斷電、斷氣，最后發(fā)送險(xiǎn)情短信給相關(guān)人員及部門(mén)等一系列功能操作。該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果，較好地解決了因廚房燃?xì)庑孤┧l(fā)的問(wèn)題，保障了人們的財(cái)產(chǎn)及生命安全。