劉 嘉

(太原師范學(xué)院 物理系，山西 晉中 030619)

廚房是家庭火災(zāi)的高發(fā)區(qū)域，其中灶具是引發(fā)火災(zāi)的高危因素.據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)家庭中，灶具引發(fā)的火災(zāi)占到廚房火災(zāi)的63%，造成的受傷人數(shù)更是高達(dá)廚房火災(zāi)的79%[1].中國(guó)每年發(fā)生的20萬起火災(zāi)中，大部分也是由廚房用火引起的.因此提高灶具的安全性能，防止由于灶具意外工況引起的火災(zāi)，具有重大的社會(huì)意義.

然而目前我國(guó)灶具的安全性能并不能令人完全滿意.2007年我國(guó)發(fā)布的《家用燃?xì)庠罹摺穱?guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)中[2]，只規(guī)定了灶具熄火自動(dòng)停氣裝置以及炊具溫度達(dá)到300 ℃以上時(shí)自動(dòng)熄火裝置.依靠現(xiàn)有安全裝置并不能完全避免干燒現(xiàn)象.這主要是因?yàn)椋?.炊具溫度達(dá)到300℃時(shí)必然已經(jīng)處于干燒狀態(tài).2.300 ℃的限值并不能完全避免火災(zāi)隱患.如紙張、棉花、布匹等燃點(diǎn)都在300 ℃以下.3.部分帶有特殊涂層的炊具(如特氟龍不粘鍋)在高溫下會(huì)釋放出有毒有害物質(zhì)[3]，嚴(yán)重危害家庭健康.

綜上所述，現(xiàn)有灶具安全裝置仍有改進(jìn)的必要性.因此，本文設(shè)計(jì)了一套基于人員活動(dòng)檢測(cè)和灶具火焰檢測(cè)雙重判據(jù)的防干燒報(bào)警裝置.將其與現(xiàn)有灶具通行的防熄火裝置以及炊具溫度檢測(cè)裝置相配合，可以進(jìn)一步提高灶具的安全性能.

1 設(shè)計(jì)思路

圖1 系統(tǒng)原理圖

本設(shè)計(jì)的核心思想在于，灶具干燒都是由于用戶離開廚房時(shí)忘記關(guān)火而引起的.因此，當(dāng)廚房無人，灶具處于開啟狀態(tài)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)發(fā)出防干燒警報(bào).而用戶在廚房進(jìn)行操作時(shí)基本處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持靜止不動(dòng).因此可以用一個(gè)距離傳感器來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)：如果測(cè)得距離參數(shù)在不斷變化，說明廚房?jī)?nèi)有人；如果距離參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間沒有變化，就說明廚房處于無人監(jiān)管狀態(tài).如果廚房處于無人狀態(tài)，且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到灶具處于加熱狀態(tài)，則計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超過預(yù)設(shè)時(shí)間后系統(tǒng)發(fā)出警報(bào).具體原理圖如圖1.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫度傳感模塊

溫度傳感器采用熱電偶.熱電偶價(jià)格低廉，耐高溫，且根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)在市場(chǎng)上的燃?xì)庠罹叨及惭b有熄火自動(dòng)停氣裝置，該裝置就是用熱電偶來監(jiān)測(cè)燃?xì)庠钍欠裣ɑ鸬?因此本設(shè)計(jì)采用熱電偶作為溫度傳感器，一方面可以方便地整合進(jìn)現(xiàn)有的灶具安全裝置中；另一方面也可以與現(xiàn)有裝置共用部件，降低成本.

圖2 溫度傳感部分

在本設(shè)計(jì)中，只要灶頭溫度高于環(huán)境溫度，就可以判斷灶具打開，不需要測(cè)出灶頭的絕對(duì)溫度.因此測(cè)溫電路不需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本.其電路結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2中，K為熱電偶，其輸出正極接入電壓比較器LM311P的同相輸入端.LM311P反相輸入端通過電阻R1和電位器R2調(diào)節(jié)熱電偶的觸發(fā)閾值.由于LM311P為電壓比較器，輸出端為單晶體管輸出，因此輸出端需接上拉電阻R3.經(jīng)實(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，電壓比較器觸發(fā)閾值設(shè)置為12 mV較為合適.

2.2 距離傳感模塊

目前市場(chǎng)上常見的距離傳感器有激光傳感器、超聲傳感器.考慮到廚房中通常油煙較重，激光傳感器在長(zhǎng)期使用中容易出現(xiàn)發(fā)射端、接收端被油煙遮蔽的現(xiàn)象.因此本文采用超聲傳感器作為距離傳感器.超聲傳感器價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，耐用性好，完全可以滿足本設(shè)計(jì)的需求.

本文所用的超聲模塊為HC-SR04超聲模塊(圖3).該模塊測(cè)距上限可達(dá)4.5 m，測(cè)距角度15°，測(cè)量范圍能夠覆蓋常見廚房格局及尺寸.且該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，僅有4個(gè)引腳.除電源(1腳)和地(4腳)外，只有觸發(fā)(2腳)和輸出(3腳)兩根數(shù)據(jù)引腳.測(cè)距時(shí)，只需向2腳輸入一個(gè)高電平(持續(xù)時(shí)間大于10 μs)，模塊就會(huì)開始測(cè)距，并通過3腳返回一個(gè)高電平，其持續(xù)時(shí)間正比于測(cè)量距離.

2.3 處理器部分

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，加快開發(fā)進(jìn)度，本設(shè)計(jì)的處理器部分采用了Arduino開發(fā)套件.Arduino是一款開源的電子設(shè)計(jì)原型平臺(tái)，具有豐富的庫(kù)函數(shù)，可以簡(jiǎn)單、快速、敏捷地完成小型電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試.本設(shè)計(jì)所使用的是Arduino UNO開發(fā)板(圖4).開發(fā)板引腳8、9分別連接超聲模塊的觸發(fā)端和反饋端；引腳10連接溫度傳感部分的輸出端.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開機(jī)后循環(huán)檢測(cè)溫度傳感器，當(dāng)檢測(cè)到灶具點(diǎn)燃時(shí)打開計(jì)時(shí)器，并控制距離傳感器循環(huán)測(cè)距.如果兩次測(cè)得的距離與上一次測(cè)得的距離值的差絕對(duì)值大于10 cm，就認(rèn)為廚房?jī)?nèi)有人正在操作，將計(jì)時(shí)器清零后開始下一次測(cè)距.如果測(cè)得的距離與上次測(cè)得的測(cè)量值差的絕對(duì)值小于10 cm，則認(rèn)為廚房?jī)?nèi)無人，保持計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)狀態(tài).當(dāng)計(jì)時(shí)器的累加值大于設(shè)定的閾值后，處理器控制蜂鳴器報(bào)警.其流程如圖5.

4 結(jié)論與討論

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)能夠在設(shè)計(jì)條件下自動(dòng)報(bào)警，防止用戶因忘記關(guān)閉灶具而導(dǎo)致灶具干燒.且造價(jià)低廉，大部分部件可與現(xiàn)有灶具安全裝置共用.與現(xiàn)行的熄火停氣保護(hù)、炊具溫度檢測(cè)等保護(hù)手段相結(jié)合，可以更加全面地保障廚房安全，消除火災(zāi)隱患.下一步的完善方向是應(yīng)當(dāng)增加輸入和顯示部分，允許用戶自行輸入觸發(fā)報(bào)警的無人時(shí)間閾值，以滿足用戶煲湯、燜飯等長(zhǎng)時(shí)間加熱的需求.