任豐蘭，胡智勇

（1.常德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南常德，415000；2.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南常德，415000）

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高和燃氣灶具的逐步普及,家用燃氣灶具作為一種生活必需品已進入了千家萬戶,同時消費者對家用燃氣灶具的安全性、耐用性、方便性、美觀性等各個方面也越來越重視。家用燃氣灶具質(zhì)量的好壞不僅影響人們的日常生活,而且質(zhì)量差的燃氣灶具易引發(fā)人身傷害事故。目前我國燃氣灶具產(chǎn)品的技術(shù)含量普遍不高,自動化和智能化程度較低,因此它的節(jié)能性、安全性及工藝水平等方面還有較大的提升空間[1]。目前我國灶具的安全性能并不能令人完全滿意。2007年我國發(fā)布的《家用燃氣灶具》國家強制標(biāo)準(zhǔn)中［2］，只規(guī)定了灶具熄火自動停氣裝置以及炊具溫度達到300℃以上時自動熄火裝置,依靠現(xiàn)有安全裝置并不能完全避免干燒現(xiàn)象,這主要是當(dāng)炊具溫度達到300℃時必然已經(jīng)處于干燒狀態(tài)，而在200-300℃的限值并不能完全避免火災(zāi)隱患，如紙張、棉花、布匹等燃點都在300℃以下；再者部分帶有特殊涂層的炊具（如特氟龍不粘鍋）在高溫下會釋放出有毒有害物質(zhì)[3]，嚴(yán)重危害家庭健康。由此可見現(xiàn)有灶具安全裝置仍有改進的必要性，因此設(shè)計了一套基于人員活動檢測和灶具火焰檢測雙重判據(jù)的防干燒報警裝置，將其與現(xiàn)有灶具通行的防熄火裝置以及炊具溫度檢測裝置相配合，可以進一步提高灶具的安全性能。

1 設(shè)計思路

灶具干燒都是由于用戶離開廚房時忘記關(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)時間較長時，應(yīng)當(dāng)發(fā)出防干燒警報，而用戶在廚房進行操作時基本處于運動狀態(tài)，不會長時間保持靜止不動，因此可以用一個距離傳感器來進行運動檢測：如果測得距離參數(shù)在不斷變化，說明廚房內(nèi)有人；如果距離參數(shù)長時間沒有變化，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測到灶具處于加熱狀態(tài)，則計時器開始計時，超過預(yù)設(shè)時間后系統(tǒng)發(fā)出警報，它也可以通過按鍵實現(xiàn)對灶臺火力的控制，最后把灶臺的各個模塊的工作狀態(tài)及其火力大小進行顯示，其設(shè)計原理圖如圖1。

圖1 設(shè)計原理圖

2 基于單片機控制的智能灶具硬件設(shè)計

2.1 處理器的選型

為簡化設(shè)計工作，加快開發(fā)進度，本設(shè)計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)計原型平臺，具有豐富的庫函數(shù)，可以簡單、快速、敏捷地完成小型電子系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，這里使用的是Arduino UNO開發(fā)板，如圖2所示。

圖2 Arduino UNO

2.2 溫度傳感模塊的設(shè)計

溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶價格低廉，耐高溫，且根據(jù)國家強制標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)在市場上的燃氣灶具都安裝有熄火自動停氣裝置，該裝置就是用熱電偶來監(jiān)測燃氣灶是否熄火的。采用熱電偶作為溫度傳感器，一方面可以方便地整合進現(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。溫度傳感器模塊主要用于檢測灶頭的溫度，只要灶頭溫度高于環(huán)境溫度，就可以判斷灶具打開，不需要測出灶頭的絕對溫度。因此測溫電路不需要對熱電偶進行冷端補償，進一步簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中K為熱電偶，其輸出正極接入電壓比較器LM311P的同相輸入端，L M311P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)實際測試試驗，電壓比較器觸發(fā)閾值設(shè)置為12mV較為合適。

圖3 溫度傳感器模塊電路結(jié)構(gòu)圖

2.3 距離傳感模塊的設(shè)計

目前市場上常見的距離傳感器有激光傳感器、超聲傳感器?？紤]到廚房中通常油煙較重，激光傳感器在長期使用中容易出現(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。超聲傳感器價格低廉，技術(shù)成熟，耐用性好，完全可以滿足本設(shè)計的需求。本文所用的超聲模塊為HC-SR04超聲模塊（圖4）。該模塊測距上限可達4.5m，測距角度15°，測量范圍能夠覆蓋常見廚房格局及尺寸。且該模塊結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，僅有4個引腳。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。測距時，只需向2腳輸入一個高電平（持續(xù)時間大于10μs），模塊就會開始測距，并通過3腳返回一個高電平，其持續(xù)時間正比于測量距離。

圖4 距離傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖

2.4 顯示模塊的設(shè)計

顯示模塊的作用是顯示智能灶具的各個硬件的工作狀態(tài)和灶臺火力大小，這里選用HJ1602A液晶顯示器，它是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行），其顯示模塊的原理圖如圖5所示。

圖5 顯示模塊的原理圖

3 基于單片機控制的智能灶具的軟件設(shè)計

系統(tǒng)開機后循環(huán)檢測溫度傳感器，當(dāng)檢測到灶具點燃時打開計時器，并控制距離傳感器循環(huán)測距。如果兩次測得的距離與上一次測得的距離值的差絕對值大于10cm，就認為廚房內(nèi)有人正在操作，將計時器清零后開始下一次測距。如果測得的距離與上次測得的測量值差的絕對值小于10cm，則認為廚房內(nèi)無人，保持計時器的計時狀態(tài)。當(dāng)計時器的累加值大于設(shè)定的閾值后，處理器控制蜂鳴器報警，其流程如圖6所示，其部分程序如下：

圖6 軟件流程圖

4 小結(jié)

如果該產(chǎn)品研制成功，它能夠在設(shè)計條件下自動報警，防止用戶因忘記關(guān)閉灶具而導(dǎo)致灶具干燒。且造價低廉，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、炊具溫度檢測等保護手段相結(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)報警的無人時間閾值，以滿足用戶煲湯、燜飯等長時間加熱的需求。