花奇芹，徐玲，翟娟

揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000

0 引言

節(jié)能減排、持續(xù)發(fā)展、綠色制造、建設(shè)生態(tài)文明，這既是對十九大精神的踐行，也是我們所有人必須承擔(dān)的社會責(zé)任。全國大學(xué)生節(jié)能減排社會實(shí)踐與科技競賽以“節(jié)能減排、綠色能源”為主題，是由教育部門和眾多高校協(xié)作舉辦的一項(xiàng)競賽。重在鍛煉學(xué)生的動手能力、思維能力、人際交往能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作精神和提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，同時(shí)促進(jìn)環(huán)境工程、能源動力、機(jī)械工程等相關(guān)專業(yè)的建設(shè)。

創(chuàng)新在國家發(fā)展、民族進(jìn)步中扮演著重要的角色。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展起來后，智能化產(chǎn)品發(fā)展崛起并受到廣泛應(yīng)用。其中，智能化家居在人們的生活起居中起到至關(guān)重要的作用，它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動化系統(tǒng)等給人們提供節(jié)能、舒適、環(huán)保、便利的居住環(huán)境。本文根據(jù)揚(yáng)州大學(xué)廣陵學(xué)院的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)、結(jié)合節(jié)能減排大賽、以智能油煙機(jī)為例，培養(yǎng)大學(xué)生的奮進(jìn)意識和創(chuàng)新能力，從而更好地實(shí)現(xiàn)自我發(fā)掘和完善，為學(xué)生們的終身教育奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 選題的背景及意義

20世紀(jì)70年代末，我國的科技信息研究人員在外學(xué)習(xí)，在了解國外的許多信息后就有了在國內(nèi)開發(fā)油煙機(jī)的想法。但是因?yàn)楦鞣矫鏃l件都不滿足，中國并沒有公司去開發(fā)油煙機(jī)。1987年7月是我國油煙機(jī)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，桅燈制造廠將我國臺灣地區(qū)生產(chǎn)的油煙機(jī)進(jìn)行拆解重組，中國大陸地區(qū)的第一臺油煙機(jī)至此產(chǎn)生，此后油煙機(jī)在國內(nèi)迅猛發(fā)展。

國外研究專家研究發(fā)現(xiàn)：一種被叫做苯并芘的致癌物質(zhì)存在于廚房油煙里，這種致癌物質(zhì)會讓體細(xì)胞染色體變異進(jìn)而引發(fā)局部組織癌變。國際品牌的抽油煙機(jī)包括意大利的白朗、艾麗卡、華倫帝、家寶、法貝、帝斯、阿里斯頓等，但是并不暢銷。然而國內(nèi)暢銷品牌的設(shè)計(jì)是借鑒MODULO蒙特羅系列和阿里斯頓XH90抽油煙機(jī)的技術(shù)。雙渦輪、適宜的電機(jī)功率、無集和小集煙倉、大部分的層致密網(wǎng)板相互累加是歐式油煙機(jī)重視的部分。中式抽油煙機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是抽排煙效果很好，缺點(diǎn)是油煙分離不易，也會對周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。歐式抽油煙機(jī)優(yōu)點(diǎn)是噪聲低、可分離油煙、又節(jié)能環(huán)保，缺點(diǎn)是抽油煙效果較為遜色。因?yàn)榧夹g(shù)方面不滿足市場要求，所以大部分形型較薄的抽油煙機(jī)已經(jīng)不適用于市場，占領(lǐng)市場很久的是深抽型，因此歐式抽油煙機(jī)的發(fā)展空間相對較大。然而歐式和中式油煙機(jī)相比，因?yàn)楫a(chǎn)品門檻不夠高，所以沒有特別的技術(shù)含量。

油煙中含有有毒物質(zhì)，比如說其中會含有一定的丙烯醛成分，它會刺激呼吸道黏膜，誘發(fā)鼻炎或角膜炎癥；還有一些致癌物質(zhì)，比如說苯并芘會大大增加患肺癌和胃癌的可能性，導(dǎo)致人體臟器功能下降。油煙是由固液氣三種形態(tài)共同構(gòu)成的，因此分離法是油煙凈化技術(shù)的常用方法，包含濕式、機(jī)械式、復(fù)合式和靜電式凈化法等方法。濕式凈化法主要包括水簾和無泵清洗的方法；機(jī)械式凈化法即采用慣性碰撞進(jìn)行油煙凈化，當(dāng)油煙氣通過設(shè)備的格柵和濾網(wǎng)時(shí)，大顆粒會被阻隔下來；靜電式凈化法采用高壓靜電吸附除塵的工作原理。現(xiàn)在市場上比較先進(jìn)的油煙凈化方法是等離子凈化油煙。它采用脈沖高壓高頻等離子體電源和齒板放電裝置，讓其產(chǎn)生高強(qiáng)度、高濃度、高電能的活性自由基，在極短的時(shí)間內(nèi)，對有害的其他分子進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，打開有機(jī)氣體分子間的分子鍵，讓有害物質(zhì)分解，將油煙機(jī)產(chǎn)生的大部分污染物降解成水、二氧化碳等其他易處理的物質(zhì)，還會產(chǎn)生許多的負(fù)離子起到清新空氣的作用。

現(xiàn)在用于居民廚房[1]的抽油煙機(jī)工作原理是通過葉輪的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生慣性分離的同時(shí)產(chǎn)生氣力輸送，再經(jīng)過過濾系統(tǒng)進(jìn)行對油煙的凈化處理。但是抽油煙機(jī)也有隱藏的危害，如果排油煙系統(tǒng)長期不清洗可能會有火災(zāi)隱患，油煙機(jī)的排油煙罩漏油滴在爐頭上很容易引起火災(zāi)，風(fēng)機(jī)葉輪、機(jī)壁機(jī)底積油太多則會影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)荷過重時(shí)會引起油煙機(jī)發(fā)熱，進(jìn)而導(dǎo)致電線短路造成火災(zāi)。而且抽風(fēng)機(jī)葉輪由上百片葉槽組成，若積油太多堵塞葉槽，會降低油煙機(jī)的抽風(fēng)效果、油污黏住電機(jī)轉(zhuǎn)軸，加大了摩擦力，電機(jī)負(fù)荷也會增大。由于葉輪、煙道上的油黏性增加，使得排氣不通，增加了油煙在廚房空間中的擴(kuò)散。油煙若滴到皮膚上，會加速皮膚老化、黑色素增多等一系列問題，并且很大程度會加大患癌風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，為了在廚房烹飪時(shí)的安全與健康問題能夠有所保障，就必須得把做飯時(shí)產(chǎn)生的油煙排出并進(jìn)行凈化，這樣才能創(chuàng)造出一個(gè)干凈衛(wèi)生的環(huán)境，對中國的可持續(xù)發(fā)展也起到了推動作用。再者，中國人口基數(shù)龐大，做飯時(shí)產(chǎn)生的油煙就更多了，所以，廚房抽油煙機(jī)凈化油煙的意義重大。使用抽油煙機(jī)是可以改變廚房環(huán)境空氣的有效手段，因?yàn)閷⑴腼冞^程中產(chǎn)生的有害氣體吸走了，從而減少了油煙對人體造成的傷害。

基于單片機(jī)[2]的家用智能油煙系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了抽油煙，還實(shí)現(xiàn)了智能化抽油煙，并且對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了跟蹤控制，從而最大程度降低能耗，以達(dá)到節(jié)能的目的。此外還配備了火災(zāi)聲光報(bào)警的功能，當(dāng)煙霧濃度或溫度過高時(shí)，油煙機(jī)會發(fā)出警報(bào)，達(dá)到安全預(yù)警的效果。

2 實(shí)施過程

2.1 引導(dǎo)學(xué)生提出思路，進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)

關(guān)于怎么引導(dǎo)，我認(rèn)為需要讓同學(xué)們掌握設(shè)計(jì)構(gòu)思的基本思路，讓學(xué)生明白，設(shè)計(jì)構(gòu)思到底需要想什么，意為想要實(shí)現(xiàn)哪些功能，把大體框架構(gòu)思出來，其次怎么想，意為從細(xì)節(jié)著手，大框架下的小模塊具體通過哪些東西來實(shí)現(xiàn)。

基于這方面的思考，同學(xué)們建議可以讓該系統(tǒng)主要分為檢測和控制部分，煙霧檢測[3-6]電路模塊、溫度檢測電路模塊三個(gè)部分為檢測部分，該系統(tǒng)的控制部分主要包括按鍵電路模塊、單片機(jī)IAP15F2K61S2、蜂鳴器聲音報(bào)警電路模塊、LCD顯示電路模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 基于AT89S51微處理器的系統(tǒng)原理圖

單片機(jī)通過對檢測信號的采集，對于污染大且溫度較高的油煙使用熱敏性傳感器來檢測，對于危險(xiǎn)系數(shù)大且溫度低的燃?xì)鈱⑹褂脷饷粜詡鞲衅鱽頇z測。當(dāng)廚房里的有害氣體或者油煙達(dá)到傳感器可檢測到的值時(shí)，傳感器會將采集到的信號送入單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)分析后會使控制電機(jī)啟動的電路和聲音報(bào)警電路同時(shí)啟動，有害氣體會被抽油煙機(jī)馬上抽走，從而確保廚房的環(huán)境安全。該設(shè)計(jì)設(shè)置有定時(shí)的功能，可以設(shè)置抽油煙機(jī)的工作時(shí)間長度，從而實(shí)現(xiàn)智能抽油煙的功能。

在機(jī)械部分，芯片采用宏晶科技有限公司出品的IAP15F2K61S2芯片作為核心的微型控制器，它具有清晰度、安全系數(shù)高、抗性高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。此外選用DS18B20為數(shù)字傳感器，采集到的信息從單線接口輸入DS18B20或者從DS18B20輸出，因此從控制核心AT89S52單片機(jī)到溫度傳感器DS18B20僅僅只需要用一條線進(jìn)行連接。由于讀寫控制段、可進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換的電源數(shù)據(jù)線是自己提供的，所以也不需要額外的電源。

此外，我們還應(yīng)用了MQ-2煙霧傳感器，它具有靈敏度高、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。煙霧傳感器的電阻值會隨著氣體的種類和濃度變化而發(fā)生變化，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率就會越大，輸出電阻阻值就越低，輸出的模擬信號就越大。檢測裝置主要是通過對產(chǎn)生油煙的壓力進(jìn)行檢測判斷，達(dá)到風(fēng)機(jī)工作的額定值時(shí)，風(fēng)機(jī)便會開始工作，進(jìn)而完成凈化。

2.2 培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思路，進(jìn)行創(chuàng)新性研究

在指導(dǎo)過程中培養(yǎng)同學(xué)們的創(chuàng)新意識也很重要，創(chuàng)新不是空中樓閣，所有的創(chuàng)新都是基于一定的理論和技術(shù)支撐的，因此，在構(gòu)思后，我們搜索了大量的文獻(xiàn)資料，我們發(fā)現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，人們對家居生活需要也逐漸增加，所以大家也越來越關(guān)注食物的安全和健康問題。人們對油煙機(jī)性能[7]的要求也不斷加強(qiáng)。目前的家電市場上有許多可以手動調(diào)節(jié)換擋位的抽油煙機(jī)[8]，這些油煙機(jī)可以將在廚房烹飪時(shí)產(chǎn)生的致癌氣體和油煙氣體抽走，具有高速擋位、低速擋位和燈光照明的功能。但還是會產(chǎn)生一些不好的影響，例如在使用過程中，油煙機(jī)會產(chǎn)生許多不必要的能源浪費(fèi)且無法預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生，而這一問題就是新型油煙機(jī)所要解決的。所以，本設(shè)計(jì)要在傳統(tǒng)抽油煙機(jī)的功能基礎(chǔ)上，增加跟蹤煙霧濃度調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和火災(zāi)聲光報(bào)警等功能。主要通過煙霧傳感器來及時(shí)檢測油煙機(jī)產(chǎn)生煙霧的濃度，通過ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理傳送給單片機(jī)，再與設(shè)定的閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)對比后進(jìn)行處理，再利用脈寬調(diào)制，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)脈沖寬度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的電壓輸出，對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而可最大程度使得能耗降低，這樣就可以滿足節(jié)能環(huán)保的目的。此外還配備了火災(zāi)聲光報(bào)警的功能，當(dāng)煙霧濃度或溫度過高的時(shí)候，油煙機(jī)自動地發(fā)出報(bào)警，達(dá)到安全預(yù)警的效果。為了滿足使用者的需求，還配有風(fēng)扇定時(shí)運(yùn)行的功能。

全國許多城市都已普及家用電器，但是有很大一部分家電在節(jié)能方面還有待改進(jìn)，因此該設(shè)備的市場應(yīng)用前景是很可觀的。

2.3 鼓勵學(xué)生動手實(shí)踐，進(jìn)行難題解決

團(tuán)隊(duì)成員通過分工合作進(jìn)行實(shí)踐。油煙凈化系統(tǒng)由四個(gè)部分組成：風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機(jī)、油煙凈化裝置、油煙檢測裝置、油煙收集裝置和發(fā)生器。油煙控制裝置可以通過從檢測系統(tǒng)和凈化系統(tǒng)中獲得信號，然后進(jìn)行控制和操作風(fēng)量調(diào)節(jié)閥和風(fēng)機(jī)。我們根據(jù)系統(tǒng)所需要的采樣點(diǎn)來設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)，由于凈化油煙是油煙凈化系統(tǒng)的主要目的，所以油煙凈化設(shè)備是油煙凈化系統(tǒng)最重要的部分。

我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的油煙凈化設(shè)備只是可以減少油煙中的致癌物質(zhì)，離完全凈化油煙還相差甚遠(yuǎn)。雖然當(dāng)前的油煙凈化設(shè)備在工作后對環(huán)境造成的污染較小，可是目前由于技術(shù)不過關(guān)，所以需要對油煙凈化技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)，在探索改進(jìn)過程中達(dá)到油煙的完全凈化是至關(guān)重要的。

因此，為了可以凈化油煙，減少廚房油煙對空氣產(chǎn)生的污染，與同學(xué)們商量后我們打算通過控制風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)油煙的排出流量。如圖2所示是油煙凈化系統(tǒng)的原理圖，我們根據(jù)原理圖進(jìn)行實(shí)踐。

圖2 油煙凈化系統(tǒng)的原理圖

2.4 分析最終實(shí)踐結(jié)果

本系統(tǒng)使用C語言高級語言進(jìn)行編程，AutoCAD繪圖軟件進(jìn)行相關(guān)圖的平面繪制和proteus進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，主要的程序一共包含五個(gè)方面，通完電的系統(tǒng)先開始初始化，在完成溫度和氣體濃度的采集后再對溫度和氣體濃度進(jìn)行處理[9]、處理完后開始數(shù)據(jù)顯示、最后實(shí)施鍵盤處理功能。濃度測試段主要通過傳感器來進(jìn)行檢測，溫度和氣體濃度數(shù)據(jù)的采集任務(wù)是溫度和氣體濃度采集部分主要完成的；溫度和氣體濃度的處理部分主要是把我們收集到的濃度和溫度數(shù)據(jù)樣本與此次設(shè)計(jì)設(shè)定的上限溫度和上限氣體濃度值進(jìn)行比較，比較處理完后再看看是不是超過了設(shè)定上限值，如果超過上限那么蜂鳴器就會發(fā)出聲音報(bào)警；數(shù)據(jù)顯示部分的作用顧名思義是實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的顯示，顯示部分分為有固定顯示和根據(jù)設(shè)計(jì)要求所設(shè)置的一到四個(gè)溫度參考點(diǎn)的輪流循環(huán)顯示；鍵盤處理部分可用于用戶對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的實(shí)現(xiàn)，將這兩個(gè)部分結(jié)合起來，就可以將人與系統(tǒng)間建立聯(lián)系，從而提高人們對信息系統(tǒng)的應(yīng)用水平。

系統(tǒng)主控機(jī)的設(shè)計(jì)包括油煙和煤氣濃度檢測程序、油煙溫度檢測程序、中斷鍵盤掃描程序、蜂鳴器中斷報(bào)警[10-11]服務(wù)程序和LED顯示程序，選擇設(shè)備號的同時(shí)發(fā)送命令，處理并顯示采集到的數(shù)據(jù)是其重點(diǎn)任務(wù)。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志位是低電平時(shí)，系統(tǒng)是否工作會由開關(guān)控制；當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志位是高電平時(shí)，系統(tǒng)檢測則會自動運(yùn)行。

首先，我們先對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后發(fā)現(xiàn)開機(jī)界面顯示了出來。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志位為高電平時(shí)，系統(tǒng)開始運(yùn)行；當(dāng)P3.0引腳等于0時(shí)，電機(jī)就會開始工作，在工作過程中，如果將工作時(shí)間設(shè)置成120秒，那么程序就會結(jié)束并且返回到初始狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)志位為低電平時(shí)，油煙工作系統(tǒng)就會受到開關(guān)的控制，是開/關(guān)S1控制的。例如，當(dāng)開關(guān)S1被按下，此時(shí)電機(jī)就處于啟動狀態(tài)，進(jìn)而開始工作。與我們設(shè)想的結(jié)果一樣，實(shí)踐成功。

3 進(jìn)行師生交流，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)分享成果

在實(shí)踐完成后再與同學(xué)們分享心得，例如對煙壓力的檢測通常是通過壓力傳感器[12]來實(shí)現(xiàn)的，壓力傳感器可以將感知到的壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，可是電信號是很微弱的，那么我們要怎么消除這個(gè)難題呢？大學(xué)生在《模擬電子技術(shù)》中學(xué)過放大電路，將所學(xué)的理論知識和實(shí)踐中的困難聯(lián)系起來，就可以接入一個(gè)放大電路，再轉(zhuǎn)化成模擬電壓輸出，并且同時(shí)將信號傳導(dǎo)到電氣控制裝置。從這次實(shí)踐中我們學(xué)到，當(dāng)我們遇到挫折時(shí)，要從多個(gè)方面去思考問題，把問題看得全面、周全了，再靜下心來開拓我們思維的維度，看看是否能從其他方面著手，思維不要受到限制，再去解決問題。

通過此次項(xiàng)目的研究，大家互相交流合作。同學(xué)們了解到想要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的項(xiàng)目首先需要構(gòu)思一個(gè)大體的內(nèi)容框架，這樣就有了目標(biāo)，以便有針對性地完成各個(gè)部分的詳細(xì)計(jì)劃。在進(jìn)行實(shí)踐的過程中，更重要的是耐心和細(xì)心，遇到挫折也不要萎靡，要善于利用所學(xué)的知識去克服它，最后圓滿完成實(shí)踐。

4 結(jié)語

擁有自我創(chuàng)新的意識和能力是人綜合能力的外在表現(xiàn)，高度整合的知識、不斷求索的決心和個(gè)性化的思想是其基礎(chǔ)。在參加節(jié)能減排競賽的過程中，教師通過指導(dǎo)學(xué)生完成智能油煙系統(tǒng)，增強(qiáng)了同學(xué)們的節(jié)能減排意識，同時(shí)開發(fā)了同學(xué)們的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力。

在知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代，知識的增速在加快，知識的淘汰周期在不斷縮短，知識的轉(zhuǎn)換速度在飆升。在這種情況下，對所學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行選取、歸并、轉(zhuǎn)化和應(yīng)用是非常重要的。因此，如何引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識創(chuàng)造新的果實(shí)是教師們不斷追尋的目標(biāo)。