適合老齡家居的煤氣灶智能防燒干報(bào)警智能裝置

摘要：隨著城市的發(fā)展，老齡化程度進(jìn)一步提高，獨(dú)居老年人越來(lái)越多，所以老人用燃?xì)庠顭畷r(shí)的安全問(wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。煤氣灶支架上安裝熱電偶溫度傳感器，通過(guò)精確感應(yīng)容器底部溫度來(lái)判斷是否為干鍋狀態(tài)。然后通過(guò)節(jié)流電磁閥來(lái)關(guān)閉燃?xì)?。?dāng)灶具出現(xiàn)異常時(shí)，燃?xì)庠钜矔?huì)開(kāi)啟自動(dòng)斷氣功能，完成自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)斷開(kāi)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(guān)鍵詞：防干燒;單片機(jī);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(hào)：TP732? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2018）36-0135-03

1? 項(xiàng)目背景

根據(jù)聯(lián)合國(guó)最新的人口數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，在以后的30年里，中國(guó)人口老齡化將呈現(xiàn)加速發(fā)展態(tài)勢(shì)，60歲及以上人口占比將年均增長(zhǎng)16.55%，2040年60歲及以上人口占比將達(dá)28%左右，到2050年，60歲及以上老人占比將超過(guò)30%，社會(huì)進(jìn)入深度老齡化階段。

隨著老齡化程度的逐步提高，獨(dú)自生活的老年人越來(lái)越多，老人們用燃?xì)庠顭陌踩珕?wèn)題也越來(lái)越引起人們的關(guān)注。目前雖然市場(chǎng)上陶瓷爐、電磁爐、電燉鍋品種繁多，但老年人還是習(xí)慣使用煤氣灶，在使用過(guò)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(guān)火導(dǎo)致燒干鍋的經(jīng)歷，這往往會(huì)因此引發(fā)不必要的事故。該項(xiàng)目就是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，通過(guò)報(bào)警裝置的提醒和自動(dòng)斷開(kāi)燃?xì)庠畹谋Ｗo(hù)，有了這個(gè)裝置，老齡人可以安全家居，不必?fù)?dān)心使用煤氣灶的安全問(wèn)題，已成功申請(qǐng)了實(shí)用新型專利。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及功能

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

本項(xiàng)目目標(biāo)旨設(shè)計(jì)一款適合老齡家居的煤氣灶智能防燒干報(bào)警智能裝置系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在容器內(nèi)的水燒干后自動(dòng)報(bào)警提醒，持續(xù)狀態(tài)異常，斷開(kāi)燃?xì)?，能夠?yàn)槔先藗儼踩褂萌細(xì)庠钐峁┍Ｕ稀?/p>

老齡居家煤氣灶智能防燒干報(bào)警裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求通過(guò)對(duì)燒水容器底部溫度的測(cè)量，顯示容器底部溫度，判斷容器是否干燒，并自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)而控制燃?xì)庠顨饴贰?/p>

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能

老齡居家煤氣灶智能防燒干報(bào)警裝置系統(tǒng)要求能夠具備以下主要功能：

①利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)智能化;

②系統(tǒng)具有準(zhǔn)確溫度測(cè)量，具有溫度顯示的功能;

③當(dāng)處于干鍋時(shí)溫度高于設(shè)定值，具有報(bào)警提示功能，同時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉電磁閥，斷開(kāi)煤氣;

④具有烹調(diào)定時(shí)等擴(kuò)展功能。通過(guò)溫度、時(shí)間的控制可以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)定時(shí)功能，減輕老人烹飪壓力。

3? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

老齡居家煤氣灶智能防燒干報(bào)警裝置系統(tǒng)是利用傳感器感應(yīng)容器底部外壁的溫度變化，來(lái)判斷容器內(nèi)水分是否燒干，我們?cè)O(shè)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(jìn)行溫度顯示;

②溫度高于102±2℃，溫度低于140℃，為水開(kāi)溫度，進(jìn)行報(bào)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?xì)庠钌戏降募茏由?，與容器底部外壁緊密接觸，此時(shí)測(cè)量的溫度既是燒水壺的溫度。傳感器測(cè)量的容器外壁溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D采樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)計(jì)算判斷容器內(nèi)水分是否燒干，從而控制報(bào)警器和電磁閥，以確定是否進(jìn)行報(bào)警處理和斷氣保護(hù)。

因此，老齡居家煤氣灶智能防燒干報(bào)警裝置系統(tǒng)主要由溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)、A/D采樣系統(tǒng)、單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)、溫度顯示、報(bào)警及控制系統(tǒng)組成，其硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

3.1 單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

單片機(jī)測(cè)控采為整個(gè)系統(tǒng)的核心，選用價(jià)廉物美，技術(shù)成熟的STC89C52單片機(jī)，使用簡(jiǎn)單，編程方便，可靠性高，故障率低。單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)連接電路中最基本的部分，主要由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘震蕩電路三部分組成。

單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)控制過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單。先將傳感器相應(yīng)溫度點(diǎn)測(cè)量閾值存入單片機(jī)相應(yīng)內(nèi)存中，通過(guò)采集輸入裝置傳感器感電壓信號(hào)，檢測(cè)容器內(nèi)中水溫的變化，判斷溫度范圍，進(jìn)行溫度顯示、溫度報(bào)警或觸發(fā)斷氣控制系統(tǒng)，關(guān)閉燃?xì)庠睢?/p>

3.2 溫度測(cè)試系統(tǒng)

老齡居家煤氣灶智能防燒干報(bào)警裝置系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是溫度的測(cè)量。溫度信號(hào)的精度在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于家用電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品應(yīng)具備經(jīng)久耐用，可靠性高，故障率低的特點(diǎn)，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(cè)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(cè)量精度以及經(jīng)濟(jì)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(dǎo)體絲或半導(dǎo)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(cè)量端;另一端與測(cè)量?jī)x表相連，當(dāng)測(cè)量溫度變化時(shí)，熱電偶輸出電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的大小與溫度變化量成正比，通過(guò)測(cè)量即可推算出所測(cè)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(cè)量溫度在0-1000°C（長(zhǎng)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(cè)量，性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，價(jià)格便宜，便于安裝接線，耐高溫，堅(jiān)固耐用等特點(diǎn)。

在溫度測(cè)量時(shí)，將鎳鉻-鎳硅熱電偶傳感器的溫度測(cè)量端緊貼在燒水容器底端（容器的下部），如果容器內(nèi)有水，容器溫度與水溫接近;如果容器內(nèi)沒(méi)有水，容器溫度將快速升高，容器溫度與干燒時(shí)間不同而不同，溫度高于140°C，持續(xù)1分鐘，說(shuō)明容器內(nèi)無(wú)水，要關(guān)斷燃?xì)狻?/p>

3.3 放大電路設(shè)計(jì)

在溫度測(cè)量電路中，熱電偶溫度傳感器輸出信號(hào)較小，信號(hào)最多不過(guò)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(cè)量，需將溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行放大，再由單片機(jī)進(jìn)行采集。此外，熱電偶輸出信號(hào)為溫差電動(dòng)勢(shì)，是差動(dòng)電壓，是輸出帶有共模信號(hào)的二端電壓，因此放大電路應(yīng)設(shè)計(jì)為差動(dòng)放大器。為了提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)的放大電路應(yīng)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(dòng)儀表放大器，如圖2所示。

差動(dòng)儀表放大器又稱數(shù)據(jù)放大器、橋路放大器，它的信號(hào)是從運(yùn)放的正端輸入，具有較高的輸入阻抗，易于與各種信號(hào)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(hào)相互抵消，可使放大電路溫度誤差較小。

放大器的運(yùn)放選用LM358芯片。LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(diào)電壓，不需要額外的調(diào)零措施。這種低失調(diào)、高開(kāi)環(huán)增益的特性特別適用于放大、轉(zhuǎn)換傳感器的微弱信號(hào)，放大電路的穩(wěn)定性好。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路

單片機(jī)采集的是數(shù)字信號(hào)，需將傳感器輸出信號(hào)經(jīng)放大后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到單片機(jī)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(zhuǎn)換器的采樣轉(zhuǎn)換精度應(yīng)高于傳感器精度。8位的A/D轉(zhuǎn)換器理論本精度為1/256，約為0.4%，如果疊加上系統(tǒng)轉(zhuǎn)換誤差，將不能滿足系統(tǒng)精度要求。因此為了溫度信號(hào)采集的精度，可選用10 位的A/D轉(zhuǎn)換器，因?yàn)橄到y(tǒng)中有三個(gè)溫度傳感器，一個(gè)位移傳感器，可選擇較為經(jīng)濟(jì)的4通道A/D轉(zhuǎn)換器。

本系統(tǒng)最終選擇AD7864-2A/D轉(zhuǎn)換器，它是一款高速、低功耗、4通道、12位同時(shí)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，供電電源為+5 V單電源，其內(nèi)置一個(gè)1.65 微秒，逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部自帶2.5 V基準(zhǔn)電壓源、信號(hào)調(diào)理電路和一個(gè)高速并行接口。4個(gè)通道上的輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，可保留4個(gè)模擬輸入上的信號(hào)相對(duì)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(shè)計(jì)要求。AD7864-2A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入均具有過(guò)壓保護(hù)，不會(huì)損壞器件或影響正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)電路組成。電磁閥采用選用12V直流電磁閥，便于安裝、使用，價(jià)格便宜。

單片機(jī)輸出的高低電平來(lái)控制煤氣切斷裝置開(kāi)啟。單片機(jī)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(qū)動(dòng)接口電路才能滿足控制要求。設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)P2口輸出控制信號(hào)，由三極管Q2驅(qū)動(dòng)，使繼電器K線圈得電，繼電器的常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，電磁閥控制線路通電，可以關(guān)閉閥門，切斷天然氣氣路。如圖3表示。

3.6 報(bào)警模塊

聲光報(bào)警裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)音樂(lè)和閃爍燈光進(jìn)行報(bào)警。在100°C時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)音樂(lè)芯片，采用柔和的音樂(lè)提示，告知用戶水已經(jīng)燒開(kāi);當(dāng)溫度處于異常高溫時(shí)，單片機(jī)觸發(fā)聲光報(bào)警，可以提醒老年人及時(shí)關(guān)火;如果持續(xù)測(cè)得容器底部溫度過(guò)高，說(shuō)明容器內(nèi)水已經(jīng)燒干，單片機(jī)觸發(fā)聲光報(bào)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(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)沒(méi)有難點(diǎn)。MCS-52系列單片機(jī)實(shí)時(shí)采集經(jīng)放大的傳感器信號(hào)，測(cè)量出電壓值，計(jì)算出溫度值，判斷當(dāng)前溫度的狀態(tài)，輸出控制信號(hào)。

軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。首先，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，三路溫度傳感器測(cè)量容器的溫度，經(jīng)過(guò)A/D采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行溫度判斷，若是低溫，則重新采樣，若是高溫，則發(fā)出報(bào)警信號(hào);當(dāng)溫度持續(xù)高于140℃時(shí)，單片機(jī)經(jīng)計(jì)算輸出高電平，繼電器得電，電源開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，直流電磁閥工作，切斷煤氣供氣。

5? 結(jié)論

利用本系統(tǒng)技術(shù)制作的智能燃?xì)庠畈捎梅栏蔁夹g(shù)和溫度探頭，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)容器干燒狀態(tài);可以在開(kāi)火之后自動(dòng)檢測(cè)有無(wú)鍋具，開(kāi)火達(dá)到一定時(shí)間如果一直沒(méi)有放置鍋具，燃?xì)庠罹蜁?huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止空燒隱患。

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的煤氣報(bào)警自動(dòng)關(guān)閉不同，采用在煤氣灶支架上安裝熱電偶溫度傳感器，通過(guò)精確感應(yīng)容器底部溫度來(lái)判斷是否為干鍋狀態(tài)。然后通過(guò)節(jié)流電磁閥來(lái)關(guān)閉燃?xì)?。?dāng)灶具出現(xiàn)異常時(shí)，燃?xì)庠钜矔?huì)開(kāi)啟自動(dòng)斷氣功能。在烹飪過(guò)程中，由于強(qiáng)風(fēng)或其他特殊原因造成火苗被撲滅的現(xiàn)象時(shí)，智能燃?xì)庠顣?huì)及時(shí)切斷氣源，防止燃?xì)庑孤对斐晌ｋU(xiǎn)。

本系統(tǒng)留有端口，可以進(jìn)行功能擴(kuò)展。增加煤氣泄漏報(bào)警，可以通過(guò)CO傳感器采集環(huán)境中的CO濃度進(jìn)行報(bào)警。增加烹調(diào)定時(shí)功能，通過(guò)溫度、時(shí)間的控制可以實(shí)現(xiàn)烹調(diào)定時(shí)功能，減輕老人烹飪壓力。

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