智能安全廚房系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王曉慧，黃剛，劉昊東，王鵬

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系，山西太原，030008）

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們進(jìn)入了快節(jié)奏的生活，安全問題在人們身邊越來越突出，并且家中如果老人單獨(dú)生活，由于記憶力衰退，廚房的安全隱患也就劇增，人們往往因?yàn)橹?，忘記關(guān)火，引起火災(zāi)；煤氣沒有完全關(guān)閉，引起煤氣中毒等一系列問題。據(jù)調(diào)查，在2015年 1月至5月就有20起廚房事故的發(fā)生，損壞的財(cái)物不計(jì)其數(shù)，有的甚至還威脅到了人身安全，故針對(duì)此類問題本文設(shè)計(jì)此智能安全廚房系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

廚房安全檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)危險(xiǎn)的感知、處理及信息傳遞。其硬件部分主要由微處理器、AD煙霧采集模塊、溫度煙霧采集模塊、繼電器模塊、液晶顯示系統(tǒng)、按鍵模塊、GSM模塊、聲光報(bào)警提示系統(tǒng)等模塊組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)通過兩個(gè)模塊對(duì)溫度與煙霧濃度進(jìn)行采集，將采集到的所有數(shù)據(jù)以電壓的方式送入單片機(jī)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)部分送入到 12864 顯示屏進(jìn)行顯示，并通過單片機(jī)設(shè)置閾值，當(dāng)濃度或溫度超過閾值時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，并給予同步的安全處理。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 微處理器控制單元

本系統(tǒng)采用的微處理器是8位高性能的單片機(jī)STC89C52RC，該型號(hào)處理器可與51系列單片機(jī)完全兼容，它具有比51系列單片機(jī)更為強(qiáng)大的功能，它的抗干擾能力強(qiáng)以及性能穩(wěn)定性高，可利用的資源比較豐富，有8 KB 的flash存儲(chǔ)容量，512B的RAM容量，時(shí)鐘晶振可達(dá)80MHz，性價(jià)比較高，可在高速低速應(yīng)用場(chǎng)合下均可良好應(yīng)用。

2.2 煙霧傳感器模塊

本系統(tǒng)中的煙霧傳感器選用了型號(hào)為MQ-2氣體煙霧傳感器，它采用的氣敏材料是二氧化錫 (SnO2)，可以用于檢測(cè)到煙霧跟可燃?xì)怏w。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器中的電導(dǎo)率會(huì)隨著可燃?xì)怏w濃度的升高而變大。由于SnO2在清潔空氣中電導(dǎo)率較低，所以 MQ-2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想，并且簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器，圖2是煙霧傳感器模塊電路設(shè)計(jì)圖。

圖2 煙霧傳感器模塊電路

2.3 溫度采集模塊

本系統(tǒng)中的溫度采集主要依靠的是DS18B20溫度采集模塊。DS18B20與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。當(dāng)DSI8B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器中。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃/LSB形式表示。

圖3 溫度采集模塊電路

2.4 GSM模塊

GSM是全球通信系統(tǒng)，與手機(jī)相同，只要插上SIM卡就可以進(jìn)行短信發(fā)送。GSM模塊可以使用文字短信進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，并且與單片機(jī)的串口通訊連接進(jìn)行信息傳遞。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)煙霧與可燃?xì)獾臐舛冗_(dá)到設(shè)定的閾值的時(shí)候，短信會(huì)發(fā)送出“煙霧、可燃?xì)鉂舛瘸瑯?biāo)”。當(dāng)溫度超過閾值的時(shí)候，短信會(huì)發(fā)送出“溫度超標(biāo)”，GSM的模塊電路如圖4所示。

圖4 GSM模塊電路

2.5 按鍵電路

按鍵電路如圖5所示，采用3個(gè)獨(dú)立按鍵。3個(gè)按鍵分別與單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口連接,實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)功能，S2為溫度的預(yù)先值，S3為濃度的預(yù)先值，S4為恢復(fù)初值。

圖5 按鍵電路

3 軟件設(shè)計(jì)

程序主要針對(duì)家庭廚房火災(zāi)進(jìn)行應(yīng)急處理，系統(tǒng)啟動(dòng)以后，煙霧傳感器與溫度傳感器開始工作，GSM模塊與報(bào)警模塊處于待命狀態(tài)，等待單片機(jī)的命令。當(dāng)可燃?xì)怏w、煙霧或者溫度達(dá)到一定濃度時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警，并且檢測(cè)到有煙霧或毒害氣體時(shí)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)排煙的效果，隨后通過GSM模塊發(fā)送短信給主人，主人第一時(shí)間知道后，采取一定措施來防止火災(zāi)繼續(xù)發(fā)生，具體軟件流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與總結(jié)

系統(tǒng)開機(jī)，顯示“welcome”，隨后進(jìn)入顯示內(nèi)容。其中顯示設(shè)置的溫度、煙霧濃度的閾值與當(dāng)前環(huán)境測(cè)量的溫度與煙霧濃度的示數(shù)。

首先我們?cè)O(shè)置溫度20℃，煙霧濃度為15。點(diǎn)燃一炷香放在溫度傳感器旁，顯示溫度上升，當(dāng)達(dá)到20℃時(shí)，聲光報(bào)警，并且手機(jī)收到短信“溫度超標(biāo)”。同時(shí)，我們將未點(diǎn)著的打火機(jī)放在煙霧傳感器處，煙霧濃度示數(shù)上升，當(dāng)達(dá)到15時(shí)，排風(fēng)扇啟動(dòng)，開始散煙，并且手機(jī)收到短信“煙霧濃度超標(biāo)”。當(dāng)上述兩者同時(shí)發(fā)生的時(shí)候，水泵也會(huì)啟動(dòng)進(jìn)行灑水，并且手機(jī)短信提醒“廚房可能發(fā)生火災(zāi)”。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

以上智能廚房安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以STC89C52為核心控制器，通過煙霧傳感器、溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，通過對(duì)軟件參數(shù)的修改達(dá)到了對(duì)廚房預(yù)知危險(xiǎn)情況的測(cè)定，并配合使用的外圍自處理系統(tǒng)完成了對(duì)預(yù)知危險(xiǎn)的自我處理，最終實(shí)現(xiàn)了智能控制。在今后的設(shè)計(jì)中，可通過加入紅外防盜系統(tǒng)，并將此智能廚房安全系統(tǒng)應(yīng)用到智能家居或普通生活中。

說明：本論文基于2018年iCAN國際創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，該系統(tǒng)在本次比賽獲得華北地區(qū)分賽區(qū)選拔賽二等獎(jiǎng)。