基于家用插排溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置的設(shè)計(jì)

劉琛一 蘭依依 熊博文 湯德浩 付 帥

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 民航學(xué)院，河南 鄭州450046）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和科技的進(jìn)步, 人們生活水平的提高,各類家電產(chǎn)品已經(jīng)得到普及。家用電器增加的同時(shí)，家用電插排的安全問題隨著其使用數(shù)量及頻率的增加而日益突出，據(jù)統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)事故中有30%以上是由電氣火災(zāi)引起的，其中插排是主要誘因，因此，如何借助新的技術(shù)手段提高插板安全水平成為當(dāng)今社會(huì)亟待解決問題之一。

為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于家用插排溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，該裝置輔以K 型熱電偶、MAX6675 熱電偶模塊、蜂鳴器、RGB 指示燈等低成本裝置,借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)插排線路溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、通過閾值設(shè)定開展分級(jí)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控及發(fā)出警報(bào)的功能。該產(chǎn)品可以降低其因自身危險(xiǎn)性給人帶來風(fēng)險(xiǎn)的概率，對(duì)于預(yù)防家電火災(zāi)事故，保障人們生命安全與財(cái)產(chǎn)損失具有重要意義。

1 裝置設(shè)計(jì)框架

從插排使用安全性、實(shí)用性的角度出發(fā)，利用單片機(jī)的可編程性為一體，實(shí)現(xiàn)了對(duì)插排的實(shí)時(shí)監(jiān)控。故整個(gè)設(shè)計(jì)方案以Arduino 單片機(jī)作為主控制器，在溫度測(cè)量、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、弱電流控制強(qiáng)電流開關(guān)等方面也有相應(yīng)的控制元件，當(dāng)裝置被連接時(shí),屏幕顯示時(shí)間、實(shí)時(shí)溫度及設(shè)定的溫度上限閾值，整體框架如圖1所示：

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)框架圖

2 防爆防燃插排硬件裝置

2.1 K 型熱電偶

K 型熱電偶是一種能測(cè)量較高溫度的廉價(jià)熱電偶，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用，可以直接測(cè)量各種生產(chǎn)中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量精度高、熱響應(yīng)時(shí)間快、測(cè)量范圍大等特點(diǎn)。

2.2 MAX6675 數(shù)字轉(zhuǎn)換器

MAX6675 是美國(guó)Maxim 公司推出的帶有線性校正、冷端補(bǔ)償、信號(hào)放大等特性的K 型熱電偶轉(zhuǎn)換器。它擁有簡(jiǎn)單的3 位SPI 串行接口以及12 位0.25℃的分辨率，冷端補(bǔ)償范圍為-20-80℃、測(cè)溫范圍為0℃-1023.75℃。MAX6675 在使用時(shí)能夠迅速且精確地把K 型熱電偶獲取的溫度信號(hào)模擬量轉(zhuǎn)換為12bit 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，且將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)。MAX6675 引腳排列如圖2。

圖2 MAX6675 引腳圖

2.3 Arduino-UNO-Rev3 開發(fā)板

Arduino 是一款基于ATmega328P 的微控制器板。它有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，6 個(gè)模擬輸入，16MHz 晶振時(shí)鐘，USB 連接，電源插孔，ICSP 接頭和復(fù)位按鈕。只需要通過USB 數(shù)據(jù)線連接電腦就能供電、程序下載和數(shù)據(jù)通訊，其電路圖如圖3 所示。

2.4 其他硬件裝置

此外, 該裝置還包含蜂鳴器模塊、RGB 小燈、電流繼電器、SSD1306-OLED 顯示屏等裝置。

3 插排溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

插排過載最熱點(diǎn)及閾值測(cè)定實(shí)驗(yàn):

圖3 Arduino-UNO-Rev3 電路圖

為了準(zhǔn)確設(shè)定閾值，提高裝置數(shù)據(jù)的精確性，通過實(shí)驗(yàn)方式，分別分析插排內(nèi)外線路在過載工作狀態(tài)下溫度變化趨勢(shì)。測(cè)量裝置由溫度采集模塊、可調(diào)功率變阻箱、PC 機(jī)等組成。

3.1 最熱點(diǎn)測(cè)定

實(shí)驗(yàn)選取額定功率為3000W 家用插排，維持室溫為25℃恒定，調(diào)節(jié)變阻箱到3800W，使其遠(yuǎn)超出插排正常工作額定功率，插排內(nèi)部零線處固定K 型熱電偶，觀察插排狀況，插排內(nèi)部線路溫度變化趨勢(shì)如圖4 所示：

圖4 實(shí)際功率3800W 溫度曲線圖

實(shí)驗(yàn)開始，插板內(nèi)零線溫度均快速升高，可觀察到有白煙從插排內(nèi)部冒出，并伴隨插排絕緣材料燒焦異味，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至5分鐘時(shí)，插排發(fā)生自燃，內(nèi)部零線被燒斷，絕緣外殼遭到損毀。易得出插排內(nèi)部零線為過載工作最熱點(diǎn)。

3.2 溫度閾值設(shè)置

溫度閾值設(shè)定實(shí)驗(yàn)條件與之前保持完全一致，為充分觀察內(nèi)部零線溫度趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)選擇將變阻箱功率至3200W，將K 型熱電偶觸頭插入插排內(nèi)部零線并與其固定，其溫度變化趨勢(shì)如圖5 所示。

由圖5 可觀察到，經(jīng)前期短暫維持室溫后，插排內(nèi)部線路溫度持續(xù)上升，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第10 分鐘，溫度達(dá)到65℃，且速率放緩；當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第23 分鐘，溫度顯示達(dá)到70℃并在4 分鐘內(nèi)基本維持恒定，此時(shí)觀察到插排有絕緣材料燒焦異味，白煙持續(xù)由插板內(nèi)部冒出，同時(shí)插板外部線路發(fā)熱變軟，橡膠表皮發(fā)黃，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至第28 分鐘，插排內(nèi)部線路熔斷起火且功能性失效，塑料外殼被燒穿，溫度再次快速上升。

圖5 實(shí)際功率3200W 溫度曲線圖

通過分析插排內(nèi)部溫度變化趨勢(shì)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以科學(xué)地設(shè)置分級(jí)閾值溫度：根據(jù)公式Q=I2Rt，插排在正常功率工作狀態(tài)下，放出熱量與工作時(shí)間呈正相關(guān)，在室溫恒定情況下，溫差越高，散熱越快。當(dāng)插排內(nèi)部溫度達(dá)到65℃時(shí)，溫度增長(zhǎng)速度明顯放緩，說明此時(shí)產(chǎn)熱量與散熱量基本平衡，插排溫度基本達(dá)到正常工作極限，故將65℃設(shè)定為二級(jí)預(yù)警溫度，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出間斷警報(bào)聲，RGB 小燈閃爍黃燈，以警示用戶插排臨近危險(xiǎn)狀態(tài)；當(dāng)插排內(nèi)部線路達(dá)到70℃時(shí)插排已處于極度危險(xiǎn)狀態(tài)，即將發(fā)生燃燒，故將70℃設(shè)置為一級(jí)預(yù)警溫度，蜂鳴器發(fā)出急促警報(bào)聲，RGB 小燈閃爍紅燈，提醒用戶需立即采取措施。

4 結(jié)論

4.1 基于家用插排長(zhǎng)時(shí)間使用的自身危險(xiǎn)性，為了更加有效的防止其事故發(fā)生，本文提出了一款基于家用插排溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，利用K 型熱電偶，MAX6675 數(shù)字轉(zhuǎn)換器有效地對(duì)插排工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4.2 通過實(shí)驗(yàn)尋找到插排過載工作的最熱點(diǎn)部位，通過繪制溫度變化曲線圖，結(jié)合插排實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，設(shè)置了科學(xué)合理的閾值溫度。

4.3 產(chǎn)品各元器件性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠、成本低廉，實(shí)現(xiàn)對(duì)插排工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、聲光雙重報(bào)警及分級(jí)預(yù)警功能，有效的起到了警示用戶的作用，降低了插排在負(fù)載過大的情況下所易導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，大幅延長(zhǎng)插排使用壽命，提升產(chǎn)品安全性能。起到了有效的警示效果。