基于單片機(jī)控制的智能灶具的設(shè)計(jì)

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?xì)庠罹叩闹鸩狡占?家用燃?xì)庠罹咦鳛橐环N生活必需品已進(jìn)入了千家萬(wàn)戶(hù),同時(shí)消費(fèi)者對(duì)家用燃?xì)庠罹叩陌踩?、耐用性、方便性、美觀性等各個(gè)方面也越來(lái)越重視。家用燃?xì)庠罹哔|(zhì)量的好壞不僅影響人們的日常生活,而且質(zhì)量差的燃?xì)庠罹咭滓l(fā)人身傷害事故。目前我國(guó)燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品的技術(shù)含量普遍不高,自動(dòng)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(guó)灶具的安全性能并不能令人完全滿(mǎn)意。2007年我國(guó)發(fā)布的《家用燃?xì)庠罹摺穱?guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)中［2］，只規(guī)定了灶具熄火自動(dòng)停氣裝置以及炊具溫度達(dá)到300℃以上時(shí)自動(dòng)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(dá)到300℃時(shí)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(diǎn)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(huì)釋放出有毒有害物質(zhì)[3]，嚴(yán)重危害家庭健康。由此可見(jiàn)現(xiàn)有灶具安全裝置仍有改進(jìn)的必要性，因此設(shè)計(jì)了一套基于人員活動(dòng)檢測(cè)和灶具火焰檢測(cè)雙重判據(jù)的防干燒報(bào)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(cè)裝置相配合，可以進(jìn)一步提高灶具的安全性能。

1 設(shè)計(jì)思路

灶具干燒都是由于用戶(hù)離開(kāi)廚房時(shí)忘記關(guān)火而引起的，因此，當(dāng)廚房無(wú)人，灶具處于開(kāi)啟狀態(tài)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)發(fā)出防干燒警報(bào)，而用戶(hù)在廚房進(jìn)行操作時(shí)基本處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持靜止不動(dòng)，因此可以用一個(gè)距離傳感器來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)檢測(cè)：如果測(cè)得距離參數(shù)在不斷變化，說(shuō)明廚房?jī)?nèi)有人；如果距離參數(shù)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有變化，就說(shuō)明廚房處于無(wú)人監(jiān)管狀態(tài)，如果廚房處于無(wú)人狀態(tài)，且火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到灶具處于加熱狀態(tài)，則計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超過(guò)預(yù)設(shè)時(shí)間后系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，它也可以通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)灶臺(tái)火力的控制，最后把灶臺(tái)的各個(gè)模塊的工作狀態(tài)及其火力大小進(jìn)行顯示，其設(shè)計(jì)原理圖如圖1。

圖1 設(shè)計(jì)原理圖

2 基于單片機(jī)控制的智能灶具硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器的選型

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作，加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，本設(shè)計(jì)的處理器部分采用了Arduino開(kāi)發(fā)套件。Arduino是一款開(kāi)源的電子設(shè)計(jì)原型平臺(tái)，具有豐富的庫(kù)函數(shù)，可以簡(jiǎn)單、快速、敏捷地完成小型電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，這里使用的是Arduino UNO開(kāi)發(fā)板，如圖2所示。

圖2 Arduino UNO

2.2 溫度傳感模塊的設(shè)計(jì)

溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶價(jià)格低廉，耐高溫，且根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)在市場(chǎng)上的燃?xì)庠罹叨及惭b有熄火自動(dòng)停氣裝置，該裝置就是用熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)燃?xì)庠钍欠裣ɑ鸬?。采用熱電偶作為溫度傳感器，一方面可以方便地整合進(jìn)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(cè)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(kāi)，不需要測(cè)出灶頭的絕對(duì)溫度。因此測(cè)溫電路不需要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，進(jìn)一步簡(jiǎn)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(guò)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(shí)際測(cè)試試驗(yàn)，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(jì)

目前市場(chǎng)上常見(jiàn)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(zhǎng)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(jià)格低廉，技術(shù)成熟，耐用性好，完全可以滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)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(cè)距上限可達(dá)4.5m，測(cè)距角度15°，測(cè)量范圍能夠覆蓋常見(jiàn)廚房格局及尺寸。且該模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，僅有4個(gè)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(cè)距時(shí)，只需向2腳輸入一個(gè)高電平（持續(xù)時(shí)間大于10μs），模塊就會(huì)開(kāi)始測(cè)距，并通過(guò)3腳返回一個(gè)高電平，其持續(xù)時(shí)間正比于測(cè)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(jì)

顯示模塊的作用是顯示智能灶具的各個(gè)硬件的工作狀態(tài)和灶臺(tái)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(shí)顯示16x02即32個(gè)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(jī)控制的智能灶具的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后循環(huán)檢測(cè)溫度傳感器，當(dāng)檢測(cè)到灶具點(diǎn)燃時(shí)打開(kāi)計(jì)時(shí)器，并控制距離傳感器循環(huán)測(cè)距。如果兩次測(cè)得的距離與上一次測(cè)得的距離值的差絕對(duì)值大于10cm，就認(rèn)為廚房?jī)?nèi)有人正在操作，將計(jì)時(shí)器清零后開(kāi)始下一次測(cè)距。如果測(cè)得的距離與上次測(cè)得的測(cè)量值差的絕對(duì)值小于10cm，則認(rèn)為廚房?jī)?nèi)無(wú)人，保持計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)計(jì)時(shí)器的累加值大于設(shè)定的閾值后，處理器控制蜂鳴器報(bào)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(jì)條件下自動(dòng)報(bào)警，防止用戶(hù)因忘記關(guān)閉灶具而導(dǎo)致灶具干燒。且造價(jià)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(hù)、炊具溫度檢測(cè)等保護(hù)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(hù)自行輸入觸發(fā)報(bào)警的無(wú)人時(shí)間閾值，以滿(mǎn)足用戶(hù)煲湯、燜飯等長(zhǎng)時(shí)間加熱的需求。