基于STC單片機的廚房智能安全管控系統的設計

覃園芳++蔡文宏++李國有++陸天鉑++黃光旭++鄭俊鵬++李惠添

摘 要：廚房是家庭存在安全隱患最大的地方。人們經常會因為粗心而做出各種操作錯誤，又或者由于管道泄漏等原因從而造成火災甚至爆炸，給家庭及鄰居帶來災難性危害。而現有的產品僅在檢測漏氣后發出警報，而不能做出相應的處理。針對這種情況，我們在此基礎上利用STC12C5A60S2單片機、溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制等設計出一種新型報警系統，它通過傳感器網絡實現實時監測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數據判斷是否發生火災或燃氣泄漏，然后做出相應的動作（如關閉煤氣閥門）從而及時化解危險，保證廚房安全。

關鍵詞：STC單片機；廚房安全；硬件設計；軟件設計

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

在當今經濟高速發展的社會中，隨著人們生活水平日益提高，人們對自身所處的安全環境越來越重視，家庭廚房安全已成為當今小康之家優先考慮的問題，日常生活中，人們經常在廚房中使用液化氣、煤氣作為燃料，但是這些氣體有害且易爆炸，安全隱患大。首先經常會因為操作錯誤或管道密封不好而出現漏氣現象；其次若氣體泄漏時不能及時被發現和處理或泄漏氣體遇明火發生爆炸，都會給家庭及鄰居帶來災難性危害。因此，提出一種新型報警系統，它通過傳感器網絡實現實時監測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數據判斷是否發生火災或燃氣泄漏，然后做出相應的動作（如關閉煤氣閥門）。如煤氣灶大火持續時間過長，啟動自我保護，關閉煤氣；煤氣灶打開隨即打開煤氣，結束烹飪后半小時自動關閉煤氣。并使報警裝置發出聲音等信號提醒，最終實現對廚房安全隱患的有效監控。現有的產品僅在檢測漏氣后發出警報，該系統將漏氣檢測與隱患的消除結合在一起，不僅能實現該功能，還能夠自動切斷煤氣，及時化解危險。

1.廚房智能安全管控系統功能要求

（1）若大火烹煮時間過長，超過系統規定時間，避免有燒糊風險，該系統會發出警報，提醒用戶，若20s內無人應答，則自動關閉燃氣閥門。

（2）針對人們安全意識不足或者遺忘而沒有關煤氣的情況，該系統實現關火15分鐘后，自動斷掉燃氣源。

（3）若檢測到空氣中可燃性氣體超過安全濃度，會自動斷掉燃氣管道，并發出警報。

（4）若廚房溫度超過安全溫度則會發出警報，若10s內無應答則關閉燃氣管道。

（5）煤氣開關控制通常設置在不易碰觸的地方，該系統把煤氣開關的操作簡化，通過簡單機械開關和無線遙控開關即可控制90度閥門控制，隨手可觸。

（6）針對烹飪計時有要求的用戶，該系統實現燃氣灶打火后自動啟動計時，OLED屏自動顯示當前煤氣灶燃燒時間。

2.系統總體結構設計

該系統采用STC12C5A60S2作為該系統的控制器，加上單片機最小系統模塊，由溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制、控制開關作為輸入，OLED顯示屏、報警器和控制機械手作為輸出。總體結構框圖及模塊間的交互關系如圖1所示。

另外，在系統內部還集成有定時/計數器、串口通信接口以及AD數模轉換等部件，這樣可以讓整個系統的設計都更加的安全、細巧、精準。

3.系統硬件設計

正如如圖1所示，該系統硬件由STC12C5A60S2、溫度傳感器、火焰探測模塊、液化氣檢測模塊、無線控制、控制開關、OLED顯示屏、報警器和控制機械手等模塊組成。下面對該系統的主要功能模塊進行介紹：

（1）溫度傳感器

本系統采用DHT22作為我們智能廚房安全系統溫度檢測。該傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。在具體實現上，采用單總線連接及數據傳輸，圖2給出了該系統里DHT22溫度傳感器與單片機之間的硬件連接示意圖。

（2）氣體傳感模塊

本系統采用MQ-5氣體傳感器作為有害氣體的檢測。該氣體傳感器所使用電導率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號電壓值。再將電壓值輸給單片機，由單片機根據設置初值進行比較并作出反應。圖3給出了該系統里MQ-5氣體傳感器與單片機之間的硬件連接示意圖。

（3）火焰傳感模塊

本系統采用紅外接收傳感器來探索火焰是否存在并傳遞實時的火焰大小。該傳感器可以檢測火焰或者波長在760納米～1100納米范圍內的光源。火焰越大，測試距離越遠。該火焰傳感器采用單總線連接及數據傳輸，具有精準度高和優良的穩定性。不過當使用AO輸出端時須與AD轉換器搭配使用，而AD轉換器與MCU之間則是使用I2C總線傳輸。圖4為火焰傳感器與單片機之間的硬件連接示意圖。

（4）無線控制模塊

系統無線控制部分主要實現無線遙控控制煤氣開關，無線模塊發送端設置一個按鈕，可一鍵發送命令信號，接收端接收到信號后，控制煤氣閥門的開關。如果此時煤氣閥門開，按下按鈕即可關閉煤氣閥門，反之，按下按鈕可打開煤氣閥門。使操作更加及時方便。系統采用433M超再生高頻接收模塊和無線發射模塊，具有收發模塊功耗低，遙控距離長等優點。無線收發模塊配合使用PT2262編碼器與PT2272解碼器，PT2262與PT2272是一種CMOS工藝的低功耗低價格的編碼譯碼電路。芯片具有8位地址位設置引腳，可自由設定地址值，只有當發射芯片跟接收芯片的地址編碼一致，才能實現配對進行發送接收數據，我們使用的發送芯片為PT2272—M6，是一種6位數據輸出的暫存型接收芯片。

（5）機械手模塊

系統通過單片機控制L9110芯片，實現對驅動機械手斷開煤氣，從而實現對廚房安全隱患的有效監控。L9110芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動。圖5為機械手模塊與單片機之間的硬件連接示意圖。

（6）供電模塊

由于機械手的驅動電壓為12V，其他模塊的工作電壓為5V，故設計時采用12V作為系統的工作電壓，采用LM2596實現12V電壓到5V電壓的轉化，具體硬件如圖6所示。

4.系統軟件設計

廚房智能安全管控系統的軟件設計流程圖如圖7所示。首先循環檢測可燃氣體濃度及環境溫度，若超過閾值，則啟動報警并且關閉燃氣閥門，直到按下按鍵解除警報；其次當檢測到有火焰時，啟動烹飪計時，并顯示在顯示屏上，當火焰消失時，停止烹飪計時；同時系統檢測火焰大小是否達到閾值，達到閾值后，計時超過半小時則自動啟動關閉燃氣的操作。最后，當火焰消失后啟動關火計時，若15分鐘內未檢測到火焰，則關閉燃氣閥門。對于無線模塊接收到來自遙控器的信號時，關閉燃氣閥門，該功能采用中斷的形式實現。

結語

本設計包括單片機最小系統電路、各輸入模塊電路、機械手控制電路以及OLED顯示電路。它通過傳感器網絡實現實時監測廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續時間以及記錄烹飪時間等功能，分析傳感器傳回的數據判斷是否發生火災或燃氣泄漏，然后做出相應的動作（如關閉煤氣閥門），并使報警裝置發出聲音等信號提醒，最終實現對廚房安全隱患的有效監控。當數據達到危險界限時會自動切斷煤氣，及時化解危險，保證整個廚房的安全。而且使用者不僅可以通過觀看OLED顯示的數據來安排烹煮，還可以通過無線控制模塊來控制煤氣閥，及其方便。該產品還可以廣泛應用于其他各種需要，如汽車發動機漏油監控、延伸為更大范圍的安全管控例如用電安全、增加功能如自動記錄烹飪時間、連接物聯網，融合互聯網等。此產品將以其設計巧妙、靈活多變、成本低廉、操作簡單、便捷實用、保密安全等優點，擁有廣闊的市場前景和發展空間。

參考文獻

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