智能安全廚房系統設計

王曉慧，黃剛，劉昊東，王鵬

（太原工業學院電子工程系，山西太原，030008）

0 引言

隨著社會的發展，人們進入了快節奏的生活，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，人們往往因為著急，忘記關火，引起火災；煤氣沒有完全關閉，引起煤氣中毒等一系列問題。據調查，在2015年 1月至5月就有20起廚房事故的發生，損壞的財物不計其數，有的甚至還威脅到了人身安全，故針對此類問題本文設計此智能安全廚房系統。

1 系統設計方案

廚房安全檢測系統實現了對危險的感知、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、按鍵模塊、GSM模塊、聲光報警提示系統等模塊組成，總體結構如圖1所示。

該系統通過兩個模塊對溫度與煙霧濃度進行采集，將采集到的所有數據以電壓的方式送入單片機進行處理，處理后的數據部分送入到 12864 顯示屏進行顯示，并通過單片機設置閾值，當濃度或溫度超過閾值時系統進行報警，并給予同步的安全處理。

2 系統主要模塊設計

2.1 微處理器控制單元

本系統采用的微處理器是8位高性能的單片機STC89C52RC，該型號處理器可與51系列單片機完全兼容，它具有比51系列單片機更為強大的功能，它的抗干擾能力強以及性能穩定性高，可利用的資源比較豐富，有8 KB 的flash存儲容量，512B的RAM容量，時鐘晶振可達80MHz，性價比較高，可在高速低速應用場合下均可良好應用。

2.2 煙霧傳感器模塊

本系統中的煙霧傳感器選用了型號為MQ-2氣體煙霧傳感器，它采用的氣敏材料是二氧化錫 (SnO2)，可以用于檢測到煙霧跟可燃氣體。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器中的電導率會隨著可燃氣體濃度的升高而變大。由于SnO2在清潔空氣中電導率較低，所以 MQ-2 氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想，并且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，是一款適合多種應用的低成本傳感器，圖2是煙霧傳感器模塊電路設計圖。

圖2 煙霧傳感器模塊電路

2.3 溫度采集模塊

本系統中的溫度采集主要依靠的是DS18B20溫度采集模塊。DS18B20與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高。當DSI8B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換，轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器中。單片機可通過單線接口讀到該數據，讀取時低位在前，高位在后，數據格式以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，與手機相同，只要插上SIM卡就可以進行短信發送。GSM模塊可以使用文字短信進行遠距離的數據傳輸，并且與單片機的串口通訊連接進行信息傳遞。在本設計中，當煙霧與可燃氣的濃度達到設定的閾值的時候，短信會發送出“煙霧、可燃氣濃度超標”。當溫度超過閾值的時候，短信會發送出“溫度超標”，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個獨立按鍵。3個按鍵分別與單片機的P2.0、P2.1、P2.2口連接,實現其相應功能，S2為溫度的預先值，S3為濃度的預先值，S4為恢復初值。

圖5 按鍵電路

3 軟件設計

程序主要針對家庭廚房火災進行應急處理，系統啟動以后，煙霧傳感器與溫度傳感器開始工作，GSM模塊與報警模塊處于待命狀態，等待單片機的命令。當可燃氣體、煙霧或者溫度達到一定濃度時，蜂鳴器開始報警，并且檢測到有煙霧或毒害氣體時，風扇開始轉動，到達排煙的效果，隨后通過GSM模塊發送短信給主人，主人第一時間知道后，采取一定措施來防止火災繼續發生，具體軟件流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

4 系統測試與總結

系統開機，顯示“welcome”，隨后進入顯示內容。其中顯示設置的溫度、煙霧濃度的閾值與當前環境測量的溫度與煙霧濃度的示數。

首先我們設置溫度20℃，煙霧濃度為15。點燃一炷香放在溫度傳感器旁，顯示溫度上升，當達到20℃時，聲光報警，并且手機收到短信“溫度超標”。同時，我們將未點著的打火機放在煙霧傳感器處，煙霧濃度示數上升，當達到15時，排風扇啟動，開始散煙，并且手機收到短信“煙霧濃度超標”。當上述兩者同時發生的時候，水泵也會啟動進行灑水，并且手機短信提醒“廚房可能發生火災”。

圖7 系統實物圖

以上智能廚房安全系統設計是以STC89C52為核心控制器，通過煙霧傳感器、溫度傳感器采集數據，通過對軟件參數的修改達到了對廚房預知危險情況的測定，并配合使用的外圍自處理系統完成了對預知危險的自我處理，最終實現了智能控制。在今后的設計中，可通過加入紅外防盜系統，并將此智能廚房安全系統應用到智能家居或普通生活中。

說明：本論文基于2018年iCAN國際創新創業大賽，該系統在本次比賽獲得華北地區分賽區選拔賽二等獎。