基于單片機控制的智能灶具的設計

任豐蘭，胡智勇

（1.常德職業技術學院，湖南常德，415000；2.湖南應用技術學院，湖南常德，415000）

0 引言

隨著人們生活水平的日益提高和燃氣灶具的逐步普及,家用燃氣灶具作為一種生活必需品已進入了千家萬戶,同時消費者對家用燃氣灶具的安全性、耐用性、方便性、美觀性等各個方面也越來越重視。家用燃氣灶具質量的好壞不僅影響人們的日常生活,而且質量差的燃氣灶具易引發人身傷害事故。目前我國燃氣灶具產品的技術含量普遍不高,自動化和智能化程度較低,因此它的節能性、安全性及工藝水平等方面還有較大的提升空間[1]。目前我國灶具的安全性能并不能令人完全滿意。2007年我國發布的《家用燃氣灶具》國家強制標準中［2］，只規定了灶具熄火自動停氣裝置以及炊具溫度達到300℃以上時自動熄火裝置,依靠現有安全裝置并不能完全避免干燒現象,這主要是當炊具溫度達到300℃時必然已經處于干燒狀態，而在200-300℃的限值并不能完全避免火災隱患，如紙張、棉花、布匹等燃點都在300℃以下；再者部分帶有特殊涂層的炊具（如特氟龍不粘鍋）在高溫下會釋放出有毒有害物質[3]，嚴重危害家庭健康。由此可見現有灶具安全裝置仍有改進的必要性，因此設計了一套基于人員活動檢測和灶具火焰檢測雙重判據的防干燒報警裝置，將其與現有灶具通行的防熄火裝置以及炊具溫度檢測裝置相配合，可以進一步提高灶具的安全性能。

1 設計思路

灶具干燒都是由于用戶離開廚房時忘記關火而引起的，因此，當廚房無人，灶具處于開啟狀態且持續時間較長時，應當發出防干燒警報，而用戶在廚房進行操作時基本處于運動狀態，不會長時間保持靜止不動，因此可以用一個距離傳感器來進行運動檢測：如果測得距離參數在不斷變化，說明廚房內有人；如果距離參數長時間沒有變化，就說明廚房處于無人監管狀態，如果廚房處于無人狀態，且火焰傳感器檢測到灶具處于加熱狀態，則計時器開始計時，超過預設時間后系統發出警報，它也可以通過按鍵實現對灶臺火力的控制，最后把灶臺的各個模塊的工作狀態及其火力大小進行顯示，其設計原理圖如圖1。

圖1 設計原理圖

2 基于單片機控制的智能灶具硬件設計

2.1 處理器的選型

為簡化設計工作，加快開發進度，本設計的處理器部分采用了Arduino開發套件。Arduino是一款開源的電子設計原型平臺，具有豐富的庫函數，可以簡單、快速、敏捷地完成小型電子系統的設計與調試，這里使用的是Arduino UNO開發板，如圖2所示。

圖2 Arduino UNO

2.2 溫度傳感模塊的設計

溫度傳感器采用熱電偶，熱電偶價格低廉，耐高溫，且根據國家強制標準要求，現在市場上的燃氣灶具都安裝有熄火自動停氣裝置，該裝置就是用熱電偶來監測燃氣灶是否熄火的。采用熱電偶作為溫度傳感器，一方面可以方便地整合進現有的灶具安全裝置中；另一方面也可以與現有裝置共用部件，降低成本。溫度傳感器模塊主要用于檢測灶頭的溫度，只要灶頭溫度高于環境溫度，就可以判斷灶具打開，不需要測出灶頭的絕對溫度。因此測溫電路不需要對熱電偶進行冷端補償，進一步簡化了電路結構，降低了裝置成本，其電路結構如圖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反相輸入端通過電阻R1和電位器R2調節熱電偶的觸發閾值，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。經實際測試試驗，電壓比較器觸發閾值設置為12mV較為合適。

圖3 溫度傳感器模塊電路結構圖

2.3 距離傳感模塊的設計

目前市場上常見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，激光傳感器在長期使用中容易出現發射端、接收端被油煙遮蔽的現象。因此本文采用超聲傳感器作為距離傳感器。超聲傳感器價格低廉，技術成熟，耐用性好，完全可以滿足本設計的需求。本文所用的超聲模塊為HC-SR04超聲模塊（圖4）。該模塊測距上限可達4.5m，測距角度15°，測量范圍能夠覆蓋常見廚房格局及尺寸。且該模塊結構簡單，使用方便，僅有4個引腳。除電源（1腳）和地（4腳）外，只有觸發（2腳）和輸出（3腳）兩根數據引腳。測距時，只需向2腳輸入一個高電平（持續時間大于10μs），模塊就會開始測距，并通過3腳返回一個高電平，其持續時間正比于測量距離。

圖4 距離傳感器模塊結構圖

2.4 顯示模塊的設計

顯示模塊的作用是顯示智能灶具的各個硬件的工作狀態和灶臺火力大小，這里選用HJ1602A液晶顯示器，它是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（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 基于單片機控制的智能灶具的軟件設計

系統開機后循環檢測溫度傳感器，當檢測到灶具點燃時打開計時器，并控制距離傳感器循環測距。如果兩次測得的距離與上一次測得的距離值的差絕對值大于10cm，就認為廚房內有人正在操作，將計時器清零后開始下一次測距。如果測得的距離與上次測得的測量值差的絕對值小于10cm，則認為廚房內無人，保持計時器的計時狀態。當計時器的累加值大于設定的閾值后，處理器控制蜂鳴器報警，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

如果該產品研制成功，它能夠在設計條件下自動報警，防止用戶因忘記關閉灶具而導致灶具干燒。且造價低廉，大部分部件可與現有灶具安全裝置共用。與現行的熄火停氣保護、炊具溫度檢測等保護手段相結合，可以更加全面地保障廚房安全，消除火災隱患，下一步的完善方向是應當增加輸入和顯示部分，允許用戶自行輸入觸發報警的無人時間閾值，以滿足用戶煲湯、燜飯等長時間加熱的需求。