基于STC單片機(jī)的廚房智能安全管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

覃園芳++蔡文宏++李國(guó)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(jīng)常會(huì)因?yàn)榇中亩龀龈鞣N操作錯(cuò)誤，又或者由于管道泄漏等原因從而造成火災(zāi)甚至爆炸，給家庭及鄰居帶來(lái)災(zāi)難性危害。而現(xiàn)有的產(chǎn)品僅在檢測(cè)漏氣后發(fā)出警報(bào)，而不能做出相應(yīng)的處理。針對(duì)這種情況，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上利用STC12C5A60S2單片機(jī)、溫度傳感器、火焰探測(cè)模塊、液化氣檢測(cè)模塊、無(wú)線(xiàn)控制等設(shè)計(jì)出一種新型報(bào)警系統(tǒng)，它通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時(shí)間以及記錄烹飪時(shí)間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤?，然后做出相?yīng)的動(dòng)作（如關(guān)閉煤氣閥門(mén)）從而及時(shí)化解危險(xiǎn)，保證廚房安全。

關(guān)鍵詞：STC單片機(jī)；廚房安全；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在當(dāng)今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的社會(huì)中，隨著人們生活水平日益提高，人們對(duì)自身所處的安全環(huán)境越來(lái)越重視，家庭廚房安全已成為當(dāng)今小康之家優(yōu)先考慮的問(wèn)題，日常生活中，人們經(jīng)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(jīng)常會(huì)因?yàn)椴僮麇e(cuò)誤或管道密封不好而出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；其次若氣體泄漏時(shí)不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和處理或泄漏氣體遇明火發(fā)生爆炸，都會(huì)給家庭及鄰居帶來(lái)災(zāi)難性危害。因此，提出一種新型報(bào)警系統(tǒng)，它通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時(shí)間以及記錄烹飪時(shí)間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤?，然后做出相?yīng)的動(dòng)作（如關(guān)閉煤氣閥門(mén)）。如煤氣灶大火持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，啟動(dòng)自我保護(hù)，關(guān)閉煤氣；煤氣灶打開(kāi)隨即打開(kāi)煤氣，結(jié)束烹飪后半小時(shí)自動(dòng)關(guān)閉煤氣。并使報(bào)警裝置發(fā)出聲音等信號(hào)提醒，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房安全隱患的有效監(jiān)控。現(xiàn)有的產(chǎn)品僅在檢測(cè)漏氣后發(fā)出警報(bào)，該系統(tǒng)將漏氣檢測(cè)與隱患的消除結(jié)合在一起，不僅能實(shí)現(xiàn)該功能，還能夠自動(dòng)切斷煤氣，及時(shí)化解危險(xiǎn)。

1.廚房智能安全管控系統(tǒng)功能要求

（1）若大火烹煮時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定時(shí)間，避免有燒糊風(fēng)險(xiǎn)，該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒用戶(hù)，若20s內(nèi)無(wú)人應(yīng)答，則自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)。

（2）針對(duì)人們安全意識(shí)不足或者遺忘而沒(méi)有關(guān)煤氣的情況，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)火15分鐘后，自動(dòng)斷掉燃?xì)庠础?/p>

（3）若檢測(cè)到空氣中可燃性氣體超過(guò)安全濃度，會(huì)自動(dòng)斷掉燃?xì)夤艿?，并發(fā)出警報(bào)。

（4）若廚房溫度超過(guò)安全溫度則會(huì)發(fā)出警報(bào)，若10s內(nèi)無(wú)應(yīng)答則關(guān)閉燃?xì)夤艿馈?/p>

（5）煤氣開(kāi)關(guān)控制通常設(shè)置在不易碰觸的地方，該系統(tǒng)把煤氣開(kāi)關(guān)的操作簡(jiǎn)化，通過(guò)簡(jiǎn)單機(jī)械開(kāi)關(guān)和無(wú)線(xiàn)遙控開(kāi)關(guān)即可控制90度閥門(mén)控制，隨手可觸。

（6）針對(duì)烹飪計(jì)時(shí)有要求的用戶(hù)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠畲蚧鸷笞詣?dòng)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，OLED屏自動(dòng)顯示當(dāng)前煤氣灶燃燒時(shí)間。

2.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STC12C5A60S2作為該系統(tǒng)的控制器，加上單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，由溫度傳感器、火焰探測(cè)模塊、液化氣檢測(cè)模塊、無(wú)線(xiàn)控制、控制開(kāi)關(guān)作為輸入，OLED顯示屏、報(bào)警器和控制機(jī)械手作為輸出?？傮w結(jié)構(gòu)框圖及模塊間的交互關(guān)系如圖1所示。

另外，在系統(tǒng)內(nèi)部還集成有定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串口通信接口以及AD數(shù)模轉(zhuǎn)換等部件，這樣可以讓整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都更加的安全、細(xì)巧、精準(zhǔn)。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

正如如圖1所示，該系統(tǒng)硬件由STC12C5A60S2、溫度傳感器、火焰探測(cè)模塊、液化氣檢測(cè)模塊、無(wú)線(xiàn)控制、控制開(kāi)關(guān)、OLED顯示屏、報(bào)警器和控制機(jī)械手等模塊組成。下面對(duì)該系統(tǒng)的主要功能模塊進(jìn)行介紹：

（1）溫度傳感器

本系統(tǒng)采用DHT22作為我們智能廚房安全系統(tǒng)溫度檢測(cè)。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。在具體實(shí)現(xiàn)上，采用單總線(xiàn)連接及數(shù)據(jù)傳輸，圖2給出了該系統(tǒng)里DHT22溫度傳感器與單片機(jī)之間的硬件連接示意圖。

（2）氣體傳感模塊

本系統(tǒng)采用MQ-5氣體傳感器作為有害氣體的檢測(cè)。該氣體傳感器所使用電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）作為氣敏材料。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)電壓值。再將電壓值輸給單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)設(shè)置初值進(jìn)行比較并作出反應(yīng)。圖3給出了該系統(tǒng)里MQ-5氣體傳感器與單片機(jī)之間的硬件連接示意圖。

（3）火焰?zhèn)鞲心K

本系統(tǒng)采用紅外接收傳感器來(lái)探索火焰是否存在并傳遞實(shí)時(shí)的火焰大小。該傳感器可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760納米～1100納米范圍內(nèi)的光源。火焰越大，測(cè)試距離越遠(yuǎn)。該火焰?zhèn)鞲衅鞑捎脝慰偩€(xiàn)連接及數(shù)據(jù)傳輸，具有精準(zhǔn)度高和優(yōu)良的穩(wěn)定性。不過(guò)當(dāng)使用AO輸出端時(shí)須與AD轉(zhuǎn)換器搭配使用，而AD轉(zhuǎn)換器與MCU之間則是使用I2C總線(xiàn)傳輸。圖4為火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機(jī)之間的硬件連接示意圖。

（4）無(wú)線(xiàn)控制模塊

系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)控制部分主要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)遙控控制煤氣開(kāi)關(guān)，無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送端設(shè)置一個(gè)按鈕，可一鍵發(fā)送命令信號(hào)，接收端接收到信號(hào)后，控制煤氣閥門(mén)的開(kāi)關(guān)。如果此時(shí)煤氣閥門(mén)開(kāi)，按下按鈕即可關(guān)閉煤氣閥門(mén)，反之，按下按鈕可打開(kāi)煤氣閥門(mén)。使操作更加及時(shí)方便。系統(tǒng)采用433M超再生高頻接收模塊和無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，具有收發(fā)模塊功耗低，遙控距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)收發(fā)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(jià)格的編碼譯碼電路。芯片具有8位地址位設(shè)置引腳，可自由設(shè)定地址值，只有當(dāng)發(fā)射芯片跟接收芯片的地址編碼一致，才能實(shí)現(xiàn)配對(duì)進(jìn)行發(fā)送接收數(shù)據(jù)，我們使用的發(fā)送芯片為PT2272—M6，是一種6位數(shù)據(jù)輸出的暫存型接收芯片。

（5）機(jī)械手模塊

系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)控制L9110芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手?jǐn)嚅_(kāi)煤氣，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房安全隱患的有效監(jiān)控。L9110芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)。圖5為機(jī)械手模塊與單片機(jī)之間的硬件連接示意圖。

（6）供電模塊

由于機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電壓為12V，其他模塊的工作電壓為5V，故設(shè)計(jì)時(shí)采用12V作為系統(tǒng)的工作電壓，采用LM2596實(shí)現(xiàn)12V電壓到5V電壓的轉(zhuǎn)化，具體硬件如圖6所示。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

廚房智能安全管控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。首先循環(huán)檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度及環(huán)境溫度，若超過(guò)閾值，則啟動(dòng)報(bào)警并且關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)，直到按下按鍵解除警報(bào)；其次當(dāng)檢測(cè)到有火焰時(shí)，啟動(dòng)烹飪計(jì)時(shí)，并顯示在顯示屏上，當(dāng)火焰消失時(shí)，停止烹飪計(jì)時(shí)；同時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)火焰大小是否達(dá)到閾值，達(dá)到閾值后，計(jì)時(shí)超過(guò)半小時(shí)則自動(dòng)啟動(dòng)關(guān)閉燃?xì)獾牟僮?。最后，?dāng)火焰消失后啟動(dòng)關(guān)火計(jì)時(shí)，若15分鐘內(nèi)未檢測(cè)到火焰，則關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)。對(duì)于無(wú)線(xiàn)模塊接收到來(lái)自遙控器的信號(hào)時(shí)，關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)，該功能采用中斷的形式實(shí)現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、各輸入模塊電路、機(jī)械手控制電路以及OLED顯示電路。它通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房里煤氣漏氣、煤氣灶大火持續(xù)時(shí)間以及記錄烹飪時(shí)間等功能，分析傳感器傳回的數(shù)據(jù)判斷是否發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤?，然后做出相?yīng)的動(dòng)作（如關(guān)閉煤氣閥門(mén)），并使報(bào)警裝置發(fā)出聲音等信號(hào)提醒，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)廚房安全隱患的有效監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到危險(xiǎn)界限時(shí)會(huì)自動(dòng)切斷煤氣，及時(shí)化解危險(xiǎn)，保證整個(gè)廚房的安全。而且使用者不僅可以通過(guò)觀(guān)看OLED顯示的數(shù)據(jù)來(lái)安排烹煮，還可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)控制模塊來(lái)控制煤氣閥，及其方便。該產(chǎn)品還可以廣泛應(yīng)用于其他各種需要，如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)漏油監(jiān)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(dòng)記錄烹飪時(shí)間、連接物聯(lián)網(wǎng)，融合互聯(lián)網(wǎng)等。此產(chǎn)品將以其設(shè)計(jì)巧妙、靈活多變、成本低廉、操作簡(jiǎn)單、便捷實(shí)用、保密安全等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間。

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