非接觸式紅外測溫灶具防干燒系統(tǒng)設(shè)計

李毅豐， 毛曉波， 楊怡航， 朱 楓

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

非接觸式紅外測溫灶具防干燒系統(tǒng)設(shè)計

李毅豐， 毛曉波， 楊怡航， 朱 楓

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

為防止鍋具干燒引發(fā)灶具炸裂、火災(zāi)等重大安全問題，設(shè)計了一種灶具防干燒系統(tǒng). 該系統(tǒng)采用紅外溫度傳感器MLX90614對鍋具底部進(jìn)行非接觸式實時溫度監(jiān)測，實時溫度數(shù)據(jù)由STM32單片機(jī)通過SMBus總線進(jìn)行采集和處理. 溫度監(jiān)控模塊在鍋底溫度超出正常加熱區(qū)間后會聲音報警，達(dá)到干燒閾值溫度后則通過串行接入灶具熱電偶溫度檢測回路的控制電路切斷燃?xì)鈿饴? 實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能在達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時切斷燃?xì)鈿饴罚行П苊庠罹吒蔁?

非接觸式；紅外測溫；灶具；防干燒

0 引言

作為清潔能源，燃?xì)庖呀?jīng)成為居民生活的主要能源. 但使用鍋具烹飪食物時，常會由于忘記關(guān)閉灶具而引發(fā)安全問題. 為此，我國專門制定了家用燃?xì)庠罹邩?biāo)準(zhǔn)[1]來規(guī)范燃?xì)庠罹呱a(chǎn)，有效預(yù)防了由于溢鍋等原因?qū)е氯細(xì)庠钕缫l(fā)的燃?xì)庑孤┦鹿? 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了灶具燃?xì)庖馔庀绲陌惭b防護(hù)，但沒有涉及燃?xì)膺^度燃燒造成的鍋具干燒問題. 鍋具干燒輕則損壞鍋具，重則引發(fā)火災(zāi)，是危害廚房安全的一大隱患. 針對這一問題，海爾廚電采用燃?xì)庠铑^上加裝防干燒探頭直接測量鍋具溫度，實現(xiàn)干燒檢測與防護(hù)[2]. 寧波方太廚具有限公司采用在鄰近待測溫鍋具或待測溫食物附近設(shè)置壓電式無源無線溫度傳感器[3]來設(shè)計鍋具防干燒系統(tǒng). 以上兩種系統(tǒng)分別采用了接觸式和非接觸式測溫方案， 海爾的接觸式測溫探頭居于燃?xì)庠铑^中央，改變了傳統(tǒng)燃?xì)庠铑^的結(jié)構(gòu)，不具通用性. 另外，接觸性測溫的關(guān)鍵是探頭與鍋底要有良好的熱傳導(dǎo)性能，當(dāng)探頭與鍋底接觸緊密時可以滿足這一要求，但長時間使用后，探頭與鍋底之間會積累油污或食物殘渣的焦化物，造成測溫不準(zhǔn)而使防干燒功能失效. 文獻(xiàn)[4]根據(jù)壓電式無源無線溫度傳感器的工作原理提出的測溫系統(tǒng)將壓電式無源無線溫度傳感器設(shè)置在鄰近待測溫鍋具或待測溫食物的位置，但該系統(tǒng)需要安裝在專用的鍋具上，這樣雖不用在面板或灶具燃燒器上開孔，但要求專用鍋具配合才能使用，限制了通用性.

紅外測溫技術(shù)基于黑體輻射定律，通過測量物體自身輻射的紅外能量來測定其表面溫度. 日前，紅外測溫已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到水下、倉儲、醫(yī)療、生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域[5-9]，有關(guān)提高溫度傳感器測試精度的研究也有多種方案[10-11].針對目前灶具防干燒系統(tǒng)中存在的問題，筆者設(shè)計了一種非接觸紅外測溫灶具防干燒系統(tǒng)，無需對現(xiàn)有灶具灶頭和鍋具進(jìn)行改造，僅在灶具面板上增開一個窗口，通過窗口由溫度傳感器實時監(jiān)測鍋底的紅外輻射信號，從而測定鍋底溫度. 該系統(tǒng)不干擾被測鍋具的溫度場，且響應(yīng)速度快、精度高.

1 干燒檢測方法

干燒是指鍋具在加熱過程中，與鍋具接觸的液體成分完全蒸發(fā)后，灶具持續(xù)對鍋具進(jìn)行加熱而造成鍋具溫度持續(xù)升高的現(xiàn)象，可分為兩種情況：

(1)鍋具內(nèi)有食物且有液體(如水)，但與鍋具內(nèi)底直接接觸的食物較黏稠，液體不能在鍋具內(nèi)底對流，形成干燒；

(2)直接加熱純液體物質(zhì)，待液體蒸發(fā)完后繼續(xù)加熱形成干燒.

加熱時溫度示意圖如圖1所示.使用鍋具加熱食物時，鍋內(nèi)食物的初始溫度一般是從室溫附近開始不斷上升，如圖1中虛線的階段A所示，鍋底加熱面的溫度變化如圖1中實線的階段A. 在鍋內(nèi)溫度加熱至液體沸騰后，如鍋具內(nèi)液體與鍋底充分接觸并能對流蒸發(fā)，鍋具內(nèi)底會維持在液體的沸點(diǎn)溫度附近，如圖1中虛線的階段B，從而鍋具外底也會維持在由不同材質(zhì)和熱容確定的某一溫度，如圖1中實線的階段B所示. 當(dāng)發(fā)生干燒時，由于鍋內(nèi)液體的冷卻作用消失，鍋內(nèi)鍋外的溫度迅速上升，如圖2中階段C所示.

圖1 加熱食物時鍋底內(nèi)外溫度示意圖Fig.1 Schematic diagram of the temperature inside and outside the pot when heating the food

由于各種鍋具熱容不同，鍋內(nèi)食物成分多種多樣，發(fā)生干燒時鍋底的溫度會大不相同. 為簡化試驗，表1為用FLUKE MT4 MAX+測溫儀實測不同鍋具直接對水進(jìn)行加熱過程中階段B的一組數(shù)據(jù).

表1 不同鍋具大火加熱沸水時鍋底內(nèi)外溫度

表1中鍋底食物面加熱溫度與水的沸點(diǎn)100 ℃接近，鍋底下面即加熱面的溫度相差較大，尖底鐵炒鍋與耐高溫陶瓷砂鍋的溫差106.5 ℃. 造成鍋底內(nèi)外溫差的原因是液體沸點(diǎn)的存在，不同鍋具溫差不同的原因則是由于鍋具材料的熱傳導(dǎo)能力和不同體量鍋具的熱容的差異. 因此，不能通過直接測定的鍋底加熱面的溫度來判定干燒的發(fā)生時刻.

在圖1中，干燒發(fā)生在階段B和階段C的交界，可根據(jù)食物加熱過程中階段B到階段C的溫度變化來判定鍋具是否發(fā)生干燒，即檢測鍋底溫度由階段B轉(zhuǎn)換到階段C的時刻. 對于正常加熱過程這一規(guī)律沒有問題，但如果開始加熱時鍋內(nèi)沒有食物或液體，圖1中就不會有階段B. 鑒于此，另附加一個鍋底加熱溫度閾值TG，根據(jù)表1數(shù)據(jù)，可設(shè)干燒閾值為360 ℃，一旦達(dá)到閾值TG，即判定發(fā)生干燒.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

非接觸式測溫防干燒系統(tǒng)由STM32單片機(jī)、MLX90614紅外測溫、熱電偶熄火保護(hù)裝置、語音報警模塊、OLED顯示屏幕等5個模塊構(gòu)成. 其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System hardware block diagram

2.1 紅外測溫模塊

紅外測溫模塊選用的MLX90614傳感器為TO-39封裝形式的無接觸式紅外線溫度感應(yīng)芯片. 包括1個紅外熱電堆感應(yīng)器和1個信號調(diào)制器. 信號調(diào)制器內(nèi)含17位低噪聲放大器ADC和DSP元件，能夠進(jìn)行高精度溫度測量. MLX90614有SMBus和PWM兩種數(shù)字輸出方式，默認(rèn)為SMBus方式. 在無特殊設(shè)定時，10位的PWM輸出方式溫度測量范圍為20～120 ℃，解析度0.14 ℃. MLX90614在-40～125 ℃環(huán)境溫度及-70～382.2 ℃物體溫度范圍內(nèi)進(jìn)行出廠校準(zhǔn). MLX90614測溫精度隨著環(huán)境溫度和被測物體溫度的不同而變化[12]. MLX90614傳感器測溫精度范圍如圖3所示.

圖3 MLX90614測溫精度(Ta, To)Fig.3 Measurement accuracy of MLX90614 (Ta, To)

圖3中Ta為環(huán)境溫度，To為被測物體溫度. 可以看出，在0 ℃以上時，隨著被測物體溫度的升高，MLX90614傳感器測溫精度由±0.5 ℃變?yōu)椤? ℃，測溫精度不斷降低. 根據(jù)表1，干燒時鍋具底部加熱面溫度在218 ℃以上，結(jié)合設(shè)定的360 ℃干燒閾值上限，對應(yīng)的MLX90614傳感器測溫精度為±4 ℃.

2.2 熄火控制電路

《家用燃?xì)庠罹摺窐?biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定：燃?xì)庠罹呔枰鋫湎ɑ鸨Ｗo(hù)裝置，灶具熄火保護(hù)裝置應(yīng)滿足開閥時間不大于15 s，閉閥時間不大于60 s. 根據(jù)火焰在燃燒時的熱、光、離子等特征，目前有熱電偶、光敏和離子等火焰檢查方式[13]，熱電偶常用于開放式環(huán)境燃燒的火焰檢查，如燃?xì)庠罹?；離子檢測常用于密閉式環(huán)境燃燒的火焰檢查，如燃?xì)鉄崴? 不管是哪種火焰檢測方式，在火焰均勻燃燒時都會形成穩(wěn)定電流回路來保持供氣通路中的電磁閥門打開. 一旦灶具熄火，不管是意外事件還是正常關(guān)閉，離子或光電火焰檢測方式會立即失去電磁閥電流回路，由于熱電偶本身熱容的存在，會在環(huán)境空氣的冷卻下，熱電偶產(chǎn)生的電勢逐步降低而失去電流回路，這個過程只有幾秒鐘，失去電流回路后，電磁閥會在彈簧的作用下關(guān)閉供氣通路，從而防止燃?xì)庑孤?

為了獨(dú)立于燃?xì)庠罹叩南ɑ鸨Ｗo(hù)裝置，本系統(tǒng)的防干燒熄火控制回路通過在電磁閥驅(qū)動回路中串行接入一個小型信號繼電器的常閉開關(guān)來實現(xiàn).

2.3 語音報警模塊和顯示模塊

考慮到語音報警時語音時長較短，選用能存儲120 s語音信號的ISD4002-120芯片來錄制語音報警信息. 語音輸出選用音樂蜂鳴器.

顯示模塊采用OLED屏幕，可視尺寸27 mm×26 mm，分辨率為128×64點(diǎn)陣，工作電壓為3.3 V. 屏幕不需要高壓，功耗較低.

灶具防干燒系統(tǒng)由干電池供電，其主要目的是在干燒發(fā)生時切斷燃?xì)馔罚瑸檠娱L干電池供電時間，語音報警模塊和顯示作為輔助可選模塊.

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)工作流程

單片機(jī)系統(tǒng)由灶具打火開關(guān)啟動，初始化后進(jìn)入溫度監(jiān)控模塊，監(jiān)控模塊判定鍋具干燒后向串接在燃?xì)馔冯姶砰y驅(qū)動回路中的小型信號繼電器發(fā)出控制信號，通過電磁閥切斷供氣通路，之后通過OLED屏幕顯示干燒時最高溫度，并通過語音報警模塊播放預(yù)置聲音. 單片機(jī)程序流程如圖4所示.

圖4 單片機(jī)程序流程圖Fig.4 Flow chart of the microcontroller program

3.2 自適應(yīng)干燒判定算法

實際溫度與測量溫度如圖5所示.實測中傳感器測得鍋底溫度會有偏差，如圖5中實線所示. 直接用實測溫度難以確定干燒時刻.

圖5 鍋底實測溫度與實際溫度關(guān)系圖Fig.5 The measurement and actual temperature of the pot bottom

用每次采樣得到的溫度值進(jìn)行加權(quán)平均得到溫度值TW，再用新測到溫度值逐步修改該平均值.

式中：TN為新測到的溫度值;DCD為本次測量的溫度值；δ是介于0和1之間的因子，用以控制新的樣本對加權(quán)平均值的影響. 經(jīng)測試，δ取為1/8或1/16時效果較好.

通過以上算法，可以濾掉直接測到的溫度值的波動，在此基礎(chǔ)上，給定一個10 ℃的溫度區(qū)間，形成圖5虛線所示的包絡(luò)線，當(dāng)階段B的上包絡(luò)線與階段C的下包絡(luò)線相等時，即交點(diǎn)K處，判定干燒發(fā)生，此時，距階段B結(jié)束的時間為Δt.

3.3 傳感器清潔

本系統(tǒng)采用非接觸式紅外傳感器來實時鍋底的溫度檢測，當(dāng)紅外傳感器窗口被意外遮擋時，測到的溫度值是遮擋物的溫度. 顯然，該溫度值接近室溫. 還有一種情況，在灶具上沒有鍋具，燃?xì)饪諢龝r也測不到正常的加熱溫度. 檢測到這兩種情況時，系統(tǒng)設(shè)置5 min定時，并提示傳感器清潔，定時到后如沒有得到人工干預(yù)則自動關(guān)閉燃?xì)馔?

4 系統(tǒng)測試

對表1所用5種鍋具加水進(jìn)行大火加熱測試，得到如表2所示斷氣溫度.

表2 不同鍋具大火燒水時切斷燃?xì)鈺r鍋底溫度Tab.2 Different cut-off temperatures of pot bottomwhen boiling water with big fire

由表2可以看出，干燒時升溫較階段B加熱時的恒溫高出30 ℃以內(nèi)會自動切斷燃?xì)?

觀察鍋內(nèi)水被燒干到切斷燃?xì)?，單層底不銹鋼鍋用時2 s，耐高溫陶瓷砂鍋用時13 s，其它鍋具在5 s左右. 分析原因，應(yīng)該是不同鍋底的熱容不同，耐高溫陶瓷砂鍋熱容最大，所以用時最長.

幾種鍋具自動斷火沒有對鍋底造成干燒損傷，在清理鍋底水垢時也沒有形成死垢，由此可以看出，對以上幾種被測鍋具，防干燒系統(tǒng)效果良好.

5 結(jié)論

(1)采用MLX90614測試模塊和STM32單片機(jī)，設(shè)計了非接觸式紅外測溫灶具防干燒系統(tǒng). 通過串行接入灶具熱電偶回路的開關(guān)電路，能在干燒即將發(fā)生時快速切斷燃?xì)夤猓乐瑰伨吒蔁鹿?

(2)通過自適應(yīng)干燒判定算法，對紅外傳感器實時測溫的波動進(jìn)行過濾，解決了實時測溫值波動造成的干燒誤判.

(3)為避免傳感器被意外遮掩造成溫度監(jiān)測失效，在灶具打火時刻設(shè)置定時器，如鍋具在定時結(jié)束仍未達(dá)到規(guī)定閾值溫度，系統(tǒng)會報警提醒使用者清理傳感器灶具窗口表面，該報警信號同樣適用于灶具空燒.

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Abstract: In order to prevent the serious safety problem caused by the dry pot burning and stove explosion and firing, an anti-overheating system was designed. The system of infrared temperature sensor MLX90614 on the bottom of the pot was used to realize the non-contact real-time temperature monitoring. The real-time temperature data was collected and processed by the STM32 microcontroller and SMBus. When the temperature of the bottom of the boiler was beyond the normal heating range, the temperature monitoring module could send a voice alarm. When the threshold value of the dry burning temperature was reached, the gas circuit could be cut off by the control circuit serially connected in the thermocouple temperature detection circuit. Experimental results showed that the proposed system could cut off the gas path once the preset temperature reached and prevent the dry pot burning effectively.

Keywords: non contact; infrared temperature measurement; cooker; anti overheating

DesignofaCookerAnti-overheatingSystemBasedonNon-contactInfraredTemperatureMeasurement

LI Yifeng, MAO Xiaobo, YANG Yihang, ZHU Feng

(School of Electrical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

TP277

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2017.05.021

2017-03-11；

2017-06-19

國家自然科學(xué)基金資助項目(61473265)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項目(17A413011)；鄭州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610459008)

毛曉波(1965— )，男，鄭州大學(xué)教授，研究方向為仿生機(jī)器視覺、智能儀器儀表，E-mail:mail_mxb@zzu.edu.cn.

1671-6833(2017)05-0018-05