智能灶具防干烧装置

刘 嘉

(太原师范学院 物理系，山西 晋中 030619)

厨房是家庭火灾的高发区域，其中灶具是引发火灾的高危因素.据统计，美国家庭中，灶具引发的火灾占到厨房火灾的63%，造成的受伤人数更是高达厨房火灾的79%[1].中国每年发生的20万起火灾中，大部分也是由厨房用火引起的.因此提高灶具的安全性能，防止由于灶具意外工况引起的火灾，具有重大的社会意义.

然而目前我国灶具的安全性能并不能令人完全满意.2007年我国发布的《家用燃气灶具》国家强制标准中[2]，只规定了灶具熄火自动停气装置以及炊具温度达到300 ℃以上时自动熄火装置.依靠现有安全装置并不能完全避免干烧现象.这主要是因为：1.炊具温度达到300℃时必然已经处于干烧状态.2.300 ℃的限值并不能完全避免火灾隐患.如纸张、棉花、布匹等燃点都在300 ℃以下.3.部分带有特殊涂层的炊具(如特氟龙不粘锅)在高温下会释放出有毒有害物质[3]，严重危害家庭健康.

综上所述，现有灶具安全装置仍有改进的必要性.因此，本文设计了一套基于人员活动检测和灶具火焰检测双重判据的防干烧报警装置.将其与现有灶具通行的防熄火装置以及炊具温度检测装置相配合，可以进一步提高灶具的安全性能.

1 设计思路

图1 系统原理图

本设计的核心思想在于，灶具干烧都是由于用户离开厨房时忘记关火而引起的.因此，当厨房无人，灶具处于开启状态且持续时间较长时，应当发出防干烧警报.而用户在厨房进行操作时基本处于运动状态，不会长时间保持静止不动.因此可以用一个距离传感器来进行运动检测：如果测得距离参数在不断变化，说明厨房内有人；如果距离参数长时间没有变化，就说明厨房处于无人监管状态.如果厨房处于无人状态，且火焰传感器检测到灶具处于加热状态，则计时器开始计时，超过预设时间后系统发出警报.具体原理图如图1.

2 硬件设计

2.1 温度传感模块

温度传感器采用热电偶.热电偶价格低廉，耐高温，且根据国家强制标准要求，现在市场上的燃气灶具都安装有熄火自动停气装置，该装置就是用热电偶来监测燃气灶是否熄火的.因此本设计采用热电偶作为温度传感器，一方面可以方便地整合进现有的灶具安全装置中；另一方面也可以与现有装置共用部件，降低成本.

图2 温度传感部分

在本设计中，只要灶头温度高于环境温度，就可以判断灶具打开，不需要测出灶头的绝对温度.因此测温电路不需要对热电偶进行冷端补偿，进一步简化了电路结构，降低了装置成本.其电路结构如图2.

图2中，K为热电偶，其输出正极接入电压比较器LM311P的同相输入端.LM311P反相输入端通过电阻R1和电位器R2调节热电偶的触发阈值.由于LM311P为电压比较器，输出端为单晶体管输出，因此输出端需接上拉电阻R3.经实际测试试验，电压比较器触发阈值设置为12 mV较为合适.

2.2 距离传感模块

目前市场上常见的距离传感器有激光传感器、超声传感器.考虑到厨房中通常油烟较重，激光传感器在长期使用中容易出现发射端、接收端被油烟遮蔽的现象.因此本文采用超声传感器作为距离传感器.超声传感器价格低廉，技术成熟，耐用性好，完全可以满足本设计的需求.

本文所用的超声模块为HC-SR04超声模块(图3).该模块测距上限可达4.5 m，测距角度15°，测量范围能够覆盖常见厨房格局及尺寸.且该模块结构简单，使用方便，仅有4个引脚.除电源(1脚)和地(4脚)外，只有触发(2脚)和输出(3脚)两根数据引脚.测距时，只需向2脚输入一个高电平(持续时间大于10 μs)，模块就会开始测距，并通过3脚返回一个高电平，其持续时间正比于测量距离.

2.3 处理器部分

为简化设计工作，加快开发进度，本设计的处理器部分采用了Arduino开发套件.Arduino是一款开源的电子设计原型平台，具有丰富的库函数，可以简单、快速、敏捷地完成小型电子系统的设计与调试.本设计所使用的是Arduino UNO开发板(图4).开发板引脚8、9分别连接超声模块的触发端和反馈端；引脚10连接温度传感部分的输出端.

3 软件设计

系统开机后循环检测温度传感器，当检测到灶具点燃时打开计时器，并控制距离传感器循环测距.如果两次测得的距离与上一次测得的距离值的差绝对值大于10 cm，就认为厨房内有人正在操作，将计时器清零后开始下一次测距.如果测得的距离与上次测得的测量值差的绝对值小于10 cm，则认为厨房内无人，保持计时器的计时状态.当计时器的累加值大于设定的阈值后，处理器控制蜂鸣器报警.其流程如图5.

4 结论与讨论

经实际测试，本设计能够在设计条件下自动报警，防止用户因忘记关闭灶具而导致灶具干烧.且造价低廉，大部分部件可与现有灶具安全装置共用.与现行的熄火停气保护、炊具温度检测等保护手段相结合，可以更加全面地保障厨房安全，消除火灾隐患.下一步的完善方向是应当增加输入和显示部分，允许用户自行输入触发报警的无人时间阈值，以满足用户煲汤、焖饭等长时间加热的需求.