基于STC单片机的厨房智能安全管控系统的设计

覃园芳++蔡文宏++李国有++陆天铂++黄光旭++郑俊鹏++李惠添

摘 要：厨房是家庭存在安全隐患最大的地方。人们经常会因为粗心而做出各种操作错误，又或者由于管道泄漏等原因从而造成火灾甚至爆炸，给家庭及邻居带来灾难性危害。而现有的产品仅在检测漏气后发出警报，而不能做出相应的处理。针对这种情况，我们在此基础上利用STC12C5A60S2单片机、温度传感器、火焰探测模块、液化气检测模块、无线控制等设计出一种新型报警系统，它通过传感器网络实现实时监测厨房里煤气漏气、煤气灶大火持续时间以及记录烹饪时间等功能，分析传感器传回的数据判断是否发生火灾或燃气泄漏，然后做出相应的动作（如关闭煤气阀门）从而及时化解危险，保证厨房安全。

关键词：STC单片机；厨房安全；硬件设计；软件设计

中图分类号：TP391 文献标识码：A

在当今经济高速发展的社会中，随着人们生活水平日益提高，人们对自身所处的安全环境越来越重视，家庭厨房安全已成为当今小康之家优先考虑的问题，日常生活中，人们经常在厨房中使用液化气、煤气作为燃料，但是这些气体有害且易爆炸，安全隐患大。首先经常会因为操作错误或管道密封不好而出现漏气现象；其次若气体泄漏时不能及时被发现和处理或泄漏气体遇明火发生爆炸，都会给家庭及邻居带来灾难性危害。因此，提出一种新型报警系统，它通过传感器网络实现实时监测厨房里煤气漏气、煤气灶大火持续时间以及记录烹饪时间等功能，分析传感器传回的数据判断是否发生火灾或燃气泄漏，然后做出相应的动作（如关闭煤气阀门）。如煤气灶大火持续时间过长，启动自我保护，关闭煤气；煤气灶打开随即打开煤气，结束烹饪后半小时自动关闭煤气。并使报警装置发出声音等信号提醒，最终实现对厨房安全隐患的有效监控。现有的产品仅在检测漏气后发出警报，该系统将漏气检测与隐患的消除结合在一起，不仅能实现该功能，还能够自动切断煤气，及时化解危险。

1.厨房智能安全管控系统功能要求

（1）若大火烹煮时间过长，超过系统规定时间，避免有烧糊风险，该系统会发出警报，提醒用户，若20s内无人应答，则自动关闭燃气阀门。

（2）针对人们安全意识不足或者遗忘而没有关煤气的情况，该系统实现关火15分钟后，自动断掉燃气源。

（3）若检测到空气中可燃性气体超过安全浓度，会自动断掉燃气管道，并发出警报。

（4）若厨房温度超过安全温度则会发出警报，若10s内无应答则关闭燃气管道。

（5）煤气开关控制通常设置在不易碰触的地方，该系统把煤气开关的操作简化，通过简单机械开关和无线遥控开关即可控制90度阀门控制，随手可触。

（6）针对烹饪计时有要求的用户，该系统实现燃气灶打火后自动启动计时，OLED屏自动显示当前煤气灶燃烧时间。

2.系统总体结构设计

该系统采用STC12C5A60S2作为该系统的控制器，加上单片机最小系统模块，由温度传感器、火焰探测模块、液化气检测模块、无线控制、控制开关作为输入，OLED显示屏、报警器和控制机械手作为输出。总体结构框图及模块间的交互关系如图1所示。

另外，在系统内部还集成有定时/计数器、串口通信接口以及AD数模转换等部件，这样可以让整个系统的设计都更加的安全、细巧、精准。

3.系统硬件设计

正如如图1所示，该系统硬件由STC12C5A60S2、温度传感器、火焰探测模块、液化气检测模块、无线控制、控制开关、OLED显示屏、报警器和控制机械手等模块组成。下面对该系统的主要功能模块进行介绍：

（1）温度传感器

本系统采用DHT22作为我们智能厨房安全系统温度检测。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。在具体实现上，采用单总线连接及数据传输，图2给出了该系统里DHT22温度传感器与单片机之间的硬件连接示意图。

（2）气体传感模块

本系统采用MQ-5气体传感器作为有害气体的检测。该气体传感器所使用电导率较低的二氧化锡（SnO2）作为气敏材料。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号电压值。再将电压值输给单片机，由单片机根据设置初值进行比较并作出反应。图3给出了该系统里MQ-5气体传感器与单片机之间的硬件连接示意图。

（3）火焰传感模块

本系统采用红外接收传感器来探索火焰是否存在并传递实时的火焰大小。该传感器可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源。火焰越大，测试距离越远。该火焰传感器采用单总线连接及数据传输，具有精准度高和优良的稳定性。不过当使用AO输出端时须与AD转换器搭配使用，而AD转换器与MCU之间则是使用I2C总线传输。图4为火焰传感器与单片机之间的硬件连接示意图。

（4）无线控制模块

系统无线控制部分主要实现无线遥控控制煤气开关，无线模块发送端设置一个按钮，可一键发送命令信号，接收端接收到信号后，控制煤气阀门的开关。如果此时煤气阀门开，按下按钮即可关闭煤气阀门，反之，按下按钮可打开煤气阀门。使操作更加及时方便。系统采用433M超再生高频接收模块和无线发射模块，具有收发模块功耗低，遥控距离长等优点。无线收发模块配合使用PT2262编码器与PT2272解码器，PT2262与PT2272是一种CMOS工艺的低功耗低价格的编码译码电路。芯片具有8位地址位设置引脚，可自由设定地址值，只有当发射芯片跟接收芯片的地址编码一致，才能实现配对进行发送接收数据，我们使用的发送芯片为PT2272—M6，是一种6位数据输出的暂存型接收芯片。

（5）机械手模块

系统通过单片机控制L9110芯片，实现对驱动机械手断开煤气，从而实现对厨房安全隐患的有效监控。L9110芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，两个输出端能直接驱动电机的正反向运动。图5为机械手模块与单片机之间的硬件连接示意图。

（6）供电模块

由于机械手的驱动电压为12V，其他模块的工作电压为5V，故设计时采用12V作为系统的工作电压，采用LM2596实现12V电压到5V电压的转化，具体硬件如图6所示。

4.系统软件设计

厨房智能安全管控系统的软件设计流程图如图7所示。首先循环检测可燃气体浓度及环境温度，若超过阈值，则启动报警并且关闭燃气阀门，直到按下按键解除警报；其次当检测到有火焰时，启动烹饪计时，并显示在显示屏上，当火焰消失时，停止烹饪计时；同时系统检测火焰大小是否达到阈值，达到阈值后，计时超过半小时则自动启动关闭燃气的操作。最后，当火焰消失后启动关火计时，若15分钟内未检测到火焰，则关闭燃气阀门。对于无线模块接收到来自遥控器的信号时，关闭燃气阀门，该功能采用中断的形式实现。

结语

本设计包括单片机最小系统电路、各输入模块电路、机械手控制电路以及OLED显示电路。它通过传感器网络实现实时监测厨房里煤气漏气、煤气灶大火持续时间以及记录烹饪时间等功能，分析传感器传回的数据判断是否发生火灾或燃气泄漏，然后做出相应的动作（如关闭煤气阀门），并使报警装置发出声音等信号提醒，最终实现对厨房安全隐患的有效监控。当数据达到危险界限时会自动切断煤气，及时化解危险，保证整个厨房的安全。而且使用者不仅可以通过观看OLED显示的数据来安排烹煮，还可以通过无线控制模块来控制煤气阀，及其方便。该产品还可以广泛应用于其他各种需要，如汽车发动机漏油监控、延伸为更大范围的安全管控例如用电安全、增加功能如自动记录烹饪时间、连接物联网，融合互联网等。此产品将以其设计巧妙、灵活多变、成本低廉、操作简单、便捷实用、保密安全等优点，拥有广阔的市场前景和发展空间。

参考文献

[1]李校红.基于AT89C2051单片机的网络化智能燃气泄漏检测报警器的设计[J].电子测试，2014（11）：55-57.

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[3]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2003.

[4]王静霞.单片机应用技术（C语言版）[M].北京：电子工业出版社，2014.