适合老龄家居的煤气灶智能防烧干报警智能装置

摘要：随着城市的发展，老龄化程度进一步提高，独居老年人越来越多，所以老人用燃气灶烧水时的安全问题也越来越引起人们的关注。煤气灶支架上安装热电偶温度传感器，通过精确感应容器底部温度来判断是否为干锅状态。然后通过节流电磁阀来关闭燃气。当灶具出现异常时，燃气灶也会开启自动断气功能，完成自动报警、自动断开气源两方面的功能。

Abstract： With the development of the city， the degree of aging has been further improved， and more and more elderly people are living alone. Therefore， the safety problems of the elderly when using gas stoves to boil water have attracted more and more attention. A thermocouple temperature sensor is installed on the gas stove bracket to accurately determine the bottom temperature of the container to determine whether it is a dry pan state. The gas is then turned off by a throttle solenoid valve. When the cooker is abnormal， the gas stove will also turn on the automatic gas-breaking function， and complete the functions of automatic alarm and automatic disconnection of the gas source.

关键词：防干烧;单片机;K型热电偶传感器;煤气灶

Key words： anti-dry burning;single chip;K-type thermocouple sensor;gas stove

中图分类号：TP732                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2018）36-0135-03

1  项目背景

根据联合国最新的人口数据预测，在以后的30年里，中国人口老龄化将呈现加速发展态势，60岁及以上人口占比将年均增长16.55%，2040年60岁及以上人口占比将达28%左右，到2050年，60岁及以上老人占比将超过30%，社会进入深度老龄化阶段。

随着老龄化程度的逐步提高，独自生活的老年人越来越多，老人们用燃气灶烧水的安全问题也越来越引起人们的关注。目前虽然市场上陶瓷炉、电磁炉、电炖锅品种繁多，但老年人还是习惯使用煤气灶，在使用过程中隐含着由于年老容易遗忘的安全隐患，不少人都有忘记关火导致烧干锅的经历，这往往会因此引发不必要的事故。该项目就是为了解决这一问题而设计的，通过报警装置的提醒和自动断开燃气灶的保护，有了这个装置，老龄人可以安全家居，不必担心使用煤气灶的安全问题，已成功申请了实用新型专利。

2  系统设计要求及功能

2.1 系统设计要求

本项目目标旨设计一款适合老龄家居的煤气灶智能防烧干报警智能装置系统。该系统能在容器内的水烧干后自动报警提醒，持续状态异常，断开燃气，能够为老人们安全使用燃气灶提供保障。

老龄居家煤气灶智能防烧干报警装置系统设计要求通过对烧水容器底部温度的测量，显示容器底部温度，判断容器是否干烧，并自动报警，进而控制燃气灶气路。

2.2 系统实现功能

老龄居家煤气灶智能防烧干报警装置系统要求能够具备以下主要功能：

①利用单片机系统进行数据采集、自动控制，实现智能化;

②系统具有准确温度测量，具有温度显示的功能;

③当处于干锅时温度高于设定值，具有报警提示功能，同时可以自动关闭电磁阀，断开煤气;

④具有烹调定时等扩展功能。通过温度、时间的控制可以实现烹调定时功能，减轻老人烹饪压力。

3  系统设计

老龄居家煤气灶智能防烧干报警装置系统是利用传感器感应容器底部外壁的温度变化，来判断容器内水分是否烧干，我们设置了下面三种极限温度：

①温度低于100±2℃，為温度正常值，系统进行温度显示;

②温度高于102±2℃，温度低于140℃，为水开温度，进行报警提示;

③温度高于140±5℃，为温度异常值，持续1分钟，系统切断气源，保证安全。

将温度传感器安装在燃气灶上方的架子上，与容器底部外壁紧密接触，此时测量的温度既是烧水壶的温度。传感器测量的容器外壁温度信号，经过A/D采样将模拟信号转换为数字信号输入到单片机，单片机通过对检测信号计算判断容器内水分是否烧干，从而控制报警器和电磁阀，以确定是否进行报警处理和断气保护。

因此，老龄居家煤气灶智能防烧干报警装置系统主要由温度传感器测量系统、A/D采样系统、单片机测控系统、温度显示、报警及控制系统组成，其硬件结构框如图1所示。

3.1 单片机测控系统

单片机测控采为整个系统的核心，选用价廉物美，技术成熟的STC89C52单片机，使用简单，编程方便，可靠性高，故障率低。单片机最小系统是单片机连接电路中最基本的部分，主要由电源电路、复位电路、时钟震荡电路三部分组成。

单片机测控系统控制过程相对简单。先将传感器相应温度点测量阈值存入单片机相应内存中，通过采集输入装置传感器感电压信号，检测容器内中水温的变化，判断温度范围，进行温度显示、温度报警或触发断气控制系统，关闭燃气灶。

3.2 温度测试系统

老龄居家煤气灶智能防烧干报警装置系统的关键部分是温度的测量。温度信号的精度在控制系统中起着至关重要的作用。对于家用电子产品来说，产品应具备经久耐用，可靠性高，故障率低的特点，因此在温度传感器选择方面要特别慎重，不能经常出现故障。温度传感器多种多样，根据测量容器温度和水干容器温度的数值，且考虑到温度传感器的测量精度以及经济性，我们可以选择热电偶温度传感器。

热电偶温度传感器是由两种不同材料的金属导体丝或半导体组成。将两根不同材料的金属丝一端焊接在一起，作为热电偶的测量端;另一端与测量仪表相连，当测量温度变化时，热电偶输出电动势，电动势的大小与温度变化量成正比，通过测量即可推算出所测温度值。

本系统采用K型热电偶传感器（即镍铬-镍硅热电偶传感器），其测量温度在0-1000°C（长期）和0-1300°C（短期），可以使用于氧化环境，耐金属蒸汽，具有灵敏度高，输出线性便于测量，性能稳定，重复性好，价格便宜，便于安装接线，耐高温，坚固耐用等特点。

在温度测量时，将镍铬-镍硅热电偶传感器的温度测量端紧贴在烧水容器底端（容器的下部），如果容器内有水，容器温度与水温接近;如果容器内没有水，容器温度将快速升高，容器温度与干烧时间不同而不同，温度高于140°C，持续1分钟，说明容器内无水，要关断燃气。

3.3 放大电路设计

在温度测量电路中，热电偶温度传感器输出信号较小，信号最多不过几十毫伏（<30mV），且其中包含工频、静电和电磁偶合等共模干扰，为了提高精度，便于测量，需将温度传感器信号进行放大，再由单片机进行采集。此外，热电偶输出信号为温差电动势，是差动电压，是输出带有共模信号的二端电压，因此放大电路应设计为差动放大器。为了提高测量精度，设计的放大电路应具有很高的共模抑制比以及高增益、低噪声和高输入阻抗，因此一般采用差动仪表放大器，如图2所示。

差动仪表放大器又称数据放大器、桥路放大器，它的信号是从运放的正端输入，具有较高的输入阻抗，易于与各种信号源匹配。输出电压与输入电压差成正比例，输入端的温度漂移信号相互抵消，可使放大电路温度误差较小。

放大器的运放选用LM358芯片。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，是一种低噪声，具有非常低的输入失调电压，不需要额外的调零措施。这种低失调、高开环增益的特性特别适用于放大、转换传感器的微弱信号，放大电路的稳定性好。

3.4 A/D转换电路

单片机采集的是数字信号，需将传感器输出信号经放大后由A/D转换器转换为数字信号，输入到单片机中。

传感器的精度一般在0.5%左右，为了不损失传感器精度，A/D转换器的采样转换精度应高于传感器精度。8位的A/D转换器理论本精度为1/256，约为0.4%，如果叠加上系统转换误差，将不能满足系统精度要求。因此为了温度信号采集的精度，可选用10 位的A/D转换器，因为系统中有三个温度传感器，一个位移传感器，可选择较为经济的4通道A/D转换器。

本系统最终选择AD7864-2A/D转换器，它是一款高速、低功耗、4通道、12位同时采样模数转换器，供电电源为+5 V单电源，其内置一个1.65 微秒，逐次逼近型A/D转换器，内部自带2.5 V基准电压源、信号调理电路和一个高速并行接口。4个通道上的输入信号同时进行采样，可保留4个模拟输入上的信号相对相位的信息。AD7864系列有多种模拟输入范围，传感器的输出范围为0至5V，AD7864-2模拟输入范围满足设计要求。AD7864-2A/D转换器的模拟输入均具有过压保护，不会损坏器件或影响正在进行的转换，可靠性高，稳定性好。

3.5 煤气断气装置

煤气切断装置主要由电磁阀、继电器和电磁阀驱动电路组成。电磁阀采用选用12V直流电磁阀，便于安装、使用，价格便宜。

单片机输出的高低电平来控制煤气切断装置开启。单片机的高电平为5V，输出电流微弱，想要控制高电压的电磁阀需要使用继电器驱动接口电路才能满足控制要求。设计时通过P2口输出控制信号，由三极管Q2驱动，使继电器K线圈得电，继电器的常开开关闭合，电磁阀控制线路通电，可以关闭阀门，切断天然气气路。如图3表示。

3.6 报警模块

声光报警装置设计为一个音乐和闪烁灯光进行报警。在100°C时，单片机触发音乐芯片，采用柔和的音乐提示，告知用户水已经烧开;当温度处于异常高温时，单片机触发声光报警，可以提醒老年人及时关火;如果持续测得容器底部温度过高，说明容器内水已经烧干，单片机触发声光报警，并触发煤气切断装置，切断煤气，保证老人居家安全。

4  系统软件设计思路

系统软件设计没有难点。MCS-52系列单片机实时采集经放大的传感器信号，测量出电压值，计算出温度值，判断当前温度的状态，输出控制信号。

软件设计采用C语言进行程序设计。首先，我们对系统进行初始化，三路温度传感器测量容器的温度，经过A/D采样，将模拟信号转换为数字信号传输给单片机，单片机进行温度判断，若是低温，则重新采样，若是高温，则发出报警信号;当温度持续高于140℃时，单片机经计算输出高电平，继电器得电，电源开关导通，直流电磁阀工作，切断煤气供气。

5  结论

利用本系统技术制作的智能燃气灶采用防干烧技术和温度探头，可以及时发现容器干烧状态;可以在开火之后自动检测有无锅具，开火达到一定时间如果一直没有放置锅具，燃气灶就会自动关闭，防止空烧隐患。

本系统与传统的煤气报警自动关闭不同，采用在煤气灶支架上安装热电偶温度传感器，通过精确感应容器底部温度来判断是否为干锅状态。然后通過节流电磁阀来关闭燃气。当灶具出现异常时，燃气灶也会开启自动断气功能。在烹饪过程中，由于强风或其他特殊原因造成火苗被扑灭的现象时，智能燃气灶会及时切断气源，防止燃气泄露造成危险。

本系统留有端口，可以进行功能扩展。增加煤气泄漏报警，可以通过CO传感器采集环境中的CO浓度进行报警。增加烹调定时功能，通过温度、时间的控制可以实现烹调定时功能，减轻老人烹饪压力。

参考文献：

[1]王倢婷.传感器应用技术[M].北京：中国劳动社会保障出版社，2012.

[2]佟云峰.单片机原理及应用[M].北京：机械工业出版社， 2006.

[3]郭天翔.51单片机C语言教程[M].电子工业出版社，2008.