基于家用插排温度实时监测报警装置的设计

刘琛一 兰依依 熊博文 汤德浩 付 帅

（郑州航空工业管理学院 民航学院，河南 郑州450046）

随着社会经济的高速发展和科技的进步, 人们生活水平的提高,各类家电产品已经得到普及。家用电器增加的同时，家用电插排的安全问题随着其使用数量及频率的增加而日益突出，据统计，火灾事故中有30%以上是由电气火灾引起的，其中插排是主要诱因，因此，如何借助新的技术手段提高插板安全水平成为当今社会亟待解决问题之一。

为解决这一问题，本文设计了一款基于家用插排温度实时监测报警装置，该装置辅以K 型热电偶、MAX6675 热电偶模块、蜂鸣器、RGB 指示灯等低成本装置,借助物联网技术对插排线路温湿度进行实时监测、通过阈值设定开展分级预警，实现动态监控及发出警报的功能。该产品可以降低其因自身危险性给人带来风险的概率，对于预防家电火灾事故，保障人们生命安全与财产损失具有重要意义。

1 装置设计框架

从插排使用安全性、实用性的角度出发，利用单片机的可编程性为一体，实现了对插排的实时监控。故整个设计方案以Arduino 单片机作为主控制器，在温度测量、风险预警、弱电流控制强电流开关等方面也有相应的控制元件，当装置被连接时,屏幕显示时间、实时温度及设定的温度上限阈值，整体框架如图1所示：

图1 装置总体结构框架图

2 防爆防燃插排硬件装置

2.1 K 型热电偶

K 型热电偶是一种能测量较高温度的廉价热电偶，通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用，可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。具有结构简单、使用方便、测量精度高、热响应时间快、测量范围大等特点。

2.2 MAX6675 数字转换器

MAX6675 是美国Maxim 公司推出的带有线性校正、冷端补偿、信号放大等特性的K 型热电偶转换器。它拥有简单的3 位SPI 串行接口以及12 位0.25℃的分辨率，冷端补偿范围为-20-80℃、测温范围为0℃-1023.75℃。MAX6675 在使用时能够迅速且精确地把K 型热电偶获取的温度信号模拟量转换为12bit 对应的数字量，且将转换后的数字量实时传输给单片机。MAX6675 引脚排列如图2。

图2 MAX6675 引脚图

2.3 Arduino-UNO-Rev3 开发板

Arduino 是一款基于ATmega328P 的微控制器板。它有14 个数字输入/输出引脚，6 个模拟输入，16MHz 晶振时钟，USB 连接，电源插孔，ICSP 接头和复位按钮。只需要通过USB 数据线连接电脑就能供电、程序下载和数据通讯，其电路图如图3 所示。

2.4 其他硬件装置

此外, 该装置还包含蜂鸣器模块、RGB 小灯、电流继电器、SSD1306-OLED 显示屏等装置。

3 插排温度实时监测装置设计

插排过载最热点及阈值测定实验:

图3 Arduino-UNO-Rev3 电路图

为了准确设定阈值，提高装置数据的精确性，通过实验方式，分别分析插排内外线路在过载工作状态下温度变化趋势。测量装置由温度采集模块、可调功率变阻箱、PC 机等组成。

3.1 最热点测定

实验选取额定功率为3000W 家用插排，维持室温为25℃恒定，调节变阻箱到3800W，使其远超出插排正常工作额定功率，插排内部零线处固定K 型热电偶，观察插排状况，插排内部线路温度变化趋势如图4 所示：

图4 实际功率3800W 温度曲线图

实验开始，插板内零线温度均快速升高，可观察到有白烟从插排内部冒出，并伴随插排绝缘材料烧焦异味，实验进行至5分钟时，插排发生自燃，内部零线被烧断，绝缘外壳遭到损毁。易得出插排内部零线为过载工作最热点。

3.2 温度阈值设置

温度阈值设定实验条件与之前保持完全一致，为充分观察内部零线温度趋势，实验选择将变阻箱功率至3200W，将K 型热电偶触头插入插排内部零线并与其固定，其温度变化趋势如图5 所示。

由图5 可观察到，经前期短暂维持室温后，插排内部线路温度持续上升，实验进行至第10 分钟，温度达到65℃，且速率放缓；当实验进行至第23 分钟，温度显示达到70℃并在4 分钟内基本维持恒定，此时观察到插排有绝缘材料烧焦异味，白烟持续由插板内部冒出，同时插板外部线路发热变软，橡胶表皮发黄，当实验进行至第28 分钟，插排内部线路熔断起火且功能性失效，塑料外壳被烧穿，温度再次快速上升。

图5 实际功率3200W 温度曲线图

通过分析插排内部温度变化趋势，并结合实验现象，可以科学地设置分级阈值温度：根据公式Q=I2Rt，插排在正常功率工作状态下，放出热量与工作时间呈正相关，在室温恒定情况下，温差越高，散热越快。当插排内部温度达到65℃时，温度增长速度明显放缓，说明此时产热量与散热量基本平衡，插排温度基本达到正常工作极限，故将65℃设定为二级预警温度，此时蜂鸣器发出间断警报声，RGB 小灯闪烁黄灯，以警示用户插排临近危险状态；当插排内部线路达到70℃时插排已处于极度危险状态，即将发生燃烧，故将70℃设置为一级预警温度，蜂鸣器发出急促警报声，RGB 小灯闪烁红灯，提醒用户需立即采取措施。

4 结论

4.1 基于家用插排长时间使用的自身危险性，为了更加有效的防止其事故发生，本文提出了一款基于家用插排温度实时监测报警装置，利用K 型热电偶，MAX6675 数字转换器有效地对插排工作状态进行实时监测。

4.2 通过实验寻找到插排过载工作的最热点部位，通过绘制温度变化曲线图，结合插排实验现象，设置了科学合理的阈值温度。

4.3 产品各元器件性能优良、质量可靠、成本低廉，实现对插排工作状态的实时监控、声光双重报警及分级预警功能，有效的起到了警示用户的作用，降低了插排在负载过大的情况下所易导致的风险，大幅延长插排使用寿命，提升产品安全性能。起到了有效的警示效果。