智能油烟机的设计

摘 要：设计了一种智能油烟机，采用非接触式红外温度传感器、油烟传感器等进行智能检测，能根据环境情况智能开启、关闭，智能选择电机高速、低速工作状态，具有健康卫生、方便可靠、节能环保、待机功耗低等特点。

关键词：油烟危害;智能油烟机;单片机技术;节能环保

1    智能油煙机应用背景

1.1    厨房油烟的危害

在炒菜时，食用油受到高温影响，会出现油烟;燃气在燃烧时也会出现油烟，尤其是在爆炒和油炸食品时，油烟会更重。油烟不仅会飘满全身，还会被吸入到体内，危害人体健康。厨房油烟中含有超过200种有害物质，包括直径不等的颗粒物、多环芳烃类物质、甲醛、挥发性有机污染物等，其已被广泛证实会诱导DNA损伤并有致癌风险，成为不吸烟者患肺癌、鼻咽癌的重要风险因素之一。厨房油烟容易熏脏厨房，甚至游窜到客厅和卧室，污染家具和家电，滋生和繁殖大量细菌，严重影响家居卫生和身心健康[1]。

1.2    习惯与健忘问题

生活中，很多人都有“健忘”的小毛病，做饭时忘记开启或及时关闭油烟机的情况时有发生，特别是有老人的家庭，健忘现象发生的频率更高。做饭时忘记开启油烟机或开启油烟机的时间太晚，会导致油烟逸散至整个屋内，久久不散，对人体健康构成重大威胁。而经常忘了关闭电机的情况则不仅会损耗机器，还会造成电能的极大浪费。

2    智能油烟机设计方案

2.1    功能设计

鉴于上述应用背景，本智能油烟机设计采用温度传感器、油烟传感器、压力传感器等进行智能检测，根据环境情况智能开启、关闭抽风电机，并根据油烟浓度，智能选择电机高速或低速工作，避免因忘记开油烟机导致油烟对身体健康、家居卫生造成影响，也避免因忘记关油烟机导致的电机损耗与电能浪费。智能油烟机的操作面板设计采用4位琴键式开关，实现智能油烟机的各种手动与自动操作。琴键开关面板如图1所示。

通过操作琴键开关面板，实现以下功能：

2.1.1    自动模式

接通电源，“自动/手动”开关处于“自动”（弹起）状态时，智能油烟机工作于自动模式，能根据环境状态智能工作。（1）当燃气灶开启、油烟升起时，自动开启油烟机的电机，并根据温度、油烟浓度自动控制电机高速/低速运行。（2）当燃气灶关闭后，智能油烟机进行智能检测，在温度降低、油烟浓度降低后，自动关闭油烟机电机，避免造成电机损耗及电能浪费。（3）按下/弹出“照明”开关，可手动打开/关闭辅助照明灯。

2.1.2    手动模式

接通电源，“自动/手动”开关处于“手动”（按下）状态时，智能油烟机工作于手动模式，电机与照明功能处于普通人手操作状态。（1）按下“电机开/关”开关，油烟机电机启动，此时可通过“高速/低速”开关手动选择高速、低速抽风功能。（2）弹出“电机开/关”开关，油烟机电机停止运行。（3）按下/弹出“照明”开关，可手动打开/关闭辅助照明灯。

2.2    电路设计

2.2.1    电路结构设计

智能油烟机电路结构如图2所示，主要由直流供电单元、单片机处理单元、电机、4位琴键开关、温度传感器、油烟传感器等部分组成。在自动模式下，温度传感器与油烟传感器定时检测环境温度、油烟浓度，并发送给单片机进行智能处理，通过光耦电路控制电机的开启与关闭、高速与低速运行[2]。

电路各部分原理分析如下：（1）直流供电单元。直流电源部分，通过对220 V交流电进行阻容降压后，再进行整流、滤波、稳压，得到5 V直流电，为单片机处理单元、温度传感器、油烟传感器提供电源。电路结构简单，体积小，性价比高。（2）单片机处理单元。电路设计的单片机控制中心采用STC12C2052AD单片机，该单片机支持AD转换，可直接读取油烟传感器输出的模拟信号。单片机通过读取琴键开关、油烟传感器及温度传感器的信号，智能选择电机与照明灯的工作状态。在单片机输出控制方面，考虑到驱动对象是交流电机，为减少电机启停带来的干扰，单片机输出信号经过光耦后再通过继电器来控制电机与照明灯，提高了电路的可靠性。（3）四位琴键开关。四位琴键开关作为输入元件，是智能油烟机实现人机交互的界面。（4）温度传感器。采用非接触式红外温度传感器模块，通过检测灶台温度，把数据提供给单片机处理单元，作为智能控制的依据。（5）油烟传感器。智能油烟机采用QS-01油烟传感器，用于检测烹饪油烟，并输出相应的模拟信号，以供单片机分析处理。

2.2.2    主要元件参数

2.2.2.1    非接触式红外温度传感器

智能油烟机采用非接触式红外温度传感器模块，它能根据被测物体的红外辐射能量大小和波长分布来检测物体的表面温度。该传感器模块内置电平转换电路，可直接接入3.3 V或5 V的MCU系统;出厂自带校准，带温度梯度补偿;主要用于高精度非接触温度测量、工业温度控制、带温度控制的家用电器等场合。电路特性如下：（1）工作电压3.3～5 V;（2）环境温度测量范围-40～85 ℃;（3）物体温度测量范围-70～380 ℃;（4）分辨率0.02 ℃;（5）视场角（FOV）35°。综合来说，该传感器模块具有非接触式、高精度、高分辨率、响应快等优点，能满足对炉火、锅具温度的非接触式快速检测。

2.2.2.2    QS-01油烟传感器

该模块的电路特性如下：（1）探测一氧化碳等气体，以及香烟、木材、纸张燃烧烟雾、油烟等;（2）输出模拟信号/

PWM信号;（3）响应时间≤10 s;（4）工作湿度≤95%RH;（5）使用寿命≥10年。

该款传感器具有灵敏度极高、长期稳定性优异、能实现故障自诊断、功耗低、寿命长等优点，广泛应用于家庭用烟雾报警器、工业用烟雾报警器及便携式烟雾检测仪器[3]。

2.3    程序设计

结合上述功能与电路设计，编制程序设计流程图，如图3所示，并采用C语言完成编程设计。

3    智能油烟机的亮点

3.1    健康卫生

（1）智能油烟机能根据温度、油烟自动开启电机，避免因为遗忘未能及时开启电机的情况发生，减少油烟对皮肤、肺功能等的影响。（2）智能油烟机能自动开启电机、切换“高速/低速”档位，无须手动操作，避免了烹饪过程中人手对油烟机的污染，更避免了对食物的交叉污染，保障了烹饪过程的卫生安全。

3.2    方便可靠

在自动模式下，温度传感器与油烟传感器定时检测环境状态，发送给单片机进行智能处理，并通过光耦隔离电路控制電机的开启与关闭、高速与低速运行。光耦隔离能够有效避免电路内部干扰，保障电机可靠动作。有了智能油烟机，做饭再不怕忘开、忘关油烟机，方便高效。

3.3    节能环保

自动状态下，智能油烟机能自动关闭电机，避免因为人为遗忘而导致电机长时间工作，避免电能的浪费。

3.4    待机功耗低

自动状态下，单片机大部分时间处于休眠状态。单片机定时唤醒，用极小比例的时间去快速检测温度、油烟等环境状态。因此，在无高温、无油烟的待机状态下，系统功耗极低。

4    结语

该智能油烟机的设计，通过红外温度传感器、油烟传感器智能检测灶台环境，能实现智能开启、关闭油烟机，智能选择电机高速、低速工作状态。该智能油烟机具有健康卫生、方便可靠、节能环保等优点，已于2019年获得国家实用新型专利授权，专利号201822150195.4。

[参考文献]

[1] 李旭，李晓丹.餐饮油烟对人体健康的危害[J].节能与环保，2019（2）：28-29.

[2] 周航慈.单片机应用程序设计技术[M].3版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[3] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.

收稿日期：2021-08-30

作者简介：许银（1987—），女，广东阳春人，中技讲师，研究方向：机电一体化。