“以赛促教”在信息化教学中的实践思考

花奇芹，徐玲，翟娟

扬州大学广陵学院，江苏 扬州 225000

0 引言

节能减排、持续发展、绿色制造、建设生态文明，这既是对十九大精神的践行，也是我们所有人必须承担的社会责任。全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛以“节能减排、绿色能源”为主题，是由教育部门和众多高校协作举办的一项竞赛。重在锻炼学生的动手能力、思维能力、人际交往能力、团结协作精神和提高学生的综合素质，同时促进环境工程、能源动力、机械工程等相关专业的建设。

创新在国家发展、民族进步中扮演着重要的角色。在经济发展起来后，智能化产品发展崛起并受到广泛应用。其中，智能化家居在人们的生活起居中起到至关重要的作用，它利用先进的计算机技术、自动化系统等给人们提供节能、舒适、环保、便利的居住环境。本文根据扬州大学广陵学院的创新型人才培养目标、结合节能减排大赛、以智能油烟机为例，培养大学生的奋进意识和创新能力，从而更好地实现自我发掘和完善，为学生们的终身教育奠定坚实的基础。

1 选题的背景及意义

20世纪70年代末，我国的科技信息研究人员在外学习，在了解国外的许多信息后就有了在国内开发油烟机的想法。但是因为各方面条件都不满足，中国并没有公司去开发油烟机。1987年7月是我国油烟机发展的转折点，桅灯制造厂将我国台湾地区生产的油烟机进行拆解重组，中国大陆地区的第一台油烟机至此产生，此后油烟机在国内迅猛发展。

国外研究专家研究发现：一种被叫做苯并芘的致癌物质存在于厨房油烟里，这种致癌物质会让体细胞染色体变异进而引发局部组织癌变。国际品牌的抽油烟机包括意大利的白朗、艾丽卡、华伦帝、家宝、法贝、帝斯、阿里斯顿等，但是并不畅销。然而国内畅销品牌的设计是借鉴MODULO蒙特罗系列和阿里斯顿XH90抽油烟机的技术。双涡轮、适宜的电机功率、无集和小集烟仓、大部分的层致密网板相互累加是欧式油烟机重视的部分。中式抽油烟机的优点是抽排烟效果很好，缺点是油烟分离不易，也会对周围环境产生污染。欧式抽油烟机优点是噪声低、可分离油烟、又节能环保，缺点是抽油烟效果较为逊色。因为技术方面不满足市场要求，所以大部分形型较薄的抽油烟机已经不适用于市场，占领市场很久的是深抽型，因此欧式抽油烟机的发展空间相对较大。然而欧式和中式油烟机相比，因为产品门槛不够高，所以没有特别的技术含量。

油烟中含有有毒物质，比如说其中会含有一定的丙烯醛成分，它会刺激呼吸道黏膜，诱发鼻炎或角膜炎症；还有一些致癌物质，比如说苯并芘会大大增加患肺癌和胃癌的可能性，导致人体脏器功能下降。油烟是由固液气三种形态共同构成的，因此分离法是油烟净化技术的常用方法，包含湿式、机械式、复合式和静电式净化法等方法。湿式净化法主要包括水帘和无泵清洗的方法；机械式净化法即采用惯性碰撞进行油烟净化，当油烟气通过设备的格栅和滤网时，大颗粒会被阻隔下来；静电式净化法采用高压静电吸附除尘的工作原理。现在市场上比较先进的油烟净化方法是等离子净化油烟。它采用脉冲高压高频等离子体电源和齿板放电装置，让其产生高强度、高浓度、高电能的活性自由基，在极短的时间内，对有害的其他分子进行氧化还原反应，打开有机气体分子间的分子键，让有害物质分解，将油烟机产生的大部分污染物降解成水、二氧化碳等其他易处理的物质，还会产生许多的负离子起到清新空气的作用。

现在用于居民厨房[1]的抽油烟机工作原理是通过叶轮的转动，转动过程中产生惯性分离的同时产生气力输送，再经过过滤系统进行对油烟的净化处理。但是抽油烟机也有隐藏的危害，如果排油烟系统长期不清洗可能会有火灾隐患，油烟机的排油烟罩漏油滴在炉头上很容易引起火灾，风机叶轮、机壁机底积油太多则会影响风机正常运转，负荷过重时会引起油烟机发热，进而导致电线短路造成火灾。而且抽风机叶轮由上百片叶槽组成，若积油太多堵塞叶槽，会降低油烟机的抽风效果、油污黏住电机转轴，加大了摩擦力，电机负荷也会增大。由于叶轮、烟道上的油黏性增加，使得排气不通，增加了油烟在厨房空间中的扩散。油烟若滴到皮肤上，会加速皮肤老化、黑色素增多等一系列问题，并且很大程度会加大患癌风险。

综上所述，为了在厨房烹饪时的安全与健康问题能够有所保障，就必须得把做饭时产生的油烟排出并进行净化，这样才能创造出一个干净卫生的环境，对中国的可持续发展也起到了推动作用。再者，中国人口基数庞大，做饭时产生的油烟就更多了，所以，厨房抽油烟机净化油烟的意义重大。使用抽油烟机是可以改变厨房环境空气的有效手段，因为将烹饪过程中产生的有害气体吸走了，从而减少了油烟对人体造成的伤害。

基于单片机[2]的家用智能油烟系统设计不仅实现了抽油烟，还实现了智能化抽油烟，并且对电机的转速进行了跟踪控制，从而最大程度降低能耗，以达到节能的目的。此外还配备了火灾声光报警的功能，当烟雾浓度或温度过高时，油烟机会发出警报，达到安全预警的效果。

2 实施过程

2.1 引导学生提出思路，进行整体方案的设计

关于怎么引导，我认为需要让同学们掌握设计构思的基本思路，让学生明白，设计构思到底需要想什么，意为想要实现哪些功能，把大体框架构思出来，其次怎么想，意为从细节着手，大框架下的小模块具体通过哪些东西来实现。

基于这方面的思考，同学们建议可以让该系统主要分为检测和控制部分，烟雾检测[3-6]电路模块、温度检测电路模块三个部分为检测部分，该系统的控制部分主要包括按键电路模块、单片机IAP15F2K61S2、蜂鸣器声音报警电路模块、LCD显示电路模块构成，如图1所示。

图1 基于AT89S51微处理器的系统原理图

单片机通过对检测信号的采集，对于污染大且温度较高的油烟使用热敏性传感器来检测，对于危险系数大且温度低的燃气将使用气敏性传感器来检测。当厨房里的有害气体或者油烟达到传感器可检测到的值时，传感器会将采集到的信号送入单片机，单片机经分析后会使控制电机启动的电路和声音报警电路同时启动，有害气体会被抽油烟机马上抽走，从而确保厨房的环境安全。该设计设置有定时的功能，可以设置抽油烟机的工作时间长度，从而实现智能抽油烟的功能。

在机械部分，芯片采用宏晶科技有限公司出品的IAP15F2K61S2芯片作为核心的微型控制器，它具有清晰度、安全系数高、抗性高、功耗低等优点。此外选用DS18B20为数字传感器，采集到的信息从单线接口输入DS18B20或者从DS18B20输出，因此从控制核心AT89S52单片机到温度传感器DS18B20仅仅只需要用一条线进行连接。由于读写控制段、可进行温度转换的电源数据线是自己提供的，所以也不需要额外的电源。

此外，我们还应用了MQ-2烟雾传感器，它具有灵敏度高、寿命长的优点。烟雾传感器的电阻值会随着气体的种类和浓度变化而发生变化，烟雾的浓度越大，导电率就会越大，输出电阻阻值就越低，输出的模拟信号就越大。检测装置主要是通过对产生油烟的压力进行检测判断，达到风机工作的额定值时，风机便会开始工作，进而完成净化。

2.2 培养学生创新思路，进行创新性研究

在指导过程中培养同学们的创新意识也很重要，创新不是空中楼阁，所有的创新都是基于一定的理论和技术支撑的，因此，在构思后，我们搜索了大量的文献资料，我们发现在科学技术不断发展的今天，人们对家居生活需要也逐渐增加，所以大家也越来越关注食物的安全和健康问题。人们对油烟机性能[7]的要求也不断加强。目前的家电市场上有许多可以手动调节换挡位的抽油烟机[8]，这些油烟机可以将在厨房烹饪时产生的致癌气体和油烟气体抽走，具有高速挡位、低速挡位和灯光照明的功能。但还是会产生一些不好的影响，例如在使用过程中，油烟机会产生许多不必要的能源浪费且无法预防火灾的发生，而这一问题就是新型油烟机所要解决的。所以，本设计要在传统抽油烟机的功能基础上，增加跟踪烟雾浓度调节风扇转速和火灾声光报警等功能。主要通过烟雾传感器来及时检测油烟机产生烟雾的浓度，通过ADC0832数模转换器进行数据处理传送给单片机，再与设定的阈值进行数据对比后进行处理，再利用脉宽调制，通过调节占空比来调节脉冲宽度，进而实现不同的电压输出，对电机转速进行调节控制，进而可最大程度使得能耗降低，这样就可以满足节能环保的目的。此外还配备了火灾声光报警的功能，当烟雾浓度或温度过高的时候，油烟机自动地发出报警，达到安全预警的效果。为了满足使用者的需求，还配有风扇定时运行的功能。

全国许多城市都已普及家用电器，但是有很大一部分家电在节能方面还有待改进，因此该设备的市场应用前景是很可观的。

2.3 鼓励学生动手实践，进行难题解决

团队成员通过分工合作进行实践。油烟净化系统由四个部分组成：风量调节阀和风机、油烟净化装置、油烟检测装置、油烟收集装置和发生器。油烟控制装置可以通过从检测系统和净化系统中获得信号，然后进行控制和操作风量调节阀和风机。我们根据系统所需要的采样点来设置参考标准，由于净化油烟是油烟净化系统的主要目的，所以油烟净化设备是油烟净化系统最重要的部分。

我们发现当前的油烟净化设备只是可以减少油烟中的致癌物质，离完全净化油烟还相差甚远。虽然当前的油烟净化设备在工作后对环境造成的污染较小，可是目前由于技术不过关，所以需要对油烟净化技术进行研究与改进，在探索改进过程中达到油烟的完全净化是至关重要的。

因此，为了可以净化油烟，减少厨房油烟对空气产生的污染，与同学们商量后我们打算通过控制风机来调节油烟的排出流量。如图2所示是油烟净化系统的原理图，我们根据原理图进行实践。

图2 油烟净化系统的原理图

2.4 分析最终实践结果

本系统使用C语言高级语言进行编程，AutoCAD绘图软件进行相关图的平面绘制和proteus进行仿真实验，主要的程序一共包含五个方面，通完电的系统先开始初始化，在完成温度和气体浓度的采集后再对温度和气体浓度进行处理[9]、处理完后开始数据显示、最后实施键盘处理功能。浓度测试段主要通过传感器来进行检测，温度和气体浓度数据的采集任务是温度和气体浓度采集部分主要完成的；温度和气体浓度的处理部分主要是把我们收集到的浓度和温度数据样本与此次设计设定的上限温度和上限气体浓度值进行比较，比较处理完后再看看是不是超过了设定上限值，如果超过上限那么蜂鸣器就会发出声音报警；数据显示部分的作用顾名思义是实现温度数据的显示，显示部分分为有固定显示和根据设计要求所设置的一到四个温度参考点的轮流循环显示；键盘处理部分可用于用户对系统参数设置的实现，将这两个部分结合起来，就可以将人与系统间建立联系，从而提高人们对信息系统的应用水平。

系统主控机的设计包括油烟和煤气浓度检测程序、油烟温度检测程序、中断键盘扫描程序、蜂鸣器中断报警[10-11]服务程序和LED显示程序，选择设备号的同时发送命令，处理并显示采集到的数据是其重点任务。当运行状态的标志位是低电平时，系统是否工作会由开关控制；当运行状态的标志位是高电平时，系统检测则会自动运行。

首先，我们先对单片机系统进行初始化设置，然后发现开机界面显示了出来。当运行状态的标志位为高电平时，系统开始运行；当P3.0引脚等于0时，电机就会开始工作，在工作过程中，如果将工作时间设置成120秒，那么程序就会结束并且返回到初始状态。当运行状态的标志位为低电平时，油烟工作系统就会受到开关的控制，是开/关S1控制的。例如，当开关S1被按下，此时电机就处于启动状态，进而开始工作。与我们设想的结果一样，实践成功。

3 进行师生交流，总结经验分享成果

在实践完成后再与同学们分享心得，例如对烟压力的检测通常是通过压力传感器[12]来实现的，压力传感器可以将感知到的压力信号转化为电信号，可是电信号是很微弱的，那么我们要怎么消除这个难题呢？大学生在《模拟电子技术》中学过放大电路，将所学的理论知识和实践中的困难联系起来，就可以接入一个放大电路，再转化成模拟电压输出，并且同时将信号传导到电气控制装置。从这次实践中我们学到，当我们遇到挫折时，要从多个方面去思考问题，把问题看得全面、周全了，再静下心来开拓我们思维的维度，看看是否能从其他方面着手，思维不要受到限制，再去解决问题。

通过此次项目的研究，大家互相交流合作。同学们了解到想要设计一个完整的项目首先需要构思一个大体的内容框架，这样就有了目标，以便有针对性地完成各个部分的详细计划。在进行实践的过程中，更重要的是耐心和细心，遇到挫折也不要萎靡，要善于利用所学的知识去克服它，最后圆满完成实践。

4 结语

拥有自我创新的意识和能力是人综合能力的外在表现，高度整合的知识、不断求索的决心和个性化的思想是其基础。在参加节能减排竞赛的过程中，教师通过指导学生完成智能油烟系统，增强了同学们的节能减排意识，同时开发了同学们的创新意识和实践能力。

在知识经济时代，知识的增速在加快，知识的淘汰周期在不断缩短，知识的转换速度在飙升。在这种情况下，对所学习的知识进行选取、归并、转化和应用是非常重要的。因此，如何引导学生利用已有的知识创造新的果实是教师们不断追寻的目标。