智能油煙機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一種智能油煙機(jī)，采用非接觸式紅外溫度傳感器、油煙傳感器等進(jìn)行智能檢測(cè)，能根據(jù)環(huán)境情況智能開(kāi)啟、關(guān)閉，智能選擇電機(jī)高速、低速工作狀態(tài)，具有健康衛(wèi)生、方便可靠、節(jié)能環(huán)保、待機(jī)功耗低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：油煙危害;智能油煙機(jī);單片機(jī)技術(shù);節(jié)能環(huán)保

1 ? ?智能油煙機(jī)應(yīng)用背景

1.1 ? ?廚房油煙的危害

在炒菜時(shí)，食用油受到高溫影響，會(huì)出現(xiàn)油煙;燃?xì)庠谌紵龝r(shí)也會(huì)出現(xiàn)油煙，尤其是在爆炒和油炸食品時(shí)，油煙會(huì)更重。油煙不僅會(huì)飄滿全身，還會(huì)被吸入到體內(nèi)，危害人體健康。廚房油煙中含有超過(guò)200種有害物質(zhì)，包括直徑不等的顆粒物、多環(huán)芳烴類物質(zhì)、甲醛、揮發(fā)性有機(jī)污染物等，其已被廣泛證實(shí)會(huì)誘導(dǎo)DNA損傷并有致癌風(fēng)險(xiǎn)，成為不吸煙者患肺癌、鼻咽癌的重要風(fēng)險(xiǎn)因素之一。廚房油煙容易熏臟廚房，甚至游竄到客廳和臥室，污染家具和家電，滋生和繁殖大量細(xì)菌，嚴(yán)重影響家居衛(wèi)生和身心健康[1]。

1.2 ? ?習(xí)慣與健忘問(wèn)題

生活中，很多人都有“健忘”的小毛病，做飯時(shí)忘記開(kāi)啟或及時(shí)關(guān)閉油煙機(jī)的情況時(shí)有發(fā)生，特別是有老人的家庭，健忘現(xiàn)象發(fā)生的頻率更高。做飯時(shí)忘記開(kāi)啟油煙機(jī)或開(kāi)啟油煙機(jī)的時(shí)間太晚，會(huì)導(dǎo)致油煙逸散至整個(gè)屋內(nèi)，久久不散，對(duì)人體健康構(gòu)成重大威脅。而經(jīng)常忘了關(guān)閉電機(jī)的情況則不僅會(huì)損耗機(jī)器，還會(huì)造成電能的極大浪費(fèi)。

2 ? ?智能油煙機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 ? ?功能設(shè)計(jì)

鑒于上述應(yīng)用背景，本智能油煙機(jī)設(shè)計(jì)采用溫度傳感器、油煙傳感器、壓力傳感器等進(jìn)行智能檢測(cè)，根據(jù)環(huán)境情況智能開(kāi)啟、關(guān)閉抽風(fēng)電機(jī)，并根據(jù)油煙濃度，智能選擇電機(jī)高速或低速工作，避免因忘記開(kāi)油煙機(jī)導(dǎo)致油煙對(duì)身體健康、家居衛(wèi)生造成影響，也避免因忘記關(guān)油煙機(jī)導(dǎo)致的電機(jī)損耗與電能浪費(fèi)。智能油煙機(jī)的操作面板設(shè)計(jì)采用4位琴鍵式開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能油煙機(jī)的各種手動(dòng)與自動(dòng)操作。琴鍵開(kāi)關(guān)面板如圖1所示。

通過(guò)操作琴鍵開(kāi)關(guān)面板，實(shí)現(xiàn)以下功能：

2.1.1 ? ?自動(dòng)模式

接通電源，“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)處于“自動(dòng)”（彈起）狀態(tài)時(shí)，智能油煙機(jī)工作于自動(dòng)模式，能根據(jù)環(huán)境狀態(tài)智能工作。（1）當(dāng)燃?xì)庠铋_(kāi)啟、油煙升起時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟油煙機(jī)的電機(jī)，并根據(jù)溫度、油煙濃度自動(dòng)控制電機(jī)高速/低速運(yùn)行。（2）當(dāng)燃?xì)庠铌P(guān)閉后，智能油煙機(jī)進(jìn)行智能檢測(cè)，在溫度降低、油煙濃度降低后，自動(dòng)關(guān)閉油煙機(jī)電機(jī)，避免造成電機(jī)損耗及電能浪費(fèi)。（3）按下/彈出“照明”開(kāi)關(guān)，可手動(dòng)打開(kāi)/關(guān)閉輔助照明燈。

2.1.2 ? ?手動(dòng)模式

接通電源，“自動(dòng)/手動(dòng)”開(kāi)關(guān)處于“手動(dòng)”（按下）狀態(tài)時(shí)，智能油煙機(jī)工作于手動(dòng)模式，電機(jī)與照明功能處于普通人手操作狀態(tài)。（1）按下“電機(jī)開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)，油煙機(jī)電機(jī)啟動(dòng)，此時(shí)可通過(guò)“高速/低速”開(kāi)關(guān)手動(dòng)選擇高速、低速抽風(fēng)功能。（2）彈出“電機(jī)開(kāi)/關(guān)”開(kāi)關(guān)，油煙機(jī)電機(jī)停止運(yùn)行。（3）按下/彈出“照明”開(kāi)關(guān)，可手動(dòng)打開(kāi)/關(guān)閉輔助照明燈。

2.2 ? ?電路設(shè)計(jì)

2.2.1 ? ?電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能油煙機(jī)電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由直流供電單元、單片機(jī)處理單元、電機(jī)、4位琴鍵開(kāi)關(guān)、溫度傳感器、油煙傳感器等部分組成。在自動(dòng)模式下，溫度傳感器與油煙傳感器定時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度、油煙濃度，并發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行智能處理，通過(guò)光耦電路控制電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉、高速與低速運(yùn)行[2]。

電路各部分原理分析如下：（1）直流供電單元。直流電源部分，通過(guò)對(duì)220 V交流電進(jìn)行阻容降壓后，再進(jìn)行整流、濾波、穩(wěn)壓，得到5 V直流電，為單片機(jī)處理單元、溫度傳感器、油煙傳感器提供電源。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，性價(jià)比高。（2）單片機(jī)處理單元。電路設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制中心采用STC12C2052AD單片機(jī)，該單片機(jī)支持AD轉(zhuǎn)換，可直接讀取油煙傳感器輸出的模擬信號(hào)。單片機(jī)通過(guò)讀取琴鍵開(kāi)關(guān)、油煙傳感器及溫度傳感器的信號(hào)，智能選擇電機(jī)與照明燈的工作狀態(tài)。在單片機(jī)輸出控制方面，考慮到驅(qū)動(dòng)對(duì)象是交流電機(jī)，為減少電機(jī)啟停帶來(lái)的干擾，單片機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦后再通過(guò)繼電器來(lái)控制電機(jī)與照明燈，提高了電路的可靠性。（3）四位琴鍵開(kāi)關(guān)。四位琴鍵開(kāi)關(guān)作為輸入元件，是智能油煙機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的界面。（4）溫度傳感器。采用非接觸式紅外溫度傳感器模塊，通過(guò)檢測(cè)灶臺(tái)溫度，把數(shù)據(jù)提供給單片機(jī)處理單元，作為智能控制的依據(jù)。（5）油煙傳感器。智能油煙機(jī)采用QS-01油煙傳感器，用于檢測(cè)烹飪油煙，并輸出相應(yīng)的模擬信號(hào)，以供單片機(jī)分析處理。

2.2.2 ? ?主要元件參數(shù)

2.2.2.1 ? ?非接觸式紅外溫度傳感器

智能油煙機(jī)采用非接觸式紅外溫度傳感器模塊，它能根據(jù)被測(cè)物體的紅外輻射能量大小和波長(zhǎng)分布來(lái)檢測(cè)物體的表面溫度。該傳感器模塊內(nèi)置電平轉(zhuǎn)換電路，可直接接入3.3 V或5 V的MCU系統(tǒng);出廠自帶校準(zhǔn)，帶溫度梯度補(bǔ)償;主要用于高精度非接觸溫度測(cè)量、工業(yè)溫度控制、帶溫度控制的家用電器等場(chǎng)合。電路特性如下：（1）工作電壓3.3～5 V;（2）環(huán)境溫度測(cè)量范圍-40～85 ℃;（3）物體溫度測(cè)量范圍-70～380 ℃;（4）分辨率0.02 ℃;（5）視場(chǎng)角（FOV）35°。綜合來(lái)說(shuō)，該傳感器模塊具有非接觸式、高精度、高分辨率、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，能滿足對(duì)爐火、鍋具溫度的非接觸式快速檢測(cè)。

2.2.2.2 ? ?QS-01油煙傳感器

該模塊的電路特性如下：（1）探測(cè)一氧化碳等氣體，以及香煙、木材、紙張燃燒煙霧、油煙等;（2）輸出模擬信號(hào)/

PWM信號(hào);（3）響應(yīng)時(shí)間≤10 s;（4）工作濕度≤95%RH;（5）使用壽命≥10年。

該款傳感器具有靈敏度極高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)異、能實(shí)現(xiàn)故障自診斷、功耗低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于家庭用煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器及便攜式煙霧檢測(cè)儀器[3]。

2.3 ? ?程序設(shè)計(jì)

結(jié)合上述功能與電路設(shè)計(jì)，編制程序設(shè)計(jì)流程圖，如圖3所示，并采用C語(yǔ)言完成編程設(shè)計(jì)。

3 ? ?智能油煙機(jī)的亮點(diǎn)

3.1 ? ?健康衛(wèi)生

（1）智能油煙機(jī)能根據(jù)溫度、油煙自動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)，避免因?yàn)檫z忘未能及時(shí)開(kāi)啟電機(jī)的情況發(fā)生，減少油煙對(duì)皮膚、肺功能等的影響。（2）智能油煙機(jī)能自動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)、切換“高速/低速”檔位，無(wú)須手動(dòng)操作，避免了烹飪過(guò)程中人手對(duì)油煙機(jī)的污染，更避免了對(duì)食物的交叉污染，保障了烹飪過(guò)程的衛(wèi)生安全。

3.2 ? ?方便可靠

在自動(dòng)模式下，溫度傳感器與油煙傳感器定時(shí)檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)，發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行智能處理，并通過(guò)光耦隔離電路控制電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉、高速與低速運(yùn)行。光耦隔離能夠有效避免電路內(nèi)部干擾，保障電機(jī)可靠動(dòng)作。有了智能油煙機(jī)，做飯?jiān)俨慌峦_(kāi)、忘關(guān)油煙機(jī)，方便高效。

3.3 ? ?節(jié)能環(huán)保

自動(dòng)狀態(tài)下，智能油煙機(jī)能自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)，避免因?yàn)槿藶檫z忘而導(dǎo)致電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作，避免電能的浪費(fèi)。

3.4 ? ?待機(jī)功耗低

自動(dòng)狀態(tài)下，單片機(jī)大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)。單片機(jī)定時(shí)喚醒，用極小比例的時(shí)間去快速檢測(cè)溫度、油煙等環(huán)境狀態(tài)。因此，在無(wú)高溫、無(wú)油煙的待機(jī)狀態(tài)下，系統(tǒng)功耗極低。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

該智能油煙機(jī)的設(shè)計(jì)，通過(guò)紅外溫度傳感器、油煙傳感器智能檢測(cè)灶臺(tái)環(huán)境，能實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)啟、關(guān)閉油煙機(jī)，智能選擇電機(jī)高速、低速工作狀態(tài)。該智能油煙機(jī)具有健康衛(wèi)生、方便可靠、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已于2019年獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)，專利號(hào)201822150195.4。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李旭，李曉丹.餐飲油煙對(duì)人體健康的危害[J].節(jié)能與環(huán)保，2019（2）：28-29.

[2] 周航慈.單片機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)[M].3版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[3] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程：入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

收稿日期：2021-08-30

作者簡(jiǎn)介：許銀（1987—），女，廣東陽(yáng)春人，中技講師，研究方向：機(jī)電一體化。