厨房油烟智能化检测控制系统

0 引 言

中国的很多美食都源于丰富的烹饪技术，然而，很多烹饪方法会产生大量的油烟。这些油烟不仅污染空气，加重雾霾天气，而且人体如果长期吸入会使其免疫功能下降，导致呼吸系统病变、血液遗传病变和肺脏组织病变[1-3]。经调查发现，长期接触高温油烟患肺癌的危险性比普通人增加了2～3倍，长期从事厨房工作者肺癌发病率也比其他职业高[4-6]。造成这种现象的主要原因：(1)采用煤、煤气或天然气作为燃料，很可能会发生干烧、煤气泄漏的情况，或者厨灶燃烧过程释放出对人体有害的气体，比如一氧化碳、二氧化碳等；(2)高温烹饪过程中产生大量油烟，在高温下食用油和食物分解产生对人体有害的致癌物，油烟中含有多种有毒化学成分，对人体的血液循环、肺脏功能等具有很大的危害。

为了避免这些现象的发生，除了保持厨房良好的通风外，还要及时尽可能多的将油烟排出室外。目前，日常生活中几乎全部采用抽油烟机作为厨房排油烟的工具，且大多数油烟机都是采用手动控制。在做饭过程中每时每刻产生的油烟浓度大小并不一样，人们也无法准确感知油烟浓度的大小，如果随便选档抽烟，不但会造成不能合理利用油烟机的情况，而且达不到改善环境的目的。比如，当厨房烟雾浓度高时，选择抽烟机挡位低，导致排烟效果不明显，造成对人体伤害；当烟雾浓度低时，选择挡位高，抽油烟机功耗大，造成电能浪费。总之，采用手动控制的抽油烟机，不仅智能化低、使用不方便，而且带来的问题与当前提倡的节能减排、建设节约型社会的要求是有差距的，更无法满足人们对方便、快捷、安全健康生活方式的追求。因此，亟需研发一种能够自动检测室内油烟浓度、自动选档抽烟、自动显示环境温湿度等多功能的、高智能化、更加直观的现代化排油烟设备来方便人们的生活，保障人们的健康。

1 系统结构与控制原理

图1 系统结构框图

为了更加及时地排出油烟，减少对人们健康的危害，提高系统的自动化程度，设计了一种智能化厨房油烟控制系统，其结构框图如图1所示。系统主要包括主控单片机、油烟检测模块、温湿度检测模块、光感模块、电机驱动模块和显示模块等。系统以单片机STC12C5A60S2作为控制核心，通过烟雾传感器、温湿度传感器和光敏传感器对厨房环境的烟雾浓度、温湿度与光线亮暗度多种参数进行检测，将实际信号参数送给单片机分析处理，实现对电机转速的自动控制以及照明系统的控制。同时，并将实时的烟雾浓度和温湿度大小用液晶显示器显示出来。比如，当厨房内烟雾浓度超过最大值时，单片机会输出一个控制信号使蜂鸣器报警，并且控制电机，使抽油烟机以最快的速度工作，以便尽快地将厨房内的有害气体排出，使厨房油烟的浓度降到最低，避免给人们带来更大的危害。

2 系统硬件部分关键模块设计

2.1 烟雾浓度检测模块设计

为了及时地排出厨房油烟和有害气体，改善厨房的空气质量，系统设计了烟雾浓度检测模块检测厨房油烟和其他有害气体的浓度。一般而言，影响厨房空气质量的有害气体主要是油烟、水汽、液化气、丙烷等混合气体，同时，这些气体对厨房的安全也造成极大的影响[7]。由于MQ-2气体传感器对这些气体的检测灵敏度较高，因此，系统采用MQ-2气体传感器完成厨房油烟浓度的检测。

图2 烟雾浓度检测电路设计

系统烟雾浓度检测电路如图2所示。由图可知，MQ-2气体传感器的4脚输出随烟雾浓度变化的直流电压，与电位器Rp提供的参考电压比较。当烟雾浓度较高时，MQ-2气体传感器输出的直流电压高于比较器的参考电压，此时比较器输出低电平，送给单片机分析处理。同时，烟雾浓度大小可以通过模拟输出AOUT送给液晶显示器显示。

2.2 温湿度检测模块的设计

图3 温湿度检测电路设计

为了更加有效地改善厨房空气质量，厨房温度和湿度也是直接影响环境舒适度的重要因素，因此，对厨房温湿度的实时检测也是非常必要的。由于DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器[8]，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，具有响应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。所以，系统温湿度检测部分采用DHT11数字温湿度传感器来完成。图3为温湿度传感器与单片机之间的接线图。DHT11传感器的数据端口DATA直接与单片机的P3.2端口相连接，单片机主动读取DHT11传感器检测的温湿度值，进而送给液晶显示器LCD12864显示出当前环境的温湿度大小，以便人们采取措施降温除湿，尽量提高环境的舒适度。

2.3 电机驱动模块设计

整个厨房的空气流通依赖于抽油烟机的控制，因而油烟机的电机驱动问题是整个系统的控制核心。由于L298N[9]具有工作电压高、输出电流大、内含2个H桥的全桥式驱动器，系统采用PWM控制技术与L298N相结合，实现电机的调速。抽烟机电机控制电路原理图如图4所示。L298N的IN1和IN2引脚分别与单片机的P2.5和P2.6连接，将L298N的使能端ENA接入单片机的PWM输出I/O口P1.4引脚。L298N的输出OUT1和OUT2控制电机，通过单片机来控制电机的转速。图中二极管D1、D2、D3和D4构成了钳位电路，当线路上电压高于12 V时上侧二极管D1导通，电流流向12 V，电压稳定在12 V；当电压低于0 V时下侧二极管D3导通，电流流入驱动线，最终维持0 V。

图4 电机控制电路原理图设计

3 系统软件主要模块设计

3.1 烟雾检测子程序的设计

由于厨房油烟浓度大小不定，人们忙于做饭时无法准确地实时感知烟雾浓度的大小，随便选择了抽烟机抽烟的挡位，当油烟浓度较小而选择高强度抽烟时，会造成电能浪费；当油烟浓度较大而选低档抽烟时，油烟无法快速排放，且对人们身体造成伤害。因此，根据厨房油烟浓度大小，自动选择合适的抽烟挡位是非常必要的。烟雾浓度大小的检测是通过烟雾传感器来检测，单片机根据采集的烟雾浓度大小，合理的调节油烟机电机的转速，进而实现自动选档、自动换挡。

设计的烟雾检测子程序流程如图5所示。烟雾传感器将检测到的信号传送给单片机，单片机通过运算得到当前环境的烟雾浓度。如果当前的烟雾浓度小于160 mg·m-3，单片机控制电机以低速运行；如果当前的烟雾浓度在160～200 mg·m-3之间，单片机将控制电机以中等速度运行；当检测到的烟雾浓度大于200 mg·m-3时，单片机将控制电机以最高速度运转，并启动自动报警装置，提醒人们注意。

图5 烟雾检测子程序流程图

3.2 电机转速控制子程序设计

PWM即脉冲宽度调制，是指在固定时钟频率下，通过控制开关的通断时间来调节信号的占空比，实现对输出电压平均值的调整[10]。因此，系统采用PWM技术控制电机转速，应用Keil C语言编程控制，由定时器产生宽度可调的矩形波。通过调节矩形波的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，即通过对占空比的计算达到精确调整电机速度的目的。

图6 PWM控制调速流程图

图6为PWM控制调速流程图。当单片机检测到的烟雾浓度比较低时，单片机P1.4口将输出一个占空比为30%的波形，使抽油烟机的电机以最低的速度运行；当单片机检测到的烟雾浓度比较高时，单片机将PWM波形的占空比调节到60%，加快电机的运转，尽快排出烟雾；当单片机检测到的烟雾浓度比很高时，单片机将输出一个占空比为100%的波形驱动电机以最快的速度运转，排出烟雾。利用这种控制方法，准确地实现了电机速度的自动控制。

4 结 论

设计的智能化厨房油烟自动检测系统集单片机技术、传感器技术和PWM控制技术等多种技术于一体，完成了硬件电路和软件程序设计。经调试运行和实际投入实验表明，系统能够根据周围油烟浓度大小自动选档抽烟，并实时检测出周围环境的烟雾浓度、温湿度，并用液晶显示出来；系统还能检测周围环境的亮暗程度，自动控制照明系统的开关工作。设计的系统不仅克服了传统手动控制抽烟的不足，还能够检测出周围环境中的多种重要参数，并直观地显示出来，为更好地改善厨房环境质量奠定了基础。此外，在系统组成和软件设计方面都有很好的扩充性、移植性，该系统在其他相关环境质量改善场合也有着广阔的应用前景。