一种基于非接触式温度检测的安全监控装置的制作方法

本发明涉及一种基于非接触式温度检测的安全监控装置。

背景技术：

现有的厨房用监控装置，多采用温度传感器检测室内的温度，以及采用红外感应器感应是否有人在厨房，如公开号为201269558的中国专利公开了一种厨房燃气灶用火安全告知装置(申请号：200820014489.8)，包括温度继电器RJ1、人体感应热释红外传感器、无线电发射系统、多个无线电接收告知装置以及智能燃气阀门，温度继电器RJ1安装在燃气灶炉盘支架附近；温度继电器RJ1与人体感应热释红外传感器、智能燃气阀门、无线电发射系统以及电源电连接组成燃气监控系统；多个无线电接收告知装置分别固定安装在客厅、卧室内或人体活动配戴，组成燃气状况提醒告知系统。厨房用火时，人们一旦离开，若超过设定时间，本机将通过无线电的形式触发无线电接收告知装置，无线电接收告知装置会用语言提示使用者加以注意，直至使用者回到厨房被人体感应热释红外传感器检测到为止。这种厨房燃气灶用火安全告知装置虽然设置有温度继电器，但是，这种温度继电器灵敏度较差，由于设置在燃气灶炉盘支架附近，无法准确地感应炉体是否存在干烧，因此，这种厨房燃气灶用火安全告知装置的实用性大打折扣。

另外，在化学实验室，也存在烧杯等容器干烧造成事故的隐患。

因此，有必要设计一种灵敏度更高的安全监控装置。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于非接触式温度检测的安全监控装置，该基于非接触式温度检测的安全监控装置构思巧妙、易于实施，能有效防止锅或炉等容器干烧，灵敏度高，安全性高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于非接触式温度检测的安全监控装置，包括控制盒、红外温度传感器 和连接件；连接件一端接控制盒，另一端的端部设置有所述的红外温度传感器；

红外温度传感器用于检测容器的外壁温度；所述的容器为放置在加热装置上的烧杯、锅或炉；加热装置为燃气灶或微波炉等。

控制盒内设有控制电路和报警器；红外温度传感器与控制电路的输入端相连，控制电路中设有比较器单元，比较器单元用于比较红外温度传感器检测的温度与温度预设值，若红外温度传感器检测的温度值高于预设值，则由控制电路发出报警信号；

温度预设值为容器中的液体被烧干时容器外壁的温度值。

所述的连接件为柔性连接管，能自由和灵活调节红外温度传感器的指向。

报警器包括蜂鸣器、扬声器和无线报警信号输出模块中的至少一种，无线报警信号输出模块用于输出无线报警信号到智能终端，所述的智能终端为手机、平板电脑或接入到因特网或局域网的PC终端或笔记本电脑。

所述的无线报警信号输出模块为蓝牙模块、WiFi模块、GSM、3G或4G通信模块中的至少一种。

基于非接触式温度检测的安全监控装置还包括用于控制燃气灶的燃气供应的气阀，所述的气阀受控于所述的报警信号。

控制盒内设置有至少一个闹钟以及用于设置闹钟时间的信号输入装置。

控制盒上设有显示屏，所述的信号输入装置为编码开关。显示屏可以是触摸显示屏，则无需编码开关；作为优选，气阀也受控于闹钟输出的时间到达信号(即定时输出信号)，优选地，闹钟和编码开关均为3个。

基于非接触式温度检测的安全监控装置还包括与控制电路相连的可燃性气体传感器，控制电路通过可燃性气体传感器检测到可燃气体浓度超过预设浓度值时，启动报警器。

温度预设值为140～180℃中的任一值；这个数字范围是本发明应用在厨房时对应的温度范围，用在化学实验室等场合时，需要进行干烧测定后再确定温度预设值。

所述的控制电路为模拟控制电路或数字控制电路。模拟控制电路包括模拟比较器，数字控制电路包括数字比较器，必要时还包括A/D转换器。数字控制电路为单片机、DSP或ARM处理器。

温度预设值为150℃或160℃；

报警器包括蜂鸣器、扬声器和无线报警信号输出模块，无线报警信号输出模块用于输出无线报警信号到智能终端，所述的智能终端为手机、平板电脑或接入到因特网或局域网的PC终端或笔记本电脑；

所述的无线报警信号输出模块包括蓝牙模块、WiFi模块、GSM、3G或4G通信模块；

安全监控装置还包括用于控制燃气灶的燃气供应的气阀，所述的气阀受控于所述的报警信号；

控制盒内至少设置有3个闹钟以及用于设置闹钟时间的3个编码开关；

控制盒上设有显示屏，气阀也可以受控于闹钟输出的时间到达信号；

所述的安全监控装置还包括与控制电路相连的可燃性气体传感器，控制电路通过可燃性气体传感器检测到可燃气体浓度超过预设浓度值时，启动报警器；

所述的控制电路为单片机、DSP或ARM处理器。

红外温度传感器也可以是红外摄像头。

红外温度传感器采用较便宜的红外温度传感器MLX90614。

本发明的锅的干烧判断的构思是来源于生活的：炒菜时，随着加热时间的延长，温度会慢慢上升，但如果锅内有水分时，温度会在110℃以下，人们在操作时也不会让温度升得太高，因为温度太高了后会烧坏菜，而水份烧干后，如果没有人为关火降温，温度会随着时间的延长而继续升高，直到烧红甚至起火。根据这个过程和原理，只需要检测锅的温度，结合时间的长短就可以判断出锅是否处于干烧状态。

常用的温度传感器是接触式的，如半导体温度传感器DS18B20，热电偶，铂电阻等都需要将传感器与被测物体接触，才能测出温度。接触式测温虽然可靠，价格低，但用在厨房却十分不方便，因为电路部份不能在高温场合使用，而又无法将电路固定在锅上。另一方面由于锅在使用的过程中总在移动，将温度传感器固定在锅子上，采用导线连接电路的方式也是不可行的。所以不能使用接触式温度传感器的方案。

因此，需要采用非接触式温度传感器，红外热成像和红外温度传感器是目前最常用的方法。通常物体都会发出红外线，当物体的温度比背景温度高得越多时， 红外辐射越大，如果采用红外摄像头将红外线拍摄下来，就可以在图像中看到不同的亮度，亮度越高表示温度越高，这是军用的红外夜视仪采用的方法，能反映一个视角范围内的温度分布情况，信息全面，工作可靠，但通常价格非常高，一个红外摄像头的价格在几万到几十万元，出于成本考虑，不适合厨房或普通的实验室使用。红外温度传感器采用较便宜的红外温度传感器MLX90614，它是一个通用的红外测温模块。在出厂前该模块已进行校验及线性化，具有非接触、体积小、精度高，成本低等优点。被测目标温度和环境温度能通过数字信号输出，可以直接与单片机接口，适合于汽车空调、室内暖气、家用电器、手持设备以及医疗设备应用等。采用这种传感器温度时，要求传感器必须对准被测物体，本发明就是从台灯的灯杆受到启发，设计了一个金属软管作为温度传感器的安装支架。这样使用者在使用时只需要简单调整软管，让温度传感器对准发热的锅子就可以，由于温度传感器测温区域是一个扇形区域，大致对准就行了，这就大大提高了这个设备的易用性。

为了检测锅的干烧状态，试验了常用的多种锅：炒菜锅、高压锅、普通不锈钢水锅。锅的温度的检测与传感器对着的位置有关，当传感器正对着火焰与锅底的接口部及以下时，温度会高达260℃以上，但如果稍向上，让传感器器正对着锅体时，温度在非干烧状态下不会超过130℃，锅内的水烧干后，则温度开始上升，测试时，如果温度到达260℃时，锅已经发红。经过反复试验，将温度传感器对准锅的中间(没有火焰的部份，发现没有干烧时温度大多在100℃以下，少数情况没有对太准时也不会超过120℃)时，将干烧温度设置在150-180℃(优选160℃)可以很可行地检测到厨房用锅的干烧，且此时燃气灶处于安全燃烧状态，所以本发明将温度报警的默认值(优选值)设置在160℃。为了适应少数场合的需要，报警温度的设置值设计成了可调整，用户可以在0—255℃之间任意调整，但重新开机后又将恢复160℃的默认值。

有益效果：

本发明的基于非接触式温度检测的安全监控装置，具有以下功能：

(1)安全监视，可以对厨房或实验室等场合安全进行全时监测，配有可燃气体报警和红外温度传感器，当厨房或实验室中可燃气体(主要由燃气泄漏引起) 超过一定浓度或锅的温度超过160℃时会发出警报，该报警信号同时切断一个开关，可用于切断燃气灶的气源。

本发明的核心特点是采用红外温度传感器配合金属软管的测温模式，通过金属软管可以调整红外温度传感器对准位置，以及独创性地通过检查炉体外壁温度实现干烧报警，灵敏度高，安全性高。

(2)闹钟功能具备三个独立的闹钟，全部采用声光报警方式，操作简单，显示直观，适合家庭厨房尤其适合老年人使用。

(3)连接智能手机：通过蓝牙或其他无线方式与用户智能手机连接，定时器时间到或者是安全警报时都会及时通过手机或其他终端提醒用户，以方便使用者及时了解现场状态，避免安全事故。

(4)其中一个闹钟可以与输出插座连接，可以在闹钟时间到时立即断开电源开关，这种功能在厨房或实验室特别实用。

总而言之，本发明采用红外非接触测温技术检测容器的温度，并判容器是否处于干烧状态，如果是，则报警，同时具有燃气泄漏报警功能；可以同时设置4个闹钟，操作简单，显示直观，特适合家庭厨房以及实验室使用，尤其适合家里记忆力不太好的老年人使用。将报警信息通过无线技术在智能终端上显示出来，可以在手机等终端上方便地监视现场的安全情况。

综上所述，这种基于非接触式温度检测的安全监控装置构思巧妙，功能丰富，灵敏度高，能对用火现场进行实时监控，安全性高。

附图说明

图1为基于非接触式温度检测的安全监控装置使用时的示意图。

图2为安全监控装置的电原理框图。

图3为主程序流程图；

图4为定时器中断程序流程图；

图5为定时器工作状态程序流程图。

标号说明：1-控制盒，2-柔性连接管，3-红外温度传感器，4显示屏，5-编码开关，6-燃气灶，7-供气管，8-气阀，9-容器。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：如图1-5，一种基于非接触式温度检测的安全监控装置，包括控制盒1、红外温度传感器3和连接件；连接件一端接控制盒，另一端的端部设置有所述的红外温度传感器；

红外温度传感器用于检测容器9的外壁温度；所述的容器为放置在燃气灶6上的烧杯、锅或炉；

控制盒内设有控制电路和报警器；红外温度传感器与控制电路的输入端相连，控制电路中设有比较器单元，比较器单元用于比较红外温度传感器检测的温度与温度预设值，若红外温度传感器检测的温度值高于预设值，则由控制电路发出报警信号；

温度预设值为160℃。

所述的连接件为柔性连接管2，能自由和灵活调节红外温度传感器的指向。

报警器包括蜂鸣器、扬声器和无线报警信号输出模块中，无线报警信号输出模块用于输出无线报警信号到智能终端，所述的智能终端为手机、平板电脑或接入到因特网或局域网的PC终端或笔记本电脑；

所述的无线报警信号输出模块包括蓝牙模块、WiFi模块、GSM、3G或4G通信模块；

安全监控装置还包括用于控制燃气灶的燃气供应的气阀8，所述的气阀受控于所述的报警信号；

控制盒内至少设置有3个闹钟以及用于设置闹钟时间的3个编码开关；

控制盒上设有显示屏，气阀也受控于闹钟输出的时间到达信号；

所述的安全监控装置还包括与控制电路相连的可燃性气体传感器，控制电路通过可燃性气体传感器检测到可燃气体浓度超过预设浓度值时，启动报警器；

所述的控制电路为单片机、DSP或ARM处理器。

优选型号为STC15F2K60S2单片机，这是一个深圳公司设计生产的单片机，比传统的8051单片机要快很多倍，但功能与指令却是一样的，尤其是支持C语言编程。

在显示的问题上，数码管是最常用语的显示方式，程序和电路在网上也能找 到很多参考资料。但数码管显示内容单一，本项目需要显示的内容较多，因此，采用点阵式的液晶显示屏(LCD)，它可以在单片机的控制下显示图片、汉字、数字、各种字母和标点符号，甚至可以显示自己设计的图标。它由可以控制的点阵组成，由单片机控制这些点的显示或不显示，优选选择单色的点阵式液晶屏，分辨率为240*128点。

采用编码开关后，一个定时器的设置及工作状态切换只需要一个编码开关就能完成，整个界面只需要4个编码开关。实时时间的修改增加了一个按钮，这个按钮可让程序进入修改状态。

为了提高定时器的实用性，并充分利用单片机的功能，还给这个定时器设计一些辅助功能：控制1个继电器，时间到时断开电源；可燃性气体传感器，在检测到燃气泄漏时报警。为了调试方便，利用串行口扩展出一个USB接口，主要用于下载更新程序，蓝牙连接模块，用于连接智能手机。

CPU采用STC15F2K60S2，这是一个与8051兼容的单片机，但在引脚与速度方面有很大的提升。3个旋转编码开关用于设置3个定时器的时间以及开启与停止工作等操作，另一个旋转编码器用于设置报警温度值，继电器输出用于当定时时间到时切断输出电源，以关闭一些用电设备，另一个继电器输出用于切断气源。本系统中USB接口主要用于下载与调试程序。蓝牙模块通过串行口与CPU连接，模块本身内置了通讯协议。采用ZYMQ-2可燃性气体传感器检测可燃性气体的浓度，当厨房燃气有泄漏时向单片机发出信号，单片机接收到这个信号后发出报警信号，将报警信号发送到手机。

红外温度传感器MLX90614采用SMBus协议与CPU通讯，能将环境温度、目标温度以数据方式送出，CPU在收到后进行数据转换就可以得到温度值了。

MLX90614的SCL、PWM/SDA管脚直接连接MCU的普通I/O口即可，由于MLX90614的输入输出接口是漏级开路(OD)结构，需要加上拉电阻。多个MLX90614可以用于一个系统中，每个MLX90614对应一个不同地址，通过地址的不同而访问不同的MLX90614，最多可以达到127个。

发送和接收数据是以字节为单位进行的，每次发送一个字节(按位发送，发送8个位就是一个字节)，然后就判断对方是否有应答，如果有应答，就接着发送下一个字节；如果没有应答，多次重发该字节，直到有应答，就接着发送下一 个字节，如果多次重发后，仍然没有应答，就结束。接收数据时，每次接收一个字节(按位接收，接收8个位就是一个字节)，然后向对方发送一个应答信号，然后就可以继续接收下一个字节。从MLX90614种读出的数据是16位的，由高8位(DataH)和低8位(DataL)两部分组成，其中RAM地址07H单元存储的是TOBJ1数据，数据范围从0x27AD到0x7FFF，表示的温度范围是-70.01℃到+382.19℃。从MLX90614中读出的数据(DataH：DataL)换算为温度数据(单位为℃)如下公式所示：

T＝(DataH：DataL)*0.02-273.15；

软件主要由2个函数组成。

uint MEM_READ(uchar slave_addR，uchar cmdR)读取传感器内部的RAM数据，在传感器的RAM区中，地址06存贮有环境温度值，07H存贮有目标温度值。

void CALTEMP(uint TEMP)温度转换，将TEMP的数据按(式一)转换成温度，用于判断和显示。程序还包括温度采样滤波算法。

在实际测试中发现：程序对温度传感器的读取不是非常稳定，有时会一个偏离正常值较大的温度值出现，可能是读取时的通讯错误，也可能是温度传感器本身的干扰。解决的办法是对读取的数据进行滤波处理。滤波的常用方法是进行多次读取，求平均值，次数越多，数据越稳定，但会需要较长的时间。通过观察温度的实际情况，发现错误不是很多，但每次的偏离较大，而且通常不会连续出现错误，于是采用“读取三次取中间值”的方法。采用“冒泡法排序”，读取三次温度值后，采用“冒泡法”将三个温度值从低到高排序，取中间的温度值作为当前实际温度。经过这种方式处理，能实现温度的稳定检测。

采用240*128点阵式液晶显示屏，可以显示汉字、图形、数字等。显示内容丰富简洁，包括各个定时器的状态，实时时间，厨房温度等。

定时器处理

用单片机中的定时器，每秒钟产生一个中断，在中断函数中通知主程序读取当前的实时时钟，并根据每个定时器的状态，计算处于打开状态的定时器的剩余时间或者超时时间，并显示出来。

由于晶振频率是11.0592MHz，这个芯片的计时频率与晶振频率相同，定时器1只有16位二进制数来表示计时，所以最大定时只有约5.9毫秒，所以把定时器设置成0.5毫秒中断一次，在中断程序中将变量systime加一，加2000次后就正好是一秒钟了，再将秒标志bsec置1。另外在程序中，由于采用了旋转编码开关作为设置时间的开关，为了进行程序去抖动，以提高操作的可靠性，经过试验验证，旋转编码开关每0.5毫秒检查一次最为合理，操作起来是方便，所以在中断程序中检查了旋转编码开关的状态，并保存在了变量K中。

void TimeOP(void)在主程序中每秒钟执行一次，判断定时器的状态并处理显示的内容。定时器总是工作在以下四种状态：关闭(状态0)、运行(状态1)、报警(状态2)、停止(状态3)。关闭状态下，显示器显示“关”，定时器不计时，按下对应的开关后进入运行状态；运行状态表示定时器计时还没有到预设的时间，显示器会显示剩余的时间，当剩余时间大于1分钟时，以“分钟”为单位，小于1分钟时，就以“秒”为单位，当时间到了后自动转入状态2，或者按下对应开关后转入“停止状态”；报警状态表示定时器预设的时间已经到了，蜂鸣器会发出声音报警，显示器显示闹铃符号，同时显示超时时间(以秒为单位)，30秒后自动转入停止状态，在停止状态下，显示器保持原来的显示不变：显示“超时30秒”及闹铃符号，但蜂鸣器停止发出声音，与关闭状态的显示不同，以提醒用户这个定时器时间到了，但用户没有理会它，按下对应开关后进入关闭状态。

可燃性气体监测

采用ZYMQ-2可燃性气体传感器检测燃气的泄漏，这种传感器可以检测液化气、酒精等常见的可燃性气体浓度，检测范围为100-10000ppm，以电压方式输出，作为厨房报警使用时，并不要求知道具体的浓度，只需要在有危险时给出报警就行，为了简化设计，在传感器输出后加了一级比较器，正常时输出高电平，当浓度大于500ppm时输出低电平，单片机只要检测到这个低电平就发出燃气泄漏报警信号。

蓝牙功能

在家庭使用时，常常是厨房里有食物在炖，人却在客厅短暂休息，为了适用这种情况，设计了蓝牙功能，配合手机AAP软件，就可以在智能手机上查看定 时器的时间是否已经到了。采用了一个蓝牙转串行口的模块(型号为SPP-CA)，它可以解析蓝牙协议，并在转接成功后成为一个透明的串行口，由此单片机就可以以串行口来使用蓝牙功能。

附表：主要元件清单