基于家用插排溫度實時監測報警裝置的設計

劉琛一 蘭依依 熊博文 湯德浩 付 帥

（鄭州航空工業管理學院 民航學院，河南 鄭州450046）

隨著社會經濟的高速發展和科技的進步, 人們生活水平的提高,各類家電產品已經得到普及。家用電器增加的同時，家用電插排的安全問題隨著其使用數量及頻率的增加而日益突出，據統計，火災事故中有30%以上是由電氣火災引起的，其中插排是主要誘因，因此，如何借助新的技術手段提高插板安全水平成為當今社會亟待解決問題之一。

為解決這一問題，本文設計了一款基于家用插排溫度實時監測報警裝置，該裝置輔以K 型熱電偶、MAX6675 熱電偶模塊、蜂鳴器、RGB 指示燈等低成本裝置,借助物聯網技術對插排線路溫濕度進行實時監測、通過閾值設定開展分級預警，實現動態監控及發出警報的功能。該產品可以降低其因自身危險性給人帶來風險的概率，對于預防家電火災事故，保障人們生命安全與財產損失具有重要意義。

1 裝置設計框架

從插排使用安全性、實用性的角度出發，利用單片機的可編程性為一體，實現了對插排的實時監控。故整個設計方案以Arduino 單片機作為主控制器，在溫度測量、風險預警、弱電流控制強電流開關等方面也有相應的控制元件，當裝置被連接時,屏幕顯示時間、實時溫度及設定的溫度上限閾值，整體框架如圖1所示：

圖1 裝置總體結構框架圖

2 防爆防燃插排硬件裝置

2.1 K 型熱電偶

K 型熱電偶是一種能測量較高溫度的廉價熱電偶，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調節器配套使用，可以直接測量各種生產中從0℃到1300℃范圍的液體蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。具有結構簡單、使用方便、測量精度高、熱響應時間快、測量范圍大等特點。

2.2 MAX6675 數字轉換器

MAX6675 是美國Maxim 公司推出的帶有線性校正、冷端補償、信號放大等特性的K 型熱電偶轉換器。它擁有簡單的3 位SPI 串行接口以及12 位0.25℃的分辨率，冷端補償范圍為-20-80℃、測溫范圍為0℃-1023.75℃。MAX6675 在使用時能夠迅速且精確地把K 型熱電偶獲取的溫度信號模擬量轉換為12bit 對應的數字量，且將轉換后的數字量實時傳輸給單片機。MAX6675 引腳排列如圖2。

圖2 MAX6675 引腳圖

2.3 Arduino-UNO-Rev3 開發板

Arduino 是一款基于ATmega328P 的微控制器板。它有14 個數字輸入/輸出引腳，6 個模擬輸入，16MHz 晶振時鐘，USB 連接，電源插孔，ICSP 接頭和復位按鈕。只需要通過USB 數據線連接電腦就能供電、程序下載和數據通訊，其電路圖如圖3 所示。

2.4 其他硬件裝置

此外, 該裝置還包含蜂鳴器模塊、RGB 小燈、電流繼電器、SSD1306-OLED 顯示屏等裝置。

3 插排溫度實時監測裝置設計

插排過載最熱點及閾值測定實驗:

圖3 Arduino-UNO-Rev3 電路圖

為了準確設定閾值，提高裝置數據的精確性，通過實驗方式，分別分析插排內外線路在過載工作狀態下溫度變化趨勢。測量裝置由溫度采集模塊、可調功率變阻箱、PC 機等組成。

3.1 最熱點測定

實驗選取額定功率為3000W 家用插排，維持室溫為25℃恒定，調節變阻箱到3800W，使其遠超出插排正常工作額定功率，插排內部零線處固定K 型熱電偶，觀察插排狀況，插排內部線路溫度變化趨勢如圖4 所示：

圖4 實際功率3800W 溫度曲線圖

實驗開始，插板內零線溫度均快速升高，可觀察到有白煙從插排內部冒出，并伴隨插排絕緣材料燒焦異味，實驗進行至5分鐘時，插排發生自燃，內部零線被燒斷，絕緣外殼遭到損毀。易得出插排內部零線為過載工作最熱點。

3.2 溫度閾值設置

溫度閾值設定實驗條件與之前保持完全一致，為充分觀察內部零線溫度趨勢，實驗選擇將變阻箱功率至3200W，將K 型熱電偶觸頭插入插排內部零線并與其固定，其溫度變化趨勢如圖5 所示。

由圖5 可觀察到，經前期短暫維持室溫后，插排內部線路溫度持續上升，實驗進行至第10 分鐘，溫度達到65℃，且速率放緩；當實驗進行至第23 分鐘，溫度顯示達到70℃并在4 分鐘內基本維持恒定，此時觀察到插排有絕緣材料燒焦異味，白煙持續由插板內部冒出，同時插板外部線路發熱變軟，橡膠表皮發黃，當實驗進行至第28 分鐘，插排內部線路熔斷起火且功能性失效，塑料外殼被燒穿，溫度再次快速上升。

圖5 實際功率3200W 溫度曲線圖

通過分析插排內部溫度變化趨勢，并結合實驗現象，可以科學地設置分級閾值溫度：根據公式Q=I2Rt，插排在正常功率工作狀態下，放出熱量與工作時間呈正相關，在室溫恒定情況下，溫差越高，散熱越快。當插排內部溫度達到65℃時，溫度增長速度明顯放緩，說明此時產熱量與散熱量基本平衡，插排溫度基本達到正常工作極限，故將65℃設定為二級預警溫度，此時蜂鳴器發出間斷警報聲，RGB 小燈閃爍黃燈，以警示用戶插排臨近危險狀態；當插排內部線路達到70℃時插排已處于極度危險狀態，即將發生燃燒，故將70℃設置為一級預警溫度，蜂鳴器發出急促警報聲，RGB 小燈閃爍紅燈，提醒用戶需立即采取措施。

4 結論

4.1 基于家用插排長時間使用的自身危險性，為了更加有效的防止其事故發生，本文提出了一款基于家用插排溫度實時監測報警裝置，利用K 型熱電偶，MAX6675 數字轉換器有效地對插排工作狀態進行實時監測。

4.2 通過實驗尋找到插排過載工作的最熱點部位，通過繪制溫度變化曲線圖，結合插排實驗現象，設置了科學合理的閾值溫度。

4.3 產品各元器件性能優良、質量可靠、成本低廉，實現對插排工作狀態的實時監控、聲光雙重報警及分級預警功能，有效的起到了警示用戶的作用，降低了插排在負載過大的情況下所易導致的風險，大幅延長插排使用壽命，提升產品安全性能。起到了有效的警示效果。