浙江帅康电气股份有限公司 浙江宁波 315490
摘要：通过在油烟机上增加一个传感器，该传感器用于检测油烟颗粒物的浓度，依据该数据判定油烟机需要开启的风量档位，从而实现油烟机的智能化控制。研究了该传感器的使用寿命及其在油烟机上安装位置，通过对各种不同的安装位置进行比较、分析，设计出最佳效果的智能化控制的油烟机。
关键词：油烟传感器；粉尘传感器；风量档位自动控制；智能吸油烟机
Abstrac：By adding a sensor on the range hood, the sensor is used to detect the concentration of lampblack particles, and judge the air volume tap position that the range hood needs to be opened according to the data, so as to realize the intelligent control of the range hood. The service life of the sensor and its installation position on t the range hood e were studied. By comparing and analyzing various installation positions, the best intelligent control range hood was designed.
正文
吸油烟机是重要的厨房家用电器，是维持厨房内空气质量的重要工具，目前的吸油烟机的控制方式多是人工控制方式，何时开机、何时关机、该开多大风量档位都是靠人工参与。本文提出在吸油烟腔体内增加一个油烟传感器，通过它来感知空气中油烟颗粒物浓度，从而达到智能控制吸油烟风量档位开关的功能，利用实验手段对其安装位置进行评价和优化。
本次实验所使用的实验室尺寸如图一所示，空间尺寸为：270X230X 280cm（长X宽X高），右侧门尺寸：150X210cm（宽X高）。吸油烟机和灶具均采用浙江帅康电气股份有限公司生产的SPACE-H3烟灶套餐（图1）。烟机离灶具玻璃台面的安装高度是70cm。油烟传感器采用江苏友穗传感科技有限公司的OFST01-A油烟传感器，如图二所示。实验过程中用灶具对普通锅内的200ml的色拉油进行加热，锅内温度达到220℃左右时，加入20ml的酱油，然后间断的对锅内喷入水，让其产生烟雾。
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图一 图二
该实验室的使用环境基本模拟了家庭实际厨房的使用场景，要想使传感器能够及时准确的感知锅内产生的烟雾量的大小和烟雾产生的时间，传感器在油烟机上的安装位置尤为重要。既要考虑传感器的寿命，又要兼顾传感器感知的及时性和准确性。本文重点是依据实验和理论分析，研究传感器的寿命设计，钻研传感器的在油烟机上的安装位置，设计单片机的智能判定逻辑，从而实现吸油烟机的智能化控制。
1、传感器的寿命设计
OFST01-A油烟传感器利用光学照射的原理，通过光路与电路的转换，测量出检测范围内的粉尘和油烟颗粒物浓度，可以直接应用单片机UART通信。为了保证光学镜片不被油烟污染，在镜片和油烟通道之间设计新鲜空气通道，让镜片一直处于外界新鲜空气的风幕保护之下，如图三所示。
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图三
在寿命实验过程中，我们发现OFST01-A油烟传感器存在以下问题：
A:油烟通道的进气孔目前开孔尺寸为直通孔，直径3mm，在烟机累计使用500小时后，该通道四壁有毛细状的油烟污染物。
B:在烟机累计使用500小时后，光学镜片在10倍显微镜下观察，表面有细微的污染物。
持续进行累计寿命实验，记录第600小时、700小时。。。1000小时上述二处的污染状态，在显微镜下观察，污染量与使用时间基本成正比例关系。
得知了该比例关系后，我们采取了以下二个措施，第一是将油烟通道的进气孔直径从3mm扩大到直径4.5mm，同时将直通孔更改为喇叭状通孔，减少油烟颗粒与通道壁的接触机会；第二是采用算法消除误差，将芯片从镜片处读取的数据，随着使用时间的推移，乘以一定的放大系数，用以弥补镜片污染带来的误差。更改后重新做3000个小时的寿命实验，发现油烟传感器读取的数据一致性达到95%以上，实验目的达到，改进后的传感器可以在油烟机上使用了。
2、传感器的在油烟机上的安装位置
要想使烟雾传感器获得的数据与厨房内实际油烟量成正比例关系，传感器的最好安装在油烟机的风道系统内，实际实验中发现的确如此。
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图四
实验中发现在图四所示的风道内安装传感器，在油尚未下锅前，在干锅或热锅过程中，当锅内温度达到120℃时，传感器的PM2.5读数就开始增加，此时就可以判定打开油烟机；当油下锅时，温度达到220℃以上时，传感器的PM2.5读数开始暴增，提示油烟机风量可以开到最大档位；酱油下锅30秒后，传感器的PM2.5读数开始下降。烹饪结束后持续一段时间，PM2.5数据回归正常。
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图五
传感器的所有数据与实际厨房产生的油烟量数据吻合，但使用寿命相当的短，寿命实验中，累计使用800小时左右，传感器基本报废，相当于家庭实际使用三年左右。这个结果不能接受。
于是我们依据空气动力学理论和热力学原理，更换了传感器的安装位置，将其安装在风道外面的洁净区内，安装在油烟机正前方，操作面板开关的下面，如图五所示。
实验中发现在上图所示的风道外的传感器，在油尚未下锅前，在干锅或热锅过程中，当锅内温度达到120℃时，传感器的PM2.5读数开始增加，此时就可以判定打开油烟机；但一旦油烟机打开后，由于扩散的油烟被油烟机吸走，传感器的PM2.5数据马上下降，一分钟左右的时间后，气流平衡后，传感器的PM2.5的数据又开始上升。当油下锅时，温度达到220℃以上时，传感器的PM2.5读数开始暴增，提示油烟机风量可以开到最大档位；烹饪结束后持续一段时间，PM2.5数据回归正常。
传感器的实际读数与厨房的产生的油烟量数据不吻合，与油烟逃逸量吻合。在假设用户做菜过程中产生的油烟量基本一样，油烟机在整个做菜过程中一直保持最大风量档位，那么油烟逃逸量与厨房的实际产生的油烟量保持正比例关系。也就是说明我们只要找到合适的逻辑判定关系，安装在风道外面的传感器是可以作为智能油烟机自动风量控制的，同时其使用寿命得到大大提高，累计寿命实验中发现，3000小时内的测试数据一致性保持在95%以上。也就是说安装在风道外的传感器可以满足实验目的。
3、油烟机控制开关的单片机的智能判定逻辑
由于安装在风道外面的烟雾传感器的实际读数与厨房实际产生的油烟量呈间接关系，且在油烟机刚刚开启的瞬间，空气流通的平衡被打破，新的平衡尚未建立，烟雾传感器的实际读数骤然下降。当新的空气流通平衡建立后，烟雾传感器的实际读数与厨房实际产生的油烟量保持正比例的关系了，但其数据量的大小不是实际得烟雾量。所以用读数大小来控制油烟机风量档位显然不合适了。这时我们想到用传感器的读数变化率来作为判定条件就显得比较合适了，我们建立了下面的逻辑图。
吸油烟机开机条件及风量档位设定
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该逻辑判定关系巧妙的利用了油烟变化率来判定开机条件，用厨房开机前环境PM2.5数据最为关机条件。即避开了长时间累积使用传感器镜片的污染带来，又可以利用传感器数据与实际烟雾量的间接关系设定烟机风量档位。该逻辑判定关系又利用了人们使用吸油烟机的习惯：一旦油烟产生开启烟机，就不会短暂时间内关闭烟机，所以用这个习惯设计在烟机打开后新的空气流动平衡尚未建立前，油烟机风量档位只升不降；新的平衡建立后就可以自动升降档位了。
4、结论
使用进风通道喇叭孔设计且运算上采取了寿命衰减算法的油烟传感器，安装在油烟机风道外侧，利用数据变化率计算烟雾量是可以作为吸油烟机风量自动档位判定手段的，利用它与吸油烟机控制开关之间的单片机通信，就可以实现智能吸油烟机的全自动控制。
参考文献
[1]江苏友穗传感科技股份有限公司.一种风帘结构油烟传感器.中国专利号CN202010454167.0.
[2]司开波.自动抽油烟机控制系统设计.电脑知识与技术,2015.02.
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