摘要：目前厨房因燃气泄漏造成的安全事故防不胜防，同时，室内PM2.5颗粒浓度超标会危害用户的健康，为了解决这个问题，设计了一种可以检测空气质量的吸油烟机。该机基于SolidWorks三维软件进行整机的结构组成，并借助Keil C51编程软件进行电路控制系统设计。首先，阐述该机的设计原理与开发流程；其次，对该机的结构组成进行了介绍；然后介绍整机的控制系统设计；最mg m3或PM2.5浓度大于或等于允许值50μg/m3时，自动开启油烟机运转，快速排出有害污染气体，直至空气质量小于或等于允许值时将自动关闭油烟机，无需人工操作。与现有技术相比，本机更具智能化，通过空气质量检测模块的作用，能够实时监控用户厨房有害气体的浓度，当有害气体超标时，由蜂鸣器发出警报，自动启动吸油烟机并加大转速排出有害气体，防止用户因有害气体中毒的现象。

　　关键词：吸油烟机；燃气泄漏；PM2.5;检测模块；SolidWorks;Keil C51;实时监控

　　0引言

　　在厨房的空气中，难免会产生一些有害气体，如燃气泄漏或燃烧不充分导致的CO浓度超标，以及烹饪后产生的PM2.5等有害空气污染物，据中国城市燃气协会安全管理委员会发布的《2023上半年全国燃气事故分析报告》统计，2023年上半年，全国因燃气泄漏造成的事故共294起，造成57人死亡，197人受伤的严重后果，给人们的生命财产带来了严重的威胁。在新冠肺炎在全球盛行的时期，研究者们根据Medline、Embase和WHO COVID-19数据库截止2022年6月30日来源，研究分析表明，环境颗粒物小于或等于2.5 mm(PM2.5)与新冠肺炎(COVID-19)感染率、严重程度和死亡率存在着显著关朕，是新冠肺炎的主要传播途径，因此开发一款可以检测有害空气质量和拥有自动控制系统的吸油烟机势在必行。针对CO、PM2.5浓度超标给人们带来的巨大伤害，国内外科研人员也开发了一些可以检测CO和PM2.5的仪器，但只限于矿业、汽车及医疗等行业，没有将检测空气质量的功能应用到吸油烟机上来，市场上的吸油烟机功能仅限于排出厨房内的油烟，功能单一，无法检测室内空气的质量。

　　本文分析了吸油烟机的工作原理，通过对其控制系统植入CO及PM2.5检测模块，设计了一种可以检测空气质量的吸油烟机，可以对一氧化碳浓度及PM2.5浓度超标能够自动启动吸油烟机，排出有害污染气体同时发出蜂鸣警报声音提醒人员及时撤离现场，杜绝安全事故的发生，具有很强的实用性。

　　1设计原理与开发流程

　　1.1设计原理

　　吸油烟机是利用空气动力学[1]为基础原理而设计研发的，通过电机驱动风轮作高速旋转，使炉灶上方一定的空间范围内形成负压区，将室内的油烟气体吸入吸油烟机内部，风轮的高速旋转对油烟气体进行分离，风柜中的油烟受到离心力的作用，油雾凝集成油滴，通过油路收集到油杯，最后净化后的烟气沿固定的通路排出，从而达到净化厨房内空气的效果。而自带报警系统的吸油烟机，其自动报警系统在吸油烟机不工作时处于警备状态，内部的单片机控制芯片通过对空气污染等级，以及PM2.5颗粒等级的检测，在一定空气质量达到一定污染允许值时，将自动开启油烟机运转，快速排出污染气体，当空气质量恢复正常后，自动关闭吸油烟机。

　　1.2开发流程

　　吸油烟机的开发流程如图1所示，主要有如下9个阶段。首先是根据市场或客户需求，提出新产品的基本性能、特点及具体要求对设计部门下达立项通知书；其次由开发者根据需求制定设计方案，通过三维设计软件SolidWorks绘制出三维模型或2D工程图，同时借助Keil C51编程软件进行控制系统电路设计，召集相关专家进行设计评审，结论为不通过(NG)则需整改后再评审，结论为通过(OK)则进行下一阶段；然后是样机制作，手板样机制作和模具样机制作统称为样机制作，通常是手板打样组装测试没问题后再进行模具样机制作，进行测试后再评审，同设计评审流程，结论为NG则需整改后再评审，结论为OK则进行下一阶段；再者是小批量试产阶段，此阶段由车间主导，设计者在现场指导，直到生产出第一台产品，再进行试产评审，将所有问题点整改关闭后，最后进入大批量生产阶段。

　　2结构组成

　　本文介绍的吸油烟机以欧式侧吸烟机为主体，图2为其主要部件分解示意图，主要由机壳、风柜、风轮、电机、金属铝网、LED灯、开关装置、止回流阀和排烟管组成。图3为SolidWorks三维软件3D结构设计图。

　　2.1机壳

　　由壳体及玻璃面板组成，其中壳体采用冷轧薄钢板冲压成型再进行表面喷涂处理的工艺，具有表面光亮，美观又不怕生锈的优点，相比其他材质性价比较高。而玻璃面板采用钢化玻璃材质，具有高强度，使用安全且表面易于清洁的特点，是安全玻璃的一种，此机有二块玻璃，两者之前有30 mm的间隔距离，是油烟的进风区域。其中一块是底玻璃，安装在机壳上，用于安装开关控制组件，另一块是玻璃门，通过气弹簧、支架等零件组装在壳体上，可以打开与关闭，平时使用时是关闭状态的，只有更换过滤网时，才需要打开玻璃门。

　　2.2风柜

　　主要由蜗壳体、蜗舌、出风口和进风口组成，蜗壳体根据阿基米德螺旋线[2-3]进行外形制作，材质选用通常为金属和塑料二类，其作用是收集风轮甩出的气体，使其流向出风口，并在这个流动过程中使气体从风轮处的动压能一部分转化成静压能，形成风压，实现流体的输送和气体的循环，其结构的合理性决定了吸油烟机的排风量和噪声，是连接吸油烟机壳体与排烟管道的重要组成部分。

　　2.3风轮

　　结构采用圆形叶片状风轮，通常外径尺寸在200-240 mm之间，叶片是风轮的重要部分，它的形状和数量对排风效果有很大影响，它们通过一定的角度排列在风轮上，叶片的材质通常为金属或塑料，金属叶片具有较好的耐热性和耐腐蚀性，使用寿命长，而塑料风轮则易加工、更轻便且价格较金属风轮便宜，两者均要求有良好的动平衡性能。风轮一般安装在电机上，由电机带动风轮作高速旋转，其前后会形成高压、负压区域，高压区域能够将油烟吸入油烟机内，产生流动的气流，使低压区域的油烟通过排风管排出。

　　2.4电机

　　本机采用铁壳滚珠三速电机，顺时针旋转，功率为125 W,全密封工作方式。正常负载的高速挡转速(1 200±100)r/m in,中速挡(900±100)r/m in,低速挡(700±100)r/m in,转速是吸油烟机的重要指标，转速越高，吸排效率就越高，但噪音也会相应增加。电机是整个吸油烟机的核心，主要作用是给风轮提供动力，电机质量直接影响吸油烟机整体的优劣。

　　2.5金属铝网

　　安装在机壳与风柜进风口之间，本机采用铝合金过滤网，结构由3~5层铝网、铝框、插脚及扣手组成，具有防火、防锈、可反复清洗且使用寿命长的优点，主要用途一方面起过滤油烟的作用，当油烟通过滤网时，油脂会吸附在滤网上，可以帮助挡住杂质，对吸油烟机内部起到一定保护的作用；另一方面防止人体手、头发卷入吸油烟机内被高速旋转的风轮伤害到，有安全保障的作用，图4所示为金属铝网结构示意图。

　　2.6 LED灯

　　本机采用LED灯照明，具有节能、寿命长且灯表面不会产生过热的现象，使用安全方便，而且可以调节颜色和亮度，在家电产品中广泛使用。照明灯通常安装在机壳下方，起到辅助照明的作用，方便用户在烹饪的过程中，清晰地看到锅内食物的状态，同时有美观装饰产品的作用。

　　2.7开关装置

　　本机通过发光旋钮开关来控制吸油烟机的电源开关、灯光控制、电机档位控制等，具有灵活、可靠、易操作等优点，图5为发光旋钮开关示意图，由旋钮座、旋钮盖、旋钮外圈、点动按键、开关控制板等组成，与开关盒装在机壳的底玻璃上，顺时针旋转旋钮外圈则风机进档、反之则退档，当旋转到一定角度时，下方对应的档位指示灯会亮起，轻触中间灯按键则控制灯的开关，旋钮外圈与旋钮盖之间布有一圈发光带，当有害气体超标时，发光带显示红色，正常值显示蓝色。

　　2.8止回流阀

　　止回流阀由2片金属或塑料阀片组成，安装在风柜的出风口座顶部，只可以朝气流方向打开。当吸油烟机开始工作时，由于气流推动，2个阀片打开，油烟排到公共烟道内；当吸油烟机停止工作时，阀片在重力作用下自动关闭，将油烟通道与公共烟道隔开，防止公共烟道的油烟倒灌进来。

　　3控制系统设计

　　3.1电路原理

　　包括CO气体检测模块、PM2.5颗粒检测模块、蜂鸣器、显示模块、风机驱动模块等外围控制电路，均与单片机相连，单片机控制芯片通过对空气污染等级，以及PM2.5颗粒等级的检测，在一定空气质量达到一定污染允许值时，蜂鸣器发出警报，提醒用户离开现场，并自动开启吸油烟机运转，快速排出污染气体，当空气质量恢复正常后，自动关闭油烟机。图6所示为控制系统电路原理框图。

　　3.2运行流程

　　选择一款集成有AD转换模块的单片机芯片，通过单片机芯片对放大电路输出的电压信号进行AD转换，得到当前空气中的CO气体浓度，同时由探测光路对空气中的颗粒浓度进行探测，将两种浓度值与允许值进行对比，然后输出相应的控制信号来控制其他外设的工作（风机驱动模块、蜂鸣器、数码显示管）以及实现对吸油烟机总电源的控制。单片机采幅值为0~3 V,用来对放大信号进行AD转换和滤波处理，将滤波的结果显示在数码管上，并与允许值比较，若小于允许值，则继续检测；若大于允许值，检查此时吸油烟机是否处于工作状态，若未处于工作状态，则启动蜂鸣器报警并启动吸油烟机，直到空气浓度质量恢复允许值后自动停止吸油烟机；若此时吸油烟机正处于工作状态，则启动蜂鸣器的同时，自动增大风机的转速，以排出与不良的气体，保护室内人员的健康[4-7]。图7所示为整机控制系统运行流程。

　　3.3整机控制电路设计

　　整机控制系统包括CO气体检测模块、PM2.5颗粒检测模块、蜂鸣器、显示模块、风机驱动模块等外围电路，所述CO检测模块、PM2.5颗粒检测模块、蜂鸣器、显示模块、风机驱动模块均与单片机相连，由单片机接收信号并输出相应的控制信号来控制其他外设的工作，图8为整机控制系统电路设计图。

　　3.4 CO检测模块

　　选择一款具有优良特性的CO传感器，能够产生与一氧化碳气体浓度与正比的电流信号，本机采用SureCell-CO(M)敏感元件，CO通过微小的传感器透气孔进入到传感器内部，在过滤器中可以加入活性炭过滤一些不需要的气体，同时将CO气体保留，最终CO分子到达工作电极表面，采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

　　在工作电极表面，CO发生氧化还原反应，化学方程式为：

　　CO+H2 O→CO2+2H++2e-

　　O2+4H++4e-→H2 O

　　其中，自由电子的数量与CO气体的浓度成正比，经过工作电极引出，放大的检测处理，辅助／参考电极的作用是给工作电极提供稳定的电动势。

　　3.5 PM2.5检测模块

　　采用粒子计数原理，利用功率电阻加热空气，热空气上升带动环境气体(PM2.5)进入探测光路[8-12],从而进行探测，再由模块上的信号检测芯片，根据颗粒浓度转换为PWM与UART两种信号输出，连接到单片机输入引脚。

　　4测试验证与结果分析

　　为了进行设备的测试工作，在实验室进行测试吸油烟机的实际性能[13-16],首先测试人员戴好防毒面具，将具备空气检测的吸油烟机（如图9)安装在一个10 m2的房间里，室温为(20±5)℃,室内空气中CO浓度小于30 mg/m3,PM2.5含量小于50μg/m3的环境里，然后在吸油烟机1 m范围内释放相应测试介质，进行空气质量检测性能测试，用Testo烟气分析仪（图10)测得CO浓度，用激光粉尘仪（图11)测得PM2.5浓度，分为4种情形来测试，具体要求及测试结果见表1。测试结果表明：采用本文设计的空气检测的吸油烟机方案，当室内CO及PM2.5浓度达到设定值时，能自动开启油烟机运转，快速排出污染气体，同时发出蜂鸣警报声音提醒人员及时撤离现场[17-20],防止人员的中毒，杜绝了安全事故的发生。

　　5结束语

　　本文以吸油烟机为研究以象，结合国内外厨房经常因燃气泄露造成人员CO中毒及室内PM2.5浓度超标危害人体的健康，设计了具备空气检测的吸油烟机，能解决厨房内由于空气污染而带来的安全问题，本文的创新内容如下。(1)通过CO检测模块的作用，能够实时检测厨房内的CO浓度，当CO浓度超标时，由蜂鸣器发出警报并自动开启吸油烟机，恢复正常值时能自动关闭吸油烟机，防止人员的中毒和杜绝爆炸安全事故的发生，植入了智能元素，具有创新性。(2)通过PM2.5检测模块的作用，能够实时检测厨房内的PM2.5浓度，当PM2.5浓度超标时，由蜂鸣器发出警报并自动开启吸油烟机，恢复正常值时能自动关闭吸油烟机，减少PM2.5对人体健康的危害，实用性很强，具有新颖性。

　　参考文献：

　　[1]张好运，廖思耀，范广军．基于汽车实际行驶姿态的气动力风洞试验分析[J].科学技术创新，2024(1):43-46.

　　[2]潘地林，丁维龙，许云龙．离心式通风机蜗壳型线设计方法的理论分析与试验研究[J].流体机械，2002(4):4-7.

　　[3]张志强，宋凤民，张秦，等．气溶胶微生物粒子计数仪光学系统设计[J].中国激光，2021,48(7):174-181.

　　[4]许元，胥建鹏．基于ZigBee技术的空气质量检测系统研究开发实现[J].电子技术与软件工程，2018(17):74-75.

　　[5]肖专，张旺．避难硐室空气幕速度与CO浓度的检测研究[J].科技创新与生产力，2017(9):65-67,71.

　　[6]孟萍萍．基于FPGA的多功能空气质量检测仪设计[D].重庆：重庆大学，2015.

　　[7]冯林．一种用于家庭室内空气质量检测设备的设计[J].商品与质量，2011(S4):228-229.

　　[8]许晓东．创造良好的家居环境[N].消费日报，2009-12-09(B02).

　　[9]耿世彬，袁印奎，贾代勇．室内气态污染物检测技术现状与发展[J].洁净与空调技术，2002(4):15-18,22.

　　[10]周玲.PM2.5浓度再降提升百姓蓝天幸福感[N].淮南日报，2024-01-17(002).

　　[11]王荣，张邱栋，张懿烨，等．细颗粒物致人肺泡上皮细胞炎性反应关键组分及机制探究[J].陕西医学杂志，2024,53(1):8-12.

　　[12]李洁，陈新星，董晶晶，等.2016—2020年南京市城区细颗粒物中碳组分污染特征研究[J].中国资源综合利用，2023,41(12):222-227.

　　[13]黄冠聪，黄晓波，颜敏．深圳市典型建筑工地PM 10和PM2.5排放因子研究[J].广东化工，2023,50(24):121-123.

　　[14]陈泉．基于物联网声控传感技术的智能厨房油烟机控制系统的研发．浙江：宁波舜韵电子有限公司[Z].2022-06-16.

　　[15]冯良林．一种智能节能抽油烟机．湖北省，湖北金稻田商用厨具有限公司[Z].2022-05-01.

　　[16]胡锦铨，梁乒．吸油烟机控制器设计与抗干扰技术[J].自动化与信息工程，2012,33(1):40-42.

　　[17]阮晨，阮班志，阮晓雷，等．一种家用厨房油烟环保净化处理系统．湖北：武汉佳福节能环保高科股份有限公司[Z].2022-05-01.

　　[18]徐雨辰．屋外北风吹屋内油烟飞？厨房油烟防倒灌得从源头解决[J].家用电器，2022(1):29.

　　[19]潘益玲．基于单片机的抽油烟机自动控制无级调速电路设计[J].科技经济市场，2017(12):9-11.

　　[20]迟宗涛，吕琨，叶亮，等．基于传感器的变频式吸油烟机[J].家电科技，2005(2):56-57.