家用天然氣泄漏自動報警和換氣控制系統(tǒng)研究

郝少飛　周少鵬

摘要：近年來，天然氣等清潔能源行業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)逐漸被居民所肯定。但隨著天然氣用戶逐漸增多，天然氣安全的問題也成為關(guān)心的話題。文章基于AT89C2051單片機，設(shè)計出了可用于燃氣報警及換氣的系統(tǒng)裝置，以此更好地防范在天然氣使用過程中出現(xiàn)的天然氣泄露等問題。

關(guān)鍵詞：天然氣泄露；自動報警；換氣控制；AT89C2051；燃氣報警 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN09 文章編號：1009-2374（2015）05-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0346

我國現(xiàn)階段的天然氣的主要供氣方式是集中供應(yīng)，通過這一方式，不僅方便了燃氣公司的有效管理，還有效減少在中途的天然氣的損失，從而更加有效地減少環(huán)境的污染，既保護了環(huán)境，又降低了供應(yīng)天然氣的成本。隨著家家戶戶逐漸開始使用天然氣，暴露出一個比較嚴重的問題，那就是天然氣的安全問題。同時隨著科技的發(fā)展，各種各樣的天然氣報警裝置應(yīng)運而來，然而這些報警裝置在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上形式都比較單一，效果和功能也就相應(yīng)地滿足不了消費者的需求。而芯片技術(shù)的發(fā)展，對報警系統(tǒng)的智能化控制起著非常大的

作用。

本文以AT89C2051芯片，以天然氣傳感器作為主要的工具，當(dāng)家中天然氣的濃度超過一定濃度（濃度可自己設(shè)定），會自動報警并自動打開排風(fēng)扇將家中的天然氣排出去，降低家中天然氣的濃度，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)對家中天然氣濃度檢測，提高用戶使用天然氣的安全性，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 可行性分析

1.1 課題背景及目的

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，空氣污染逐年加重，為遏止我國空氣污染加劇的趨勢，改善城市空氣環(huán)境質(zhì)量，國家越來越重視天然氣等一些清潔能源的使用，天然氣已逐漸走進千家萬戶，特別是隨著“兩氣東輸”工程的快速進展，天然氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｈ欢烊粴獾男孤┍ㄊ鹿手鹉暝黾樱瑖乐匚：θ嗣竦纳敭a(chǎn)安全。為此，本設(shè)計主要是為使用天然氣的家庭用戶設(shè)計出一種可以檢測天然氣濃度的一種裝置，從而減少天然氣泄漏發(fā)生的事故，進而保證人民的生命財產(chǎn)安全。當(dāng)室內(nèi)天然氣超出一定濃度時（規(guī)定的天然氣濃度可自行設(shè)置），該裝置發(fā)出聲光報警信號并及時打開排風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)室外進行空氣對流，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1.2 主要內(nèi)容和方法

根據(jù)該裝置要實現(xiàn)的效果和功能，可將系統(tǒng)大概分為模擬信號釆集放大、模式信號處理控制、系統(tǒng)設(shè)置報警及換氣三個部分：（1）模擬信號釆集放大部分即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)天然氣的濃度，將這種濃度值轉(zhuǎn)化成電壓模擬量，然后通過運算放大電路進行必要的放大；（2）模擬信號處理部分是將采集到的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進行必要的處理，并將處理后的數(shù)字信號送至單片機中；（3）系統(tǒng)設(shè)置報警及換氣系統(tǒng)是通過預(yù)先設(shè)定的控制方式并利用蜂鳴器報警和自動打開排風(fēng)扇來實現(xiàn)系統(tǒng)的準確操作。

2 設(shè)計方案及電路

2.1 設(shè)計思路

用精確的天然氣傳感器首先檢測室內(nèi)天然氣的濃度，然后將檢測后的濃度與設(shè)定的濃度值進行對比，如果大于設(shè)定的濃度值，將高電平“1”送到相應(yīng)的單片機的I/O口，相反，如果小于設(shè)定的濃度值，將低電平“0”送到相應(yīng)的單片機的I/O口。通過單片機控制報警電路的工作狀態(tài)，然后由單片機來自動控制繼電器，打開排風(fēng)扇自動與室外進行換氣。

2.2 對AT89C2051單片機的說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低電壓，高性能8位CMOS微型計算機。主要引腳及功能：2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)的RAM，15根I/O口，兩個16位定時器，一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。

AT89C2051的引腳如圖1所示：

圖1 89C2051引腳圖

VCC：電源電壓。

GND：地。

P1口：P1口是一個8位雙向I/O口。口引腳P1.2～P1.7提供內(nèi)部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入（ANI0）和反相輸入（AIN1）。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當(dāng)P！口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端，當(dāng)引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的寫入“1”時，其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流。

RST：復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機器周器的高電平便可完成復(fù)位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。

XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。

XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。

2.3 氣體濃度檢測模塊

MQ-4傳感器簡介：

MQ-4氣體傳感器的主要材料是二氧化錫（SnO2），它具有在清潔空氣中的電導(dǎo)率比較低的優(yōu)點。MQ-4氣體傳感器對天然氣的主要成分甲烷的靈敏度較高，這個氣體傳感器可檢測除了天然氣的其他的多種可燃性氣體，是一款低成本的氣體傳感器。

模塊特色：（1）采用優(yōu)質(zhì)雙面板設(shè)計，具有電源指示和TTL信號輸出指示；（2）具有DO開關(guān)信號（TTL）輸出和AO模擬信號輸出；（3）TTL輸出有效信號為低電平（當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機或繼電器模塊）。

電氣性能：

輸入電壓：DC5V

功耗（電流）：150mA

DO輸出：TTL數(shù)字量0和1（0.1和5V）

特別提醒：傳感器通電后，需要預(yù)熱20s左右，測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定，傳感器發(fā)熱屬于正常現(xiàn)象，因為內(nèi)部有電熱絲，如果燙手就不正常了。

2.4 繼電器簡介

繼電器（Relay），也稱電驛，是一種精密控制器件，主要用于控制一些簡單的動作系統(tǒng)，實際上是通過控制較小的電流去控制大電流的一種比較安全的開關(guān)，所以在一些電路中起著安全、保護的作用。在咱們這個系統(tǒng)中主要用單片機自動控制它，間接地控制換氣

系統(tǒng)。

3 產(chǎn)品的優(yōu)勢

創(chuàng)新點在于：（1）不僅有檢測報警功能，而且具有自動控制排風(fēng)扇的換氣功能；（2）排風(fēng)扇的控制開關(guān)采用固態(tài)繼電器，消除了觸點暴露式開關(guān)存在電火花，可能引起爆炸的危險；（3）排風(fēng)扇設(shè)置為雙重控制方式，除了濃度超標時的自動控制，平時依然可以人工進行啟停控制。

4 結(jié)語

該作品適用于安裝天然氣的用戶，但也不僅僅局限于此，通過更換或增加傳感器還可以用于甲醛、煤氣等氣體的測量報警和自動處理等。

參考文獻

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[4] 王雪文，張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

作者簡介：郝少飛（1992-），男，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大三在讀學(xué)生，研究方向：單片機、嵌入式等；周少鵬（1992-），男，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大二在讀學(xué)生，研究方向：嵌入式等。

（責(zé)任編輯：周 瓊）