家用煤氣泄漏檢測與自動處理系統

2015-04-18 05:38:05董文濤程醒沈陽航空航天大學

科學中國人 2015年20期

董文濤，程醒沈陽航空航天大學

家用煤氣泄漏檢測與自動處理系統

董文濤，程醒
沈陽航空航天大學

摘要：如今隨著越來越多的家庭開始使用煤氣的同時，煤氣泄漏引起的事故也日益增多，這嚴重危害人們的生命與財產安全，煤氣泄漏日益成為人們關注的焦點。本設計就是基于STM32單片機的家用煤氣泄漏檢測與自動處理系統，該系統引入智能家居設計理念，不僅能夠實時檢測、監控與報警，而且在報警的時候能夠把報警信息通過GSM通信模塊發送到主人手機上同時可啟動廚房排油煙機，將有毒氣體排出并關閉煤氣閥門。

關鍵詞：STM32單片機；智能家居；煤氣檢測；GSM通信模塊

現在人們的生活水平有了很大的改善，很多家庭都用上了管道煤氣。管道煤氣的一氧化碳含量為25％～30％，如果管道漏氣、開關不緊，或燒煮過程中沒有充分燃燒，都會產生并積累一氧化碳氣體，一氧化碳無色無味，不易被察覺，當空氣中一氧化碳含量達到0.04％～0.06％時，就可使人中毒；超過0.1％時，只要吸入半小時，人就會昏睡，進而昏迷；達到0.4％時，只要吸入1小時就可致人死亡。其與空氣混合達12.5％時，還可能產生爆炸，造成極其嚴重的后果，給人民和國家帶來很大的損失。所以能夠研制出有效并且用于家庭的煤氣檢測報警裝置具有重大的意義，其市場前景十分廣闊。

1　系統的工作原理

本系統設計是基于STM32單片機的家用煤氣泄漏檢測與自動處理系統，該系統引入智能家居設計理念，不僅能夠實時檢測、監控與報警，而且在報警的時候能夠把報警信息通過GSM通信模塊發送到主人手機上同時可啟動廚房排油煙機，將有毒氣體排出并關閉煤氣閥門。

一氧化碳傳感器采集到的氣體信號經過A/D轉換，轉換得到的數字信號通過單片機運算處理，與設定的值進行比較，當檢測值低于設定的值時，系統正常工作不會報警。當檢測值超過預設值時，系統報警，并把報警信息通過GSM通信模塊發送到主人手機上，告知房主家里煤氣泄漏并且通過繼電器關閉管道煤氣閥門。同時啟動廚房里的排油煙機系統，將有害氣體抽出。其系統框圖如圖1所示。

圖1　系統框圖

2　系統硬件設計

2.1電源模塊

我們采用LM2940低壓差三端穩壓芯片，其輸出電壓為5V，輸出電流是1A；當輸出電流1A時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V，最大輸入電壓26V；工作溫度-40～+125℃；內含靜態電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路。其使用很方便簡單，僅需兩個外接電容即可。

2.2TFTLCD顯示模塊

TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器。TFT-LCD與無源TNLCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串擾，使顯示液晶屏的靜態特性與掃描線數無關，因此大大提高了圖像質量。TFT-LCD也被叫做真彩液晶顯示器。TFTLCD模塊采用80并口與外部鏈接，采用16位數據線，大大提高了顯示速度。這里簡介幾個重要的信號線：CS：TFTLCD片選信號；WR：向TFTLCD寫入數據；RD：從TFTLCD讀取數據；RST：硬復位TFTLCD；RS：命令/數據標志（0，讀寫命令；1，讀寫數據）；D[15:0]：16位雙向數據線。TFTLCD模塊的RST信號線直接接到STM32的復位腳上，并不由軟件控制，這樣可以省下來一個IO口。TFTLCD的D[15:0]信號線分別對應STM32的PB[15:0]口，其他信號線CS、RS、WR、RD分別接到STM32的PC9、PC8、PC7、PC6口上。

2.3GSM通信模塊

該通信模塊的核心是SIM900A模塊。其可工作于GSM/GPRS900/1800MHz頻段；具有語音、數據、短消息和傳真傳遞功能；供電范圍寬：3.2--4.8V；支持半速率、全速率、增強型速率語音編碼；支持AT命令；有標準的工業接口和完整的SIM卡閱讀器。STM32單片機與SIM900A模塊由串口進行通信，通過AT指令可實現數據、傳真、呼叫和短信等功能的控制。本設計就是STM32單片機通過串口向SIM900A模塊發送AT指令實現短信的發送功能。要實現STM32單片機與SIM900A模塊的串口通信，SIM900A模塊的STXD和SRXD必須接到STM32單片機上的RX與TX，即PA3口和PA2口,同時SIM900A模塊的GND要與STM32單片機的GND相連接。

2.4排氣與閉閥模塊

排氣與關閉煤氣閥門模塊主要由排油煙機、固態繼電器、燃氣電磁閥和L9352B驅動芯片構成。我們采用直流控制交流的單相固態繼電器，其是由固態電子元件組成的新型、無觸點開關器件。報警時，單片機信號觸發繼電器進而啟動排油煙機排氣。繼電器內部采用專用光電耦合器隔離，可提高整個系統的抗干擾能力并且工作穩定可靠、開關速度快以及使用壽命長。

閉閥部分選用二位二通直動式燃氣電磁閥和L9352B驅動芯片。當L9352B提供正向脈沖信號時，燃氣電磁閥線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；當L9352B提供反向脈沖信號時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉，從而實現燃氣閥門的開啟與關閉。

3　系統軟件設計

本系統軟件設計包括延時子程序、中斷子程序、按鍵處理子程序、TFTLCD顯示子程序、GSM通信子程序、報警子程序等。系統上電并進行初始化，初始化后在中斷子程序里進行數據采集并轉換，然后將轉換后的二氧化碳濃度值進行顯示，并與設定值進行對比，如果大于預設值，進行聲光報警，GSM短信報警，同時關閉氣閥并打開排氣系統排出有害氣體。若沒有大于預設值，則系統正常工作。其程序流程圖如圖2所示。