天然氣預(yù)防報(bào)警裝置的開發(fā)設(shè)計(jì)

摘 要：本系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430為主控芯片，利用相關(guān)的傳感技術(shù)和通信技術(shù)，對(duì)采集的多個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，該系統(tǒng)不僅能夠智能化地處理各種天然氣泄漏的危難情況，提前將災(zāi)難扼殺在搖籃里，而且還能及時(shí)將信息采集情況發(fā)送到客戶端，使用戶能夠了解企業(yè)或者家里的天然氣安全情況，實(shí)時(shí)地注意到天然氣是否泄漏以確保財(cái)產(chǎn)和人生的安全。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感技術(shù)；通信技術(shù)；智能化

1 作品介紹

1.1 作品背景

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，人們對(duì)能源的獲取也不斷加大，天然氣已經(jīng)成為目前最主要的能源。雖然天然氣極大地提高了人們的生活質(zhì)量，但是與之而來(lái)的危害也逐漸體現(xiàn)出來(lái)，近年來(lái)天然氣泄漏引發(fā)的事故也是耳濡目染。

天然氣泄漏時(shí)看不見泄漏的癥狀，聽不見泄漏的聲音，唯有嗅覺(jué)可以嗅到由燃?xì)夤咎砑拥某粑秳┧臍溧绶印⑻烊粴馕肴梭w中，輕則人體會(huì)感到頭暈，惡心；重則休克，死亡。天然氣泄漏不僅危害財(cái)產(chǎn)安全，更危機(jī)人生安全。故而開發(fā)一套天然氣泄漏預(yù)防報(bào)警裝置是很有必要的。

1.2 創(chuàng)作目的

（1）提高防范措施能力，確保人生及財(cái)產(chǎn)安全，避免不必要的損失。痛過(guò)MQ-4傳感器和MQ-5和TGS2611傳感器檢測(cè)天然氣濃度，并與設(shè)置的報(bào)警值進(jìn)行比較，如果天然氣泄漏濃度達(dá)到設(shè)置的報(bào)警值，則裝置會(huì)發(fā)出警報(bào)，并啟動(dòng)天然氣控制閥關(guān)閉天然氣閥門，確保從源頭解決天然氣泄漏問(wèn)題。

（2）提高裝置自身的智能控制能力，天然氣泄漏預(yù)防報(bào)警裝置將根據(jù)實(shí)際濃度情況將天然氣閥門關(guān)閉，盡最大努力起到預(yù)防燃?xì)庑孤┑淖饔谩?/p>

（3）若燃?xì)庑孤┖螅绻烊粴忾y門關(guān)閉后室內(nèi)濃度仍然在升高，或者天然氣閥門沒(méi)有按照正常程序執(zhí)行關(guān)閉指令，控制器將會(huì)啟動(dòng)電機(jī)開啟窗戶并且開啟水流流動(dòng)裝置，讓水流帶動(dòng)天然氣流動(dòng)，使空氣中的天然氣濃度降低到爆炸臨界點(diǎn)以下。

（4）本裝置采用復(fù)合式處理方式，多數(shù)據(jù)采集與整理，多種預(yù)防措施解決天然氣泄漏的不良后果。在感知層，通過(guò)多個(gè)傳感器和不同的傳感器檢測(cè)天然氣的泄漏；在應(yīng)用層，通過(guò)關(guān)閉天然氣閥門，打開窗戶對(duì)室內(nèi)加大通風(fēng)以降低天然氣的濃度，以及通過(guò)水流流動(dòng)裝置不僅可以帶動(dòng)天然氣流出室內(nèi)，并且也可以為火災(zāi)起到預(yù)防的作用。

2 作品方案

由于該裝置主要用于家庭燃?xì)庑孤┑念A(yù)防與報(bào)警，考慮到家庭廚房一般都裝有窗戶，因此當(dāng)裝置檢測(cè)到天然氣泄漏的同時(shí)，不僅要考慮到關(guān)閉燃?xì)忾y，而且如果燃?xì)忾y關(guān)閉以后，天然氣仍然在泄漏，廚房窗戶會(huì)自動(dòng)打開，通過(guò)通風(fēng)來(lái)降低室內(nèi)天然氣的濃度，還會(huì)通過(guò)GSM模塊發(fā)信息給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置分為以下幾部分。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)處理器

控制芯片：由于裝置整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及整個(gè)裝置的控制需求，我們采用低功耗的MSP430單片機(jī)，此單片機(jī)不但可以降低系統(tǒng)功耗，而且還可以節(jié)能，同時(shí)此單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，處理速度快，能夠提供多路的PWM控制信號(hào)。

3.2 燃?xì)鈾z測(cè)模塊

由于天然氣屬于混合物，里面混合著多種氣體，因此該裝置采用多個(gè)燃?xì)鈾z測(cè)傳感器進(jìn)行燃?xì)庑孤z測(cè)，以最大限度的采集天然氣泄漏狀況，確保采集的信息完善，通過(guò)多個(gè)傳感器采集的信息加以數(shù)據(jù)分析，確定天然氣是否泄漏以及泄漏程度，根據(jù)燃?xì)庑孤┑牟煌潭龋撗b置將會(huì)采取不同的措施來(lái)確保燃?xì)庑孤┑念A(yù)防和報(bào)警。

3.3 系統(tǒng)輸出控制模塊

考慮到市場(chǎng)上已有的天然氣泄漏預(yù)防報(bào)警裝置琳瑯滿目，但都結(jié)構(gòu)單一，不夠完善，不能起到有效的預(yù)防燃?xì)庑孤┖腿細(xì)庑孤┮院蟮膱?bào)警及處理措施。根據(jù)天然氣的化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)燃?xì)鈾z測(cè)模塊的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)天然氣濃度高于正常的日用值時(shí)，該裝置會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)燃?xì)忾y，將燃?xì)忾y關(guān)閉。

如果關(guān)閉了燃?xì)忾y發(fā)現(xiàn)室內(nèi)的天然氣濃度仍然沒(méi)有減少，該裝置將會(huì)啟動(dòng)GSM模塊，發(fā)送警報(bào)信息給用戶，用戶收到信息后，啟動(dòng)相應(yīng)的APP，遠(yuǎn)程控制該裝置，使裝置打開將窗戶以降低室內(nèi)天然氣的濃度，但由于天然氣濃度過(guò)高，不能開啟電源，該裝置窗戶的電源將會(huì)設(shè)置在室外，以免啟動(dòng)電機(jī)時(shí)發(fā)生火災(zāi)，確保人生財(cái)產(chǎn)安全。

鑒于天然氣主要成分是甲烷，不溶于水，同時(shí)考慮到燃?xì)庑孤┑臅r(shí)候不能啟動(dòng)風(fēng)扇通風(fēng)來(lái)降低天然氣濃度，故而該裝置在設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用水流帶動(dòng)氣流的思想，將濃度過(guò)高的天然氣帶出室內(nèi)。

3.4 “GSM”通訊模塊

鑒于及其可能會(huì)發(fā)生故障，以及為了進(jìn)一步的確保天然氣泄漏帶來(lái)的安全隱患，燃?xì)庠谛孤┖螅撗b置會(huì)通過(guò)GSM模塊將報(bào)警信息發(fā)送給用戶端，用戶端接受到消息，可以打開基于安卓平臺(tái)的應(yīng)用APP，通過(guò)啟動(dòng)APP給裝置GSM模塊發(fā)送指令將燃?xì)忾y門關(guān)閉。

3.5 電源供給模塊

系統(tǒng)會(huì)用到3種規(guī)格的電源，即，220V交流電、12V直流電、5V直流電。系統(tǒng)接入的電源為220V民用交流電，根據(jù)不同模塊的需要，需要將220V電源首先通過(guò)降壓整流模塊變?yōu)闉?2V直流電源，再將12V直流電通過(guò)變壓模塊降壓為5V電壓。設(shè)計(jì)中，我們用“歌龍”電源轉(zhuǎn)換器將220V交流轉(zhuǎn)12V直流，此電源轉(zhuǎn)換器能承受60A的負(fù)載電流，完全適合整個(gè)系統(tǒng)的電源供給。12V轉(zhuǎn)5V用的是LM2596芯片，最大輸出電流為3A。220V電源用于給整個(gè)系統(tǒng)供電；12V電源主要用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、水流傳動(dòng)裝置；5V電源主要用于單片機(jī)、各傳感器模塊、“GSM”通訊模塊等。電源供給模塊如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該裝置除了具有自動(dòng)控制功能以外，還為了確保裝置的穩(wěn)定性，該裝置還具有人工操作的功能。

4.1 自動(dòng)控制

系統(tǒng)初始化，天然氣泄漏檢測(cè)裝置傳感器開始進(jìn)行天然氣濃度檢測(cè)，根據(jù)天然氣濃度的實(shí)際情況，單片機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作，當(dāng)天然氣濃度高于設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)會(huì)對(duì)天然氣閥門進(jìn)行控制，如果天然氣濃度仍然高于報(bào)警值，則開啟窗戶或者啟動(dòng)水流裝置，以帶動(dòng)天然氣流出室內(nèi)，降低室內(nèi)天然氣濃度。

4.2 人工操作

天然氣泄漏后，如果得到了及時(shí)的解決，那么裝置將不會(huì)發(fā)信息給用戶。如果天然氣泄漏后濃度沒(méi)有及時(shí)降下來(lái)，那么我們將通過(guò)GSM模塊給用戶發(fā)送警告消息，這樣用戶可以通過(guò)APP來(lái)啟動(dòng)窗戶和流水裝置，來(lái)降低濃度。

參考文獻(xiàn)

[1]晏初宏.數(shù)控機(jī)床與機(jī)械結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]唐繼賢.MSP430超低功耗16位單片機(jī)開發(fā)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[3]唐繼賢，楊揚(yáng).MSP430超低功耗16位單片機(jī)開發(fā)實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[4]徐潔，龐炳海，王連馳.幾種國(guó)產(chǎn)天然氣傳感器的性能對(duì)比及評(píng)價(jià)[M].天津：微納電子技術(shù)，2007，7.

[5]馮暖.基于GSM通信模塊的遠(yuǎn)程機(jī)械設(shè)備控制系統(tǒng)[M].沈陽(yáng)工學(xué)院信息與控制學(xué)院：控制工程，2013，6.

作者簡(jiǎn)介：張銳（1993-），男，重慶市萬(wàn)州區(qū)人，工作單位：重慶科技學(xué)院，職務(wù)：學(xué)生，研究方向：計(jì)算機(jī)。