基于51單片機(jī)天然氣智能監(jiān)控裝置

邱攀 王淞 王家琪 周奕如 畢志偉

為防止家用天然氣泄露對人及家庭財(cái)產(chǎn)產(chǎn)生危害，本項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套天然氣智能監(jiān)控裝置，安裝于抽油煙機(jī)附近，可對天然氣泄露情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本系統(tǒng)包括天然氣濃度信號采集電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)化電路、調(diào)節(jié)電路、報(bào)警模塊電路和控制部分電路。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)在沒有超出設(shè)定的天然氣泄漏濃度范圍時(shí)抽油煙機(jī)正常工作；當(dāng)檢測出天然氣泄露濃度高于1.0%并持續(xù)5秒時(shí)，中央處理器發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)排氣裝置自啟動(dòng)，排出泄露天然氣并同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警器；當(dāng)天然氣濃度恢復(fù)至1.0%以下后，解除報(bào)警。

一、引言

地球上一切天然生成的任何種類氣體的混合物被稱為天然氣。其主要成分是甲烷、乙烷等氣體烴。天然氣既是一種能源高、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、清潔綠色的能源，同時(shí)又具有熱值較高、使用方便、無毒性、燃燒后無殘?jiān)蛷U物、成本親民等特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，是營造藍(lán)天城市首選的理想能源。但是天然氣卻有著易燃易爆炸的特性，一旦和空氣混合之后，并且外界溫度高于550℃時(shí)就會(huì)產(chǎn)生燃燒；其混合物濃度達(dá)到5%-15%的濃度界限，一旦遇到明火就會(huì)產(chǎn)生爆燃或爆炸。目前市售的家用天然氣報(bào)警器由于傳感器的靈敏度的差異其檢測濃度大多在1%左右，與抽油煙機(jī)均為獨(dú)立工作設(shè)備，當(dāng)天然氣產(chǎn)生泄漏時(shí)，率先觸發(fā)報(bào)警器系統(tǒng)，并且關(guān)閉天然氣的閥門。恢復(fù)使用只能用天然氣卡插入天然氣控制器進(jìn)行重啟，無法解決天然氣在微量泄露時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并清除的問題。本項(xiàng)目所研究的裝置在天然氣發(fā)生微量（空氣中泄露的天然氣濃度達(dá)到0.1%-1%）泄露時(shí)會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)被氣敏傳感器（本裝置預(yù)采用MQ-4高靈敏度氣體傳感器，氣靈敏度在10ppm，可進(jìn)行ppm及爆炸下限濃度LEL測量）識別并由氣體信號轉(zhuǎn)化為電信號，同時(shí)單片機(jī)會(huì)將有效數(shù)據(jù)及時(shí)處理分析并通過繼電器的通斷控制抽油煙機(jī)，繼而啟動(dòng)抽油煙機(jī)將微量氣體排出，當(dāng)天然氣濃度降到正常濃度值以下時(shí)即小于0.1%時(shí)，會(huì)通過控制電路使抽油煙機(jī)停止工作，以減低天然氣微量泄露時(shí)對居民用戶所產(chǎn)生的傷害和損失。當(dāng)天然氣大量泄露時(shí)，可正常觸發(fā)報(bào)警器功能，并關(guān)閉天然氣閥門。

二、智能監(jiān)控裝置硬件設(shè)計(jì)

1.天然氣檢測裝置

考慮到本裝置的應(yīng)用環(huán)境與電路板的設(shè)計(jì)的需要，所以本項(xiàng)目選擇了MQ-4高靈敏度氣體傳感器。MQ-4傳感器的電導(dǎo)的數(shù)值受到空氣中混雜的天然氣的影響，天然氣濃度越高，電導(dǎo)就會(huì)升高。該特性能夠很好地滿足本設(shè)計(jì)的需要，即將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳到中央處理器中。而且經(jīng)過實(shí)際測試，該傳感器確實(shí)具備對天然氣的靈敏度高，恢復(fù)性能強(qiáng)，體積較小，使用壽命長等多種特點(diǎn)。

2.系統(tǒng)總體電路設(shè)計(jì)

根據(jù)檢測裝置所收集到所采集的天然氣濃度，再通過A/D轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號并導(dǎo)入到中央處理器中，再經(jīng)中央處理器判斷，控制繼電器與聲光報(bào)警器的開關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)這一系列的工作，系統(tǒng)使用Altium Desiger軟件設(shè)計(jì)電路原理圖并完成了布線和封裝。

當(dāng)微量氣體泄露時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制和開啟抽油煙機(jī)工作。排出微量天然氣，而不會(huì)引起天然氣控制裝置自動(dòng)切斷天然氣閥門的情況。在用戶正常使用抽油煙機(jī)室內(nèi)設(shè)開關(guān)閉合通過獨(dú)立控制電路開關(guān)閉合讓繼電器銜鐵始終處于斷電狀態(tài)，不會(huì)影響抽油煙機(jī)正常工作。使用結(jié)束時(shí)開關(guān)會(huì)自行斷開，從而恢復(fù)了繼電器電路的正常工作。

三、軟件設(shè)計(jì)

用戶在使用時(shí)，可以通過抽油煙機(jī)前面控制的手動(dòng)按鈕來控制應(yīng)用模塊，來達(dá)成一般模式與安全模式的轉(zhuǎn)化。當(dāng)用戶調(diào)節(jié)到安全模式時(shí)，裝置內(nèi)部安裝的天然氣檢測裝置會(huì)持續(xù)對空氣中天然氣濃度的實(shí)時(shí)檢測，天然氣檢測裝置將信號傳遞給中央處理器，再經(jīng)中央處理器已經(jīng)預(yù)先設(shè)定好的程序?qū)嵭蟹厘e(cuò)報(bào)誤報(bào)判別，判斷天然氣是否達(dá)到持續(xù)5s高于1.0%的濃度值，在中央處理器確定天然氣發(fā)生泄漏后，隨即開啟預(yù)先設(shè)定的反應(yīng)程序分別向繼電器與報(bào)警模塊發(fā)送相同的電信號，報(bào)警模塊接收到電信號之后開始進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)的聲光同時(shí)報(bào)警，繼電器接收到電信號后導(dǎo)通排氣裝置的電路，開啟排氣裝置將泄露天然氣排出至室外。當(dāng)天然氣濃度持續(xù)比1.0%的濃度低達(dá)到5s后，解除報(bào)警并立即關(guān)斷排氣模塊。在天然氣泄漏情況確認(rèn)徹底消除之后，再經(jīng)過天然氣檢測裝置的檢測，經(jīng)中央處理器的確認(rèn)天然氣濃度變回正常濃度之后，中央處理器命令各元器件完成復(fù)位。

本智能新型家用安全抽油煙機(jī)的報(bào)警模塊采用了傳統(tǒng)報(bào)警器報(bào)警的一般形式，在程序設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用了經(jīng)典的報(bào)警程序。本裝置選用AT89C51芯片作為檢測報(bào)警模塊的中央處理器，設(shè)計(jì)了測量準(zhǔn)確度高、辨別率高、出錯(cuò)率低的檢測系統(tǒng)；并采用測量精準(zhǔn)度高的檢測型電壓芯片，保證了整個(gè)系統(tǒng)開啟與關(guān)閉的穩(wěn)定程度。

四、 結(jié)語

本裝置不僅具有一般天然氣泄露報(bào)警裝置功能，同時(shí)還具有自動(dòng)開啟抽油煙機(jī)排氣功能，是一種新型節(jié)能安全裝置。通過MQ-4高靈敏度氣體傳感器、處理器、單片機(jī)、C語言以及Altium Desiger等硬件與軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了本裝置對天然氣泄露檢測功能和排除泄露天然氣的兩項(xiàng)功能。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）在沒有超出設(shè)定范圍的天然氣泄漏時(shí)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)抽油煙機(jī)的正常使用功能。

（2）當(dāng)檢測出天然氣泄露濃度持續(xù)高于1.0%濃度時(shí)，中央處理器發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)排氣裝置自啟動(dòng)，排出泄露天然氣并同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警器；當(dāng)天然氣濃度恢復(fù)至持續(xù)低于1.0%濃度后，解除報(bào)警并停止排氣。

結(jié)合上述的實(shí)驗(yàn)過程，本次創(chuàng)新項(xiàng)目研究成果十分理想，完成了預(yù)想效果。（作者單位：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)電氣與信息學(xué)院）

項(xiàng)目基金：2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201810223075）