燃氣泄漏自動保護系統

新疆工程學院 柳雅琪

MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息。本文基于該傳感器的這種特性，設計出一種家用燃氣泄漏自動保護系統，其可以實現發生燃氣泄漏后，指示燈閃爍、報警器發出蜂鳴聲進行提示，同時關閉燃氣閥、打開窗戶，實現一系列保護措施。

1 總體設計

本系統采用常見的AT89C51單片機，實現的主要功能是發生燃氣泄漏時，室內可燃氣體濃度超過系統設定閾值，系統發出電信號來實現燃氣閥門的閉合，同時打開窗戶、LED燈閃爍、蜂鳴器報警。閥門選用電磁自閉閥，它的特點是無電信號輸入時，閥門處于打開狀態，當有電信號輸入時，閥門閉合，其原理圖如圖1所示。

圖1 燃氣自動保護系統的原理圖

系統結構：本系統的輸入裝置為探測器，將檢測到的燃氣濃度轉化成電信號與系統設定閾值，如果高于設定值，系統做出相應的措施，具體過程如圖2所示。

圖2 燃氣自動保護系統的流程圖

2 硬件設計

2.1 自動關閉天然氣閥門裝置設計

其工作要求是，當燃氣濃度正常時，閉氣閥處于常開狀態，燃氣通過進氣口，經過閥芯，到達出氣口，形成燃氣的通路，已達到正常供給燃氣的效果；當燃氣濃度達到危險值時，控制系統會給電磁閥一個電信號，這個電信號推動活動鐵芯向上運動，帶動閥芯向上運動，閥芯和閥錐閉合，燃氣通道斷開，實現自動關閉燃氣的操作。

為了放大電磁鐵的吸力，設計引入四連桿機構，如圖3。四連桿機構受到的拉力F即為自由閥中彈簧的壓縮載荷，其計算公式如式(1)：

圖3 四連桿機構

2.2 自動關閉窗戶裝置

（1）機構設計

當電磁鎖接收到控制系統給予的電信號后，通過電磁鎖打開窗戶插銷，導軌式窗戶在彈簧的帶動下，通過拉繩經定滑輪向右運動，窗戶打開。這種設計方法由單根拉簧帶動，簡單可靠。

（2）電磁鎖設計

電磁鎖的設計思路為：當窗戶關閉時，根據曲柄連桿機構特點，A、B、C三點連成一條直線，該四桿機構處于死點位置，出現“頂死”現象，使窗戶能夠有效地鎖緊。為了使四連桿機構很容易達到死點位置，機構增加了導槽。開窗時，為了消除死點位置，需要外力作用于B點，然后在副彈簧的作用下會容易打開。這就實現了窗戶的容易打開和關閉的功能。

作用于B點的外力通過電磁鐵實現。電磁鎖工作要求為：當控制系統給電磁鐵電信號時，電磁鐵向上移動，作用于B點推動鉸鏈運動，這樣打破了原來窗戶死點位置，主拉簧帶動連架桿在導槽內作圓周運動，連架桿帶動撥叉順時針移動，那么撥叉使倒桿右移，最終實現窗戶的鎖打開。窗戶鎖一旦打開，在窗戶下方主拉簧的作用下，窗戶向右移動，則窗戶自動打開，實現自動開窗通風的功能。

電磁鎖的行程設計要求如圖4所示，H=E1-E2即為電磁鎖的行程。

圖4 電磁鎖行程位置

3 控制系統設計

3.1 單片機復位電路設計

選用按鍵電平復位電路，通過復位端經電阻與電源接通而實現。手動按鈕復位需要人為在復位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕，當人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數十毫秒，所以，完全能夠滿足復位的時間要求。

3.2 燃氣傳感器設計

當傳感器MQ-2檢測到有燃氣煙霧時，會將煙霧信號轉換成電信號，經過51單片機電路進行電位分析，判斷電位是否大于或等于臨界報警值。其主要機理是可燃氣體與傳感器表面發生反應，引起SiO2電導率發生變化，電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增大而增大，從而識別是否有燃氣發生泄漏，

具體過程如下：電路處于無煙霧的情況下，燃氣傳感器MQ-2極片間阻值較大，該電阻分壓較小，相應單片機管腳處于低電平，LED指示燈和蜂鳴器不工作；當有煙霧信號時，傳感器極間阻值降低，該電阻分壓上升，相應單片機管腳處于高電平，驅動報警電路發出蜂鳴聲，直至煙霧消失后電路恢復正常。

MQ-2傳感器需要預熱后使用，加熱電壓為5±0.2V，與單片機工作電壓一致，其輸出為模擬信號，單片機只接收數字信號，因此需要數模轉換器進行轉換。

3.3 指示燈裝置設計

有燃氣泄漏時，LED燈閃爍實現指示燈報警。本系統LED選用共陽極接法，P1.0口接入燃氣傳感器，當傳感器檢測到燃氣濃度達到危險濃度時，就會產生電壓，該電壓為模擬信號，通過模數轉化芯片輸入單片機；P0口接位選端，低電平時選中所選的LED燈；P2口接段選信號，高電平驅動所選的段碼。要想LED燈8段全亮需要在位控口加74LS06反向驅動。反向驅動選取的原則是：保證其工作電壓、工作環境溫度和單片機相近，便于進行電源設計。

3.4 鳴笛報警電路設計

有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，蜂鳴器內部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉化成一定頻率的脈沖信號，從而產生磁場交變，帶動鉬片振動發音。本系統所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管驅動，只要單片機控制引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫，可以通過控制單片機引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。

總結：本文基于51單片機，選用MQ-2做為檢測器進行了家用燃氣泄漏裝置設計。當發生燃氣泄漏濃度達到系統設定閾值時，閉氣閥關閉切斷燃氣供給，同時開窗降低燃氣濃度。