一種地震燃?xì)庾詣雨P(guān)閉裝置的設(shè)計*

徐世濤，劉廷平，周亞文，康 鵬，左安友

(湖北民族學(xué)院 理學(xué)院，湖北 恩施 445000)

現(xiàn)今城市燃?xì)夤こ桃呀?jīng)普及，且城市燃?xì)馄占奥手鹉晏岣撸喝細(xì)獾膹V泛應(yīng)用給人們的生產(chǎn)生活帶來了極大方便，然而當(dāng)今世界災(zāi)害性地震頻發(fā)，當(dāng)?shù)卣鹬率构艿榔屏褧r，其后果將不堪設(shè)想．

以東京發(fā)生7．9級大地震為例，根據(jù)預(yù)測，特別區(qū)內(nèi)將發(fā)生580起火災(zāi)，其中因爐具起火的次數(shù)達(dá)到417次，占到了起火總次數(shù)的72%，燃?xì)庑孤┊?dāng)是罪魁禍?zhǔn)祝?/p>

如能在管道未遭破壞之前就自動關(guān)閉管道閥門，則災(zāi)害是可避免的．當(dāng)前許多國家都開展了管道的監(jiān)測和自動控制，美國已在地震多發(fā)區(qū)安裝了地震自動關(guān)閉閥門．目前，大部分的地震燃?xì)庾詣雨P(guān)閉裝置屬純機(jī)械化設(shè)計，存在須定期洗油保養(yǎng)，日久必須加油潤滑以降低零部件磨損，易被腐蝕，燃?xì)夤艿朗欠耜P(guān)閉不易辨別，誤差大等缺點，導(dǎo)致準(zhǔn)確性不高，可靠使用壽命短;且管道的安全控制多使用電磁閥，在強(qiáng)地震時，一般電網(wǎng)癱瘓，無法進(jìn)行控制;若引進(jìn)國外的地震閥門，價格不菲，不易普及．

為此，開發(fā)了一種機(jī)電一體化的地震燃?xì)庾詣雨P(guān)閉裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于操作等特點．利用傳感器快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確判斷破壞性地震，及時關(guān)閉燃?xì)夤艿酪詼p少震后次生災(zāi)害．

1 系統(tǒng)簡介

1．1 簡介

本系統(tǒng)為一種機(jī)電一體化的地震燃?xì)庾詣雨P(guān)閉裝置，由控制系統(tǒng)、電磁閥和電源系統(tǒng)組成．該裝置不僅可以快速有效感知破壞性地震信號，及時關(guān)閉燃?xì)夤艿?，而且地震信號處理程序簡單且易于調(diào)整，復(fù)位操控快速簡潔，閥門開關(guān)狀態(tài)指示明確，可靠使用壽命長，無需定期維護(hù)便能穩(wěn)定工作．

1．2 原理

圖1 系統(tǒng)原理框圖

如圖1所示的系統(tǒng)原理框圖中，(1)傳感器、(2)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、(3)單片機(jī)、(4)繼電器順序電連接構(gòu)成控制系統(tǒng)I，通過控制電磁閥II來控制燃?xì)夤艿赖耐〝?(7)充電器輸入接220V市電，12V輸出端與(6)電源模塊和(8)蓄電池相互連接構(gòu)成電源系統(tǒng)III，從而保證斷電后系統(tǒng)仍能正常工作．傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、單片機(jī)共同接電源系統(tǒng)的5V輸出端，充電器、繼電器、12V電磁閥順序接入繼電器輸出回路，系統(tǒng)工作指示燈則指示系統(tǒng)工作狀態(tài)．

系統(tǒng)工作時傳感器感知地震的發(fā)生，隨著振動強(qiáng)度的變化，傳感器改變輸出模擬電壓，模擬電壓經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后又為單片機(jī)所處理，當(dāng)?shù)卣鹫駝舆_(dá)到設(shè)定烈度時，單片機(jī)控制繼電器關(guān)閉常開電磁閥，同時燃?xì)夤艿罓顟B(tài)指示燈亮(示關(guān)閉)．震后，只需按下系統(tǒng)復(fù)位按鍵即可重新打開燃?xì)夤艿溃?/p>

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3．1 電源系統(tǒng)的設(shè)計

本系統(tǒng)由充電器、鉛蓄電池、普通電源模塊構(gòu)成，利用鉛蓄電池充電原理——電池和充電器同級相聯(lián)，充電電壓必須高于電池的總電動勢——可將電源系統(tǒng)設(shè)計成圖2的形式．

圖2 電源系統(tǒng)設(shè)計

如圖2所示，蓄電池正負(fù)極分別聯(lián)結(jié)充電器輸出端、電源模塊的正負(fù)極，同時蓄電池負(fù)極還與電磁閥負(fù)極相連，正極與繼電器一控制端聯(lián)結(jié)．電源模塊完成12V到5V電壓轉(zhuǎn)換，并直接為控制系統(tǒng)供電;充電器輸入為220V市電，12V輸出端聯(lián)結(jié)蓄電池．這樣就能保證市電接通時充電器給蓄電池充電直至電池飽和(兩者電動勢相等時)，斷電后蓄電池又能保證系統(tǒng)繼續(xù)正常工作．

3．2 控制系統(tǒng)的設(shè)計

如圖3控制系統(tǒng)由采樣電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、執(zhí)行電路和接口電路組成．接口電路接入電源系統(tǒng)為控制系統(tǒng)供電，D2指示燈指示系統(tǒng)是否已通電工作，采樣電路實時采集振動數(shù)據(jù)并送模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換，單片機(jī)根據(jù)采樣送回的數(shù)據(jù)判斷是否有破壞性地震發(fā)生，若有則會控制執(zhí)行電路斷開電磁閥，同時D2指示燈亮(示閥門關(guān)閉)．

圖3 控制系統(tǒng)的設(shè)計

3．2．1 采樣電路

此部分由MMA7260QT加速度傳感器、TLV1544模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，完成地震信息的采集．

(1)MMA7260QT是飛思卡爾半導(dǎo)體率先推出的業(yè)界第一款基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的三軸高靈敏度加速度傳感器，它根據(jù)物件運(yùn)動和方向改變輸出信號的電壓值．各軸的信號在不運(yùn)動或不被重力作用的狀態(tài)下，其輸出為1．65V，如果沿著某一個方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會根據(jù)其運(yùn)動方向以及設(shè)定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓，與A/D轉(zhuǎn)換器配合使用單片機(jī)能讀取此輸出信號，就可以檢測其運(yùn)動和方向．同時通過編程可實現(xiàn)1．5 g、2 g、4 g和6 g四種模式的選擇，不同應(yīng)用的建議重力加速度級別不同，0．002～2g則較適合地應(yīng)用于地震檢波器和地震開關(guān)．

如圖4為芯片的引腳圖：

圖4 MMA7260QT芯片引腳圖

1)g－Select1和g－Select2為傳感器靈敏度選擇引腳，其輸入電平有四種組合(00，01，10，11)分別對應(yīng)于 1．5g，2g，4g，6g模式，這兩個引腳直接接單片機(jī)的I/O端口，本系統(tǒng)通過編程設(shè)定為2g模式用于地震檢測;

2)VDD和VSS分別接5V和地;

3)Sleep Mode為傳感器休眠與否選擇端，可直接與單片機(jī)接口，接低電平時芯片處于休眠模式，在本系統(tǒng)的應(yīng)用中不需要應(yīng)用休眠模式，就直接接高電平，因為在地震的監(jiān)測過程中必須要求芯片時刻處于正常工作狀態(tài);

4)Xout，Yout，Zout分別為 X，Y，Z 軸方向電壓輸出，接AD轉(zhuǎn)換器上三個模擬輸入端口，這三個引腳輸出的是隨振動烈度變化的模擬信號，通過AD轉(zhuǎn)換后便可獲得單片機(jī)能夠直接處理的數(shù)字信號;

(2)TLV1544是德州儀器公司(TI)的10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器．每個芯片有一個芯片選擇端(CS)、輸入輸出時鐘端(I/O CLK)、串行數(shù)據(jù)輸入(DATA IN)和輸出端(DATA OUT)，四個模擬輸入通．在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC引腳的輸出變?yōu)楦唠娖?，用于指示電平轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，微處理器可從串行數(shù)據(jù)輸出端讀出數(shù)據(jù)．

如圖5為芯片的引腳圖：

圖5 TLV1544芯片引腳圖

本系統(tǒng)中該芯片與微處理器串行接口，INV CLK接高電平，當(dāng)主機(jī)把CS拉低(有效)時，數(shù)據(jù)輸入、輸出和I/O時鐘有效．然后主機(jī)提供4位模擬通道的選通地址編碼(0000，0010，0100，0110 分別對應(yīng)于選通 A0、A1、A2、A3 模擬輸入通道)［4］，在I/O時鐘的前4個上升沿將4位地址選通編碼送入芯片內(nèi)部的寄存器．接下來的6個時鐘周期提供模擬輸入采樣控制時序，模擬輸入采樣結(jié)束后，在第10個I/O時鐘上升沿開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后EOC輸出轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(高電平)．接下來在新的讀寫周期內(nèi)可進(jìn)行下一次的采樣，同時微處理器也可從串行輸出端口讀出數(shù)據(jù)．如圖6為TLV1544的時序圖．

圖6 TLV1544芯片時序圖

2．2．2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

此部分由STC89C52單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路以及狀態(tài)指示燈等構(gòu)成，用作系統(tǒng)的控制核心．

如圖3中，本系統(tǒng)采用經(jīng)典的51單片機(jī)最小系統(tǒng)，主控芯片STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案;復(fù)位按鍵KEY2用以應(yīng)對在惡劣的環(huán)境下可能出現(xiàn)程序“跑飛”的情況，按動KEY2便可實現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位操作，使程序從頭開始執(zhí)行，同時當(dāng)?shù)卣鹨呀?jīng)發(fā)生導(dǎo)致電磁閥關(guān)閉后，按動KEY2便可實現(xiàn)閥門的重新打開，實現(xiàn)簡單快捷的系統(tǒng)功能復(fù)位和重啟;LED發(fā)光二極管D2指示控制系統(tǒng)(單片機(jī))正常工作．

2．2．3 執(zhí)行電路

此部分由JQC－3F 05VDC－1ZS固體繼電器、三極管和狀態(tài)指示燈構(gòu)成，用以實現(xiàn)對電磁閥的直接控制．

固態(tài)繼電器(Solid State Relay，縮寫SSR)，是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)．用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離，固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載．它具有高壽命、高靈敏度、控制功率小，電磁兼容性好、快速轉(zhuǎn)換、電磁干擾小等眾多優(yōu)點．

“要改變自己的命運(yùn)就要有不服輸?shù)木?，敢闖敢拼才會贏”。2010年，團(tuán)場出臺了一系列優(yōu)惠政策，鼓勵職工發(fā)展自營養(yǎng)殖，他辭職下海當(dāng)年養(yǎng)雞12000只，成活率達(dá)到90%以上，種植的100畝棉花單產(chǎn)走在全團(tuán)前列，當(dāng)年實現(xiàn)純收入49萬元。他在團(tuán)部購買了樓房，買了臺754播種機(jī)，為了兒子上學(xué)方便，買了小汽車。當(dāng)年機(jī)車僅拉棉花和打桿兩項，實現(xiàn)純收入7.7萬元，種植棉花和養(yǎng)殖雞純收入達(dá)35萬元。

如圖3中，繼電器控制輸入端接單片機(jī)I/O口，控制端接12V電源和電磁閥，當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，繼電器內(nèi)部開關(guān)連通12V電源和電磁閥，此時電磁閥通電，閥門關(guān)閉;同時LED發(fā)光二極管D1亮，指示繼電器已經(jīng)通電，閥門已經(jīng)關(guān)閉．從而實現(xiàn)了單片機(jī)對電磁閥的實際性控制，以及閥門的通斷情況的明確指示．

2．2．4 接口電路

此部分由接插件構(gòu)成，用于連接電源系統(tǒng)為系統(tǒng)供電．由于使用接插件，在實際應(yīng)用中顯得非常靈活．

2．3 閥門的選用

電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)．電磁閥用電磁的效應(yīng)進(jìn)行控制，主要的控制方式是繼電器控制．這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證．使用電磁閥主要有以下一些優(yōu)勢：(1)外漏堵絕，內(nèi)漏易控，使用安全;(2)系統(tǒng)簡單，便接控制系統(tǒng)，價格低謙;(3)動作快遞，功率微小，外形輕巧．

鑒于以上眾多優(yōu)點，本系統(tǒng)選用電磁閥，當(dāng)單片機(jī)使繼電器控制輸入端為高電平時，即連通了電磁閥和12V電源，電磁閥切斷燃?xì)夤艿?反之，電磁閥不工作而處于常開狀態(tài)．

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計比較簡單，在程序開頭初始化后，整個程序也即對TLV1544芯片的讀寫操作及對繼電器的控制，運(yùn)用keil uvision4軟件編寫單片機(jī)C程序，然后匯編鏈接生成單片機(jī)能夠使用的hex文件，調(diào)試通過后即可下載到單片機(jī)片內(nèi)ROM中．

主程序流程圖如圖7所示，系統(tǒng)初始化包括設(shè)定地震閾值、初始化加速度傳感器，加速度傳感器初始化即將其工作模式設(shè)置為2g模式．地震信號采樣子程序即對TLV1544芯片的讀寫操作，圖6為TLV1544與微處理器接口時的時序圖，據(jù)此編寫TLV1544芯片的讀寫程序．

本系統(tǒng)程序代碼如下：

圖7 主程序流程圖

4 結(jié)論

從整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計而言，該裝置具有操作簡捷，閥門開關(guān)狀態(tài)指示明確，無需長期維護(hù)便能快速穩(wěn)定工作，可靠使用壽命長，價格低且量產(chǎn)周期短等優(yōu)點，因而有很大的市場推廣前景．

［1］陳宏德，張寶紅．日本的地震火災(zāi)對策［J］．國際地震動態(tài)，1994，(10)：22 ～25．

［2］楊學(xué)山，劉華泰，楊立志．一種自動地震煤氣關(guān)閉閥門的設(shè)計［J］．災(zāi)害學(xué)，2009，24(3)：121～123

［3］駱開慶，肖化．A/D轉(zhuǎn)換芯片 TLV1544及其與 DSPTMS320VC5402 的接口設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，24(167)：7～9．