家用天然氣泄漏自動報警和換氣控制系統(tǒng)研究

郝少飛　周少鵬

摘要：近年來，天然氣等清潔能源行業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)逐漸被居民所肯定。但隨著天然氣用戶逐漸增多，天然氣安全的問題也成為關心的話題。文章基于AT89C2051單片機，設計出了可用于燃氣報警及換氣的系統(tǒng)裝置，以此更好地防范在天然氣使用過程中出現(xiàn)的天然氣泄露等問題。

關鍵詞：天然氣泄露；自動報警；換氣控制；AT89C2051；燃氣報警 文獻標識碼：A

中圖分類號：TN09 文章編號：1009-2374（2015）05-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0346

我國現(xiàn)階段的天然氣的主要供氣方式是集中供應，通過這一方式，不僅方便了燃氣公司的有效管理，還有效減少在中途的天然氣的損失，從而更加有效地減少環(huán)境的污染，既保護了環(huán)境，又降低了供應天然氣的成本。隨著家家戶戶逐漸開始使用天然氣，暴露出一個比較嚴重的問題，那就是天然氣的安全問題。同時隨著科技的發(fā)展，各種各樣的天然氣報警裝置應運而來，然而這些報警裝置在設計和結構上形式都比較單一，效果和功能也就相應地滿足不了消費者的需求。而芯片技術的發(fā)展，對報警系統(tǒng)的智能化控制起著非常大的

作用。

本文以AT89C2051芯片，以天然氣傳感器作為主要的工具，當家中天然氣的濃度超過一定濃度（濃度可自己設定），會自動報警并自動打開排風扇將家中的天然氣排出去，降低家中天然氣的濃度，通過該系統(tǒng)可實現(xiàn)對家中天然氣濃度檢測，提高用戶使用天然氣的安全性，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 可行性分析

1.1 課題背景及目的

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，空氣污染逐年加重，為遏止我國空氣污染加劇的趨勢，改善城市空氣環(huán)境質量，國家越來越重視天然氣等一些清潔能源的使用，天然氣已逐漸走進千家萬戶，特別是隨著“兩氣東輸”工程的快速進展，天然氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。然而，天然氣的泄漏爆炸事故逐年增加，嚴重危害人民的生命財產(chǎn)安全。為此，本設計主要是為使用天然氣的家庭用戶設計出一種可以檢測天然氣濃度的一種裝置，從而減少天然氣泄漏發(fā)生的事故，進而保證人民的生命財產(chǎn)安全。當室內天然氣超出一定濃度時（規(guī)定的天然氣濃度可自行設置），該裝置發(fā)出聲光報警信號并及時打開排風系統(tǒng)，室內室外進行空氣對流，保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1.2 主要內容和方法

根據(jù)該裝置要實現(xiàn)的效果和功能，可將系統(tǒng)大概分為模擬信號釆集放大、模式信號處理控制、系統(tǒng)設置報警及換氣三個部分：（1）模擬信號釆集放大部分即通過氣體傳感器檢測室內天然氣的濃度，將這種濃度值轉化成電壓模擬量，然后通過運算放大電路進行必要的放大；（2）模擬信號處理部分是將采集到的模擬信號通過模數(shù)轉換電路轉換成數(shù)字信號并進行必要的處理，并將處理后的數(shù)字信號送至單片機中；（3）系統(tǒng)設置報警及換氣系統(tǒng)是通過預先設定的控制方式并利用蜂鳴器報警和自動打開排風扇來實現(xiàn)系統(tǒng)的準確操作。

2 設計方案及電路

2.1 設計思路

用精確的天然氣傳感器首先檢測室內天然氣的濃度，然后將檢測后的濃度與設定的濃度值進行對比，如果大于設定的濃度值，將高電平“1”送到相應的單片機的I/O口，相反，如果小于設定的濃度值，將低電平“0”送到相應的單片機的I/O口。通過單片機控制報警電路的工作狀態(tài)，然后由單片機來自動控制繼電器，打開排風扇自動與室外進行換氣。

2.2 對AT89C2051單片機的說明內部結構

AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器（EEPROM）的低電壓，高性能8位CMOS微型計算機。主要引腳及功能：2K字節(jié)閃速存儲器，128字節(jié)的RAM，15根I/O口，兩個16位定時器，一個五向量兩級中斷結構，一個全雙工串行口，一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。

AT89C2051的引腳如圖1所示：

圖1 89C2051引腳圖

VCC：電源電壓。

GND：地。

P1口：P1口是一個8位雙向I/O口。口引腳P1.2～P1.7提供內部上拉電阻，P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內精密模擬比較器的同相輸入（ANI0）和反相輸入（AIN1）。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅動LED顯示。當P！口引腳寫入“1”時，其可用作輸入端，當引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的寫入“1”時，其可用作輸入端。當引腳P1.2～P1.7用作輸入并被外部拉低時，它們將因內部的上拉電阻而流出電流。

RST：復位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復位到“1”。當振蕩器正在運行時，持續(xù)給出RST引腳兩個機器周器的高電平便可完成復位。每一個機器周期需12個振蕩器或時鐘周期。

XTAL1：作為振蕩器反相器的輸入和內部時鐘發(fā)生器的輸入。

XTAL2：作為振蕩器反相放大器的輸出。

2.3 氣體濃度檢測模塊

MQ-4傳感器簡介：

MQ-4氣體傳感器的主要材料是二氧化錫（SnO2），它具有在清潔空氣中的電導率比較低的優(yōu)點。MQ-4氣體傳感器對天然氣的主要成分甲烷的靈敏度較高，這個氣體傳感器可檢測除了天然氣的其他的多種可燃性氣體，是一款低成本的氣體傳感器。

模塊特色：（1）采用優(yōu)質雙面板設計，具有電源指示和TTL信號輸出指示；（2）具有DO開關信號（TTL）輸出和AO模擬信號輸出；（3）TTL輸出有效信號為低電平（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機或繼電器模塊）。

電氣性能：

輸入電壓：DC5V

功耗（電流）：150mA

DO輸出：TTL數(shù)字量0和1（0.1和5V）

特別提醒：傳感器通電后，需要預熱20s左右，測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定，傳感器發(fā)熱屬于正?，F(xiàn)象，因為內部有電熱絲，如果燙手就不正常了。

2.4 繼電器簡介

繼電器（Relay），也稱電驛，是一種精密控制器件，主要用于控制一些簡單的動作系統(tǒng)，實際上是通過控制較小的電流去控制大電流的一種比較安全的開關，所以在一些電路中起著安全、保護的作用。在咱們這個系統(tǒng)中主要用單片機自動控制它，間接地控制換氣

系統(tǒng)。

3 產(chǎn)品的優(yōu)勢

創(chuàng)新點在于：（1）不僅有檢測報警功能，而且具有自動控制排風扇的換氣功能；（2）排風扇的控制開關采用固態(tài)繼電器，消除了觸點暴露式開關存在電火花，可能引起爆炸的危險；（3）排風扇設置為雙重控制方式，除了濃度超標時的自動控制，平時依然可以人工進行啟停控制。

4 結語

該作品適用于安裝天然氣的用戶，但也不僅僅局限于此，通過更換或增加傳感器還可以用于甲醛、煤氣等氣體的測量報警和自動處理等。

參考文獻

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[4] 王雪文，張志勇.傳感器原理及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

作者簡介：郝少飛（1992-），男，河北農(nóng)業(yè)大學大三在讀學生，研究方向：單片機、嵌入式等；周少鵬（1992-），男，河北農(nóng)業(yè)大學大二在讀學生，研究方向：嵌入式等。

（責任編輯：周 瓊）