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產(chǎn)產(chǎn)生危害，本項目組設(shè)計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)行實時監(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、報警模塊電路和控制部分電路。經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)在沒有超出設(shè)定的天然氣泄漏濃度范圍時抽油煙機(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，中央處理器發(fā)出命令，實現(xiàn)排氣裝置自啟動，排出泄露天然氣并同時進(jìn)行聲光報警器；當(dāng)天然氣濃度恢復(fù)至1.0%以下后，解除報警。

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)實惠、清潔綠色的能源，同時又具有熱值較高、使用方便、無毒性、燃燒后無殘渣和廢物、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℃時就會產(chǎn)生燃燒；其混合物濃度達(dá)到5%-15%的濃度界限，一旦遇到明火就會產(chǎn)生爆燃或爆炸。目前市售的家用天然氣報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，率先觸發(fā)報警器系統(tǒng)，并且關(guān)閉天然氣的閥門?；謴?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能夠及時發(fā)現(xiàn)并清除的問題。本項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%）泄露時會在一定時間內(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，同時單片機(jī)會將有效數(shù)據(jù)及時處理分析并通過繼電器的通斷控制抽油煙機(jī)，繼而啟動抽油煙機(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即小于0.1%時，會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，可正常觸發(fā)報警器功能，并關(guān)閉天然氣閥門。

二、智能監(jiān)控裝置硬件設(shè)計

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)計的需要，所以本項目選擇了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)就會升高。該特性能夠很好地滿足本設(shè)計的需要，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)過實際測試，該傳感器確實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

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警器的開關(guān)，為了實現(xiàn)這一系列的工作，系統(tǒng)使用Altium Desiger軟件設(shè)計電路原理圖并完成了布線和封裝。

當(dāng)微量氣體泄露時，驅(qū)動控制和開啟抽油煙機(jī)工作。排出微量天然氣，而不會引起天然氣控制裝置自動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)，不會影響抽油煙機(jī)正常工作。使用結(jié)束時開關(guān)會自行斷開，從而恢復(fù)了繼電器電路的正常工作。

三、軟件設(shè)計

用戶在使用時，可以通過抽油煙機(jī)前面控制的手動按鈕來控制應(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，裝置內(nèi)部安裝的天然氣檢測裝置會持續(xù)對空氣中天然氣濃度的實時檢測，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報誤報判別，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警模塊發(fā)送相同的電信號，報警模塊接收到電信號之后開始進(jìn)行預(yù)先設(shè)計的聲光同時報警，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)的報警模塊采用了傳統(tǒng)報警器報警的一般形式，在程序設(shè)計時應(yīng)用了經(jīng)典的報警程序。本裝置選用AT89C51芯片作為檢測報警模塊的中央處理器，設(shè)計了測量準(zhǔn)確度高、辨別率高、出錯率低的檢測系統(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警裝置功能，同時還具有自動開啟抽油煙機(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功能。本實驗結(jié)果表明：

（1）在沒有超出設(shè)定范圍的天然氣泄漏時可實現(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，中央處理器發(fā)出命令，實現(xiàn)排氣裝置自啟動，排出泄露天然氣并同時進(jìn)行聲光報警器；當(dāng)天然氣濃度恢復(fù)至持續(xù)低于1.0%濃度后，解除報警并停止排氣。

結(jié)合上述的實驗過程，本次創(chuàng)新項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）

項目基金：2018年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201810223075）