家用燃?xì)獍踩y智能控制裝置的研發(fā)

肖勤 王冬春 匡虹勝 周俊帆 彭梓齊 王先春

摘 ? 要：本文提出一款基于STM32F103RCT6單片機(jī)家用一體化燃?xì)獍踩O(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。實(shí)現(xiàn)家用燃?xì)獍踩O(shè)備智能一體化，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出室內(nèi)不正常的燃?xì)鉂舛?，火焰?qiáng)度，管道內(nèi)的氣體壓強(qiáng)等安全隱患以及浴室的氧氣含量不足引起的窒息等安全隱患，并通過(guò)主控制器判別自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，打開(kāi)排氣扇，并進(jìn)行聲光報(bào)警，電話短信報(bào)警等安全操作，有效避免煤氣中毒，火災(zāi)，爆炸以及因含氧量低造成的窒息等安全事故的發(fā)生，保障了人們居家使用燃?xì)獾陌踩?/span>

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) ?一體化 ?安全閥 ?燃?xì)??STM32

中圖分類號(hào)：TP302 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0070-03

Abstract： This paper presents the design and development of an integrated gas safety device for domestic use based on stm32f103rct6 single chip microcomputer. Realize the intelligent integration of domestic gas safety equipment， accurately detect the indoor abnormal gas concentration， flame intensity， gas pressure in the pipeline and other safety hazards such as suffocation caused by the lack of oxygen content in the bathroom， and judge the automatic closing valve， open the exhaust fan， and carry out sound light alarm， telephone message alarm and other safety operations through the main controller To effectively avoid gas poisoning， fire， explosion and suffocation caused by low oxygen content and other safety accidents， to ensure the safety of people's home use of gas.

Key Words： Internet of things; Integration; Safety valve; Gas; STM32

隨著我國(guó)燃?xì)馐褂玫钠占?，燃?xì)庾鳛橐环N較為清潔，經(jīng)濟(jì)的燃料被廣泛使用，隨之發(fā)生的安全事故也越來(lái)越多。具中國(guó)燃?xì)庑袠I(yè)門(mén)戶網(wǎng)站博燃網(wǎng)2018年1月—2019年11月收錄公布的國(guó)內(nèi)燃?xì)馐鹿矢哌_(dá)700多起，累計(jì)受傷人數(shù)高達(dá)1000余人，死亡人數(shù)140余人，其中居民用氣事故發(fā)生率高達(dá)61.6%。

以上數(shù)據(jù)表明，家用燃?xì)馐褂盟l(fā)生的事故情況十分的嚴(yán)峻。家用燃?xì)馐鹿暑l發(fā)的主要原因在于閥門(mén)，管件老化導(dǎo)致燃?xì)夤艿佬孤?，燃?xì)忾y門(mén)破損，以及室內(nèi)不通風(fēng)，燃?xì)馊紵怀浞值葐?wèn)題。

1 ?系統(tǒng)原理及架構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的燃?xì)獍踩y智能控制裝置，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出室內(nèi)不正常的燃?xì)鉂舛?，火焰?qiáng)度，管道內(nèi)的氣體壓強(qiáng)以及浴室的氧氣含量等安全隱患，并通過(guò)主控制器判別自動(dòng)關(guān)閉閥門(mén)，打開(kāi)排氣扇，并進(jìn)行聲光報(bào)警，電話短信報(bào)警等安全操作，有效避免較大的安全事故的發(fā)生。

系統(tǒng)以STM32F103RCT6為主控制器，采用DC_DC&LDC電源轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)各個(gè)模塊提供低壓穩(wěn)定電流，使用MQ-9氣體傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)的燃?xì)鉂舛?，?dāng)室內(nèi)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到預(yù)設(shè)閾值一時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出控制指令，通過(guò)NRF2401無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)排氣系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)排氣（當(dāng)氣體燃燒不充分時(shí)）;當(dāng)燃?xì)鉂舛鹊介撝刀r(shí)，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警器，通過(guò)NRF2401無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)電磁閥的關(guān)斷，由SIM800C模塊將燃?xì)庑孤┑那闆r發(fā)送至戶主的手機(jī)（此時(shí)已確認(rèn)氣體泄漏）。在此同時(shí)，系統(tǒng)還搭載氧氣傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)氧氣濃度，當(dāng)室內(nèi)氧氣濃度低于人體所需正常濃度值，驅(qū)動(dòng)排氣系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)排氣，可避免發(fā)生缺氧窒息等情況?；鹧?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測(cè)室內(nèi)燃?xì)馐褂冒踩嚯x外是否有持久燃燒的明火以判斷火災(zāi)發(fā)生，并將信息傳遞給控制器，進(jìn)行報(bào)警，關(guān)斷閥門(mén)等一系列措施。壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)夤艿纼?nèi)氣壓是否正常，管道內(nèi)氣壓情況將控制器下發(fā)命令給LED彩燈，紅燈顯示壓強(qiáng)處于非正常狀態(tài)，綠燈顯示壓強(qiáng)正常，已達(dá)到安全使用燃?xì)?，避免過(guò)壓欠壓導(dǎo)致的安全事故。

2 ?系統(tǒng)檢測(cè)模塊

氧氣傳感器內(nèi)置高精度電化學(xué)傳感器，通過(guò)專門(mén)的電路將氣體濃度信號(hào)輸出為數(shù)字信號(hào)。傳感器內(nèi)部帶有高精度放大、去噪聲處理、溫度補(bǔ)償處理，能夠快速準(zhǔn)確地輸出可用氧氣濃度信息。

MQ-9燃?xì)鈾z測(cè)傳感器氣敏材料為清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（Sn02）。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（1.5V加熱）檢測(cè)-氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5V加熱）檢測(cè)可燃?xì)怏w甲烷、丙烷并清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[1]。

火焰?zhèn)鞲衅髟撃K可以檢測(cè)760nm～1100nm范圍內(nèi)的光源，進(jìn)行實(shí)物測(cè)驗(yàn)后，調(diào)節(jié)靈敏度，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到系統(tǒng)規(guī)定范圍內(nèi)的明火。壓力傳感器可測(cè)試0kPa～20kPa的氣壓值，并輸出一個(gè)呈線性關(guān)系的模擬電壓，MCU的ADC口能夠直接讀取和判斷，并通過(guò)AD換算，顯示精確的氣體壓強(qiáng)。

3 ?功能、報(bào)警模塊

功能、報(bào)警模塊由無(wú)線模塊驅(qū)動(dòng)電磁閥，風(fēng)扇部分;聲光報(bào)警模塊，SIM 電話短信報(bào)警模塊組成。無(wú)線驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)裝置與功能模塊（電磁閥，排氣扇）進(jìn)行無(wú)線控制，電磁閥工作電路由NRF2401無(wú)線模塊與NPN三極管等構(gòu)成的組合電路單獨(dú)驅(qū)動(dòng)電磁閥;排氣扇電路由，排氣扇工作電路由NRF2401無(wú)線模塊與UNL2003驅(qū)動(dòng)器以及繼電器構(gòu)成的組合電路。實(shí)現(xiàn)控制器與電磁閥，排氣扇之間的分離。避免各鐘繁雜的線路對(duì)居家造成困擾。聲光報(bào)警模塊采用無(wú)源蜂鳴器以及高光LED彩燈組成，準(zhǔn)確地顯示出管道內(nèi)起亞的變化以及燃?xì)獾男孤┑膱?bào)警。電話短信報(bào)警模塊通過(guò)SIM800C芯片結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的ESIM技術(shù)，將傳統(tǒng)SIM卡直接嵌入到主設(shè)備芯片上，通過(guò)串口與中控制器通信，實(shí)現(xiàn)快速電話信息報(bào)警。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)備接通電源后，單片機(jī)進(jìn)行初始化復(fù)位，OLED顯示屏初始化清屏后正常顯示各傳感器模塊輸送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。控制器將輸送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，是否達(dá)到報(bào)警的閾值，如果達(dá)到，則向報(bào)警模塊發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息，同時(shí)進(jìn)行電磁閥的關(guān)斷以及排氣扇的開(kāi)關(guān)。若沒(méi)有達(dá)到報(bào)警閾值則繼續(xù)循環(huán)檢測(cè)。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)使用keil5進(jìn)行編程，并通過(guò)pcb仿真制板，通過(guò)焊接制作實(shí)物。多次重復(fù)調(diào)試，驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的可行性。各種數(shù)據(jù)表明，本設(shè)計(jì)各功能部分均已達(dá)到并超過(guò)預(yù)期效果。且成本較低，智能簡(jiǎn)單，可以滿足現(xiàn)在的居家燃?xì)馐褂冒踩男枰?/p>

參考文獻(xiàn)

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