燃?xì)庑孤┳詣?dòng)保護(hù)系統(tǒng)

新疆工程學(xué)院 柳雅琪

MQ-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類(lèi)煙霧更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)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(shè)計(jì)出一種家用燃?xì)庑孤┳詣?dòng)保護(hù)系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)發(fā)生燃?xì)庑孤┖?，指示燈閃爍、報(bào)警器發(fā)出蜂鳴聲進(jìn)行提示，同時(shí)關(guān)閉燃?xì)忾y、打開(kāi)窗戶(hù)，實(shí)現(xiàn)一系列保護(hù)措施。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用常見(jiàn)的AT89C51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)的主要功能是發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定閾值，系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃?xì)忾y門(mén)的閉合，同時(shí)打開(kāi)窗戶(hù)、LED燈閃爍、蜂鳴器報(bào)警。閥門(mén)選用電磁自閉閥，它的特點(diǎn)是無(wú)電信號(hào)輸入時(shí)，閥門(mén)處于打開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)有電信號(hào)輸入時(shí)，閥門(mén)閉合，其原理圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)庾詣?dòng)保護(hù)系統(tǒng)的原理圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)的輸入裝置為探測(cè)器，將檢測(cè)到的燃?xì)鉂舛绒D(zhuǎn)化成電信號(hào)與系統(tǒng)設(shè)定閾值，如果高于設(shè)定值，系統(tǒng)做出相應(yīng)的措施，具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 燃?xì)庾詣?dòng)保護(hù)系統(tǒng)的流程圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)關(guān)閉天然氣閥門(mén)裝置設(shè)計(jì)

其工作要求是，當(dāng)燃?xì)鉂舛日r(shí)，閉氣閥處于常開(kāi)狀態(tài)，燃?xì)馔ㄟ^(guò)進(jìn)氣口，經(jīng)過(guò)閥芯，到達(dá)出氣口，形成燃?xì)獾耐?，已達(dá)到正常供給燃?xì)獾男Ч?；?dāng)燃?xì)鉂舛冗_(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)給電磁閥一個(gè)電信號(hào)，這個(gè)電信號(hào)推動(dòng)活動(dòng)鐵芯向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯向上運(yùn)動(dòng)，閥芯和閥錐閉合，燃?xì)馔ǖ罃嚅_(kāi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)獾牟僮鳌?/p>

為了放大電磁鐵的吸力，設(shè)計(jì)引入四連桿機(jī)構(gòu)，如圖3。四連桿機(jī)構(gòu)受到的拉力F即為自由閥中彈簧的壓縮載荷，其計(jì)算公式如式(1)：

圖3 四連桿機(jī)構(gòu)

2.2 自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù)裝置

（1）機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)電磁鎖接收到控制系統(tǒng)給予的電信號(hào)后，通過(guò)電磁鎖打開(kāi)窗戶(hù)插銷(xiāo)，導(dǎo)軌式窗戶(hù)在彈簧的帶動(dòng)下，通過(guò)拉繩經(jīng)定滑輪向右運(yùn)動(dòng)，窗戶(hù)打開(kāi)。這種設(shè)計(jì)方法由單根拉簧帶動(dòng)，簡(jiǎn)單可靠。

（2）電磁鎖設(shè)計(jì)

電磁鎖的設(shè)計(jì)思路為：當(dāng)窗戶(hù)關(guān)閉時(shí)，根據(jù)曲柄連桿機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，A、B、C三點(diǎn)連成一條直線(xiàn)，該四桿機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)位置，出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，使窗戶(hù)能夠有效地鎖緊。為了使四連桿機(jī)構(gòu)很容易達(dá)到死點(diǎn)位置，機(jī)構(gòu)增加了導(dǎo)槽。開(kāi)窗時(shí)，為了消除死點(diǎn)位置，需要外力作用于B點(diǎn)，然后在副彈簧的作用下會(huì)容易打開(kāi)。這就實(shí)現(xiàn)了窗戶(hù)的容易打開(kāi)和關(guān)閉的功能。

作用于B點(diǎn)的外力通過(guò)電磁鐵實(shí)現(xiàn)。電磁鎖工作要求為：當(dāng)控制系統(tǒng)給電磁鐵電信號(hào)時(shí)，電磁鐵向上移動(dòng)，作用于B點(diǎn)推動(dòng)鉸鏈運(yùn)動(dòng)，這樣打破了原來(lái)窗戶(hù)死點(diǎn)位置，主拉簧帶動(dòng)連架桿在導(dǎo)槽內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，連架桿帶動(dòng)撥叉順時(shí)針移動(dòng)，那么撥叉使倒桿右移，最終實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)的鎖打開(kāi)。窗戶(hù)鎖一旦打開(kāi)，在窗戶(hù)下方主拉簧的作用下，窗戶(hù)向右移動(dòng)，則窗戶(hù)自動(dòng)打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)窗通風(fēng)的功能。

電磁鎖的行程設(shè)計(jì)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(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)

選用按鍵電平復(fù)位電路，通過(guò)復(fù)位端經(jīng)電阻與電源接通而實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)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(gè)按鈕，當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則Vcc的+5V電平就會(huì)直接加到RST端。由于人的動(dòng)作再快也會(huì)使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿(mǎn)足復(fù)位的時(shí)間要求。

3.2 燃?xì)鈧鞲衅髟O(shè)計(jì)

當(dāng)傳感器MQ-2檢測(cè)到有燃?xì)鉄熿F時(shí)，會(huì)將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)51單片機(jī)電路進(jìn)行電位分析，判斷電位是否大于或等于臨界報(bào)警值。其主要機(jī)理是可燃?xì)怏w與傳感器表面發(fā)生反應(yīng)，引起SiO2電導(dǎo)率發(fā)生變化，電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，從而識(shí)別是否有燃?xì)獍l(fā)生泄漏，

具體過(guò)程如下：電路處于無(wú)煙霧的情況下，燃?xì)鈧鞲衅鱉Q-2極片間阻值較大，該電阻分壓較小，相應(yīng)單片機(jī)管腳處于低電平，LED指示燈和蜂鳴器不工作；當(dāng)有煙霧信號(hào)時(shí)，傳感器極間阻值降低，該電阻分壓上升，相應(yīng)單片機(jī)管腳處于高電平，驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出蜂鳴聲，直至煙霧消失后電路恢復(fù)正常。

MQ-2傳感器需要預(yù)熱后使用，加熱電壓為5±0.2V，與單片機(jī)工作電壓一致，其輸出為模擬信號(hào)，單片機(jī)只接收數(shù)字信號(hào)，因此需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

3.3 指示燈裝置設(shè)計(jì)

有燃?xì)庑孤r(shí)，LED燈閃爍實(shí)現(xiàn)指示燈報(bào)警。本系統(tǒng)LED選用共陽(yáng)極接法，P1.0口接入燃?xì)鈧鞲衅?，?dāng)傳感器檢測(cè)到燃?xì)鉂舛冗_(dá)到危險(xiǎn)濃度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓，該電壓為模擬信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片輸入單片機(jī)；P0口接位選端，低電平時(shí)選中所選的LED燈；P2口接段選信號(hào)，高電平驅(qū)動(dòng)所選的段碼。要想LED燈8段全亮需要在位控口加74LS06反向驅(qū)動(dòng)。反向驅(qū)動(dòng)選取的原則是：保證其工作電壓、工作環(huán)境溫度和單片機(jī)相近，便于進(jìn)行電源設(shè)計(jì)。

3.4 鳴笛報(bào)警電路設(shè)計(jì)

有源蜂鳴器工作的理想信號(hào)是直流電，蜂鳴器內(nèi)部有一簡(jiǎn)單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉(zhuǎn)化成一定頻率的脈沖信號(hào)，從而產(chǎn)生磁場(chǎng)交變，帶動(dòng)鉬片振動(dòng)發(fā)音。本系統(tǒng)所采用的報(bào)警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管驅(qū)動(dòng)，只要單片機(jī)控制引腳為低電平，蜂鳴器就會(huì)鳴叫報(bào)警，反之則不鳴叫，可以通過(guò)控制單片機(jī)引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。

總結(jié)：本文基于51單片機(jī)，選用MQ-2做為檢測(cè)器進(jìn)行了家用燃?xì)庑孤┭b置設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤舛冗_(dá)到系統(tǒng)設(shè)定閾值時(shí)，閉氣閥關(guān)閉切斷燃?xì)夤┙o，同時(shí)開(kāi)窗降低燃?xì)鉂舛取?/p>