一種家用天然氣閥門狀態(tài)監(jiān)測裝置的設計

鐘志峰

（深圳中電港技術股份有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，天然氣已經是人們生活中不可缺少的組成部分。雖然天然氣不像一氧化碳那樣具有毒性，它本質上對人體是無害的，但如果當天然氣處于高濃度的狀態(tài)使空氣中的氧氣不足以維持生命的話還是會導致人類死亡的。同時，在密閉環(huán)境中天然氣達到一定比例時也會觸發(fā)威力巨大的爆炸。因此，安全地使用天然氣、防止天然氣泄漏還是十分必要的。

縱觀很多天然氣安全事故，都是因為在使用完畢后沒有及時關閉天然氣閥門導致的。雖然現在市面上有很多產品可以對天然氣進行報警，但它們都是對天然氣泄漏進行檢測，當室內的天然氣濃度達到一定程度才會觸發(fā)報警，而此時就已經有了發(fā)生危險的可能性。因此有必要設計一種能夠對天然氣閥門狀態(tài)進行監(jiān)測的裝置來提醒用戶在天然氣使用完畢后及時關閉閥門。

此款家用天然氣閥門監(jiān)測裝置采用微控制器作為整個裝置的控制核心，安裝在現有家用燃氣灶的外圍，不需要修改現有的管道結構，不需要對現有燃氣灶進行任何改造，甚至不需要增加額外的供電線路，就可以對天然氣表后閥的狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并通過聲音、指示燈等方式提醒用戶及時關閉天然氣閥門[1]。

1 硬件電路設計

整個硬件框圖和關鍵器件原理圖分別如圖1和圖2所示，主要由控制模塊、電源模塊、報警模塊和采集模塊組成。控制模塊為本裝置的控制核心，內部除了微控制器，還集成有FLASH、ADC、UART、GPIO等常用資源，它負責控制裝置的各個模塊，將事先編寫好的程序燒錄到控制模塊的FLASH中，然后監(jiān)測裝置就能正常調度所有周邊模塊。電源模塊由電池和充電管理IC組成，主要負責給監(jiān)測裝置各個模塊提供3.7V左右的工作電源。報警模塊由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，發(fā)光二極管完成工作狀態(tài)、充電、天然氣閥門狀態(tài)等指示工作，蜂鳴器用于給用戶發(fā)出報警提示音。采集模塊分為激光發(fā)射器和光敏電阻，通過特定的光學結構將激光發(fā)射器發(fā)出的激光反射回光敏電阻，從而實現對天然氣閥門狀態(tài)的監(jiān)測。

圖1 硬件框圖

圖2 關鍵器件原理圖

1.1 控制模塊

控制模塊的核心采用的是華大的微控制器HC32L110C4PA，它 是 基 于ARM? Cortex?-M0+內 核 的32位CPU平臺，擁有16K字節(jié)FLASH存儲器和2K字節(jié)RAM，內部高速時鐘最高可支持到24MHz，且精度能夠滿足UART通信的要求，因此設計上就不需要采用外部晶體了。其工作電壓范圍為1.8～5.5V，可以直接將鋰電池接到這顆微控制器上，省去LDO等器件。HC32L110C4PA內置12位1Msps采樣率的高精度ADC，可以測量微弱信號，同時也可以直接測量VCC的電壓，所以電池電壓檢測功能也可以通過HC32L110C4PA內部的資源來完成。

1.2 電源模塊

電源模塊是本系統(tǒng)的能量來源，本方案中采用了一塊3.7伏特、500毫安時的鋰電池，鋰電池直接給各個模塊供電，供電電壓會隨著電池電壓的變化而變化。

充電IC采用的是SGM4056，它是由圣邦微電子出品的鋰電池充電管理IC，該芯片操作方便，不需要用復雜的通信去配置。當芯片的VIN引腳有5V輸入時，/PPR引腳會輸出低電平，此時就可以通知MCU，USB充電線已經插入；在充電過程中，/CGH會輸出低電平，此時MCU可以檢測到充電正在進行；當充電電流小于預設的充電截止電流時，SGM4056的/CHG引腳會輸出高阻態(tài)，從而通知MCU充電已經完成；SGM4056的/EN引腳為充電控制引腳，當MCU給/EN低電平的時候開啟充電，反之亦然。

充電電流由芯片引腳IREF上的電阻決定，根據芯片廠商提供的計算公式：

將所需要的充電電流500mA代入到公式的IREF中，可以計算得到RIREF的值約為24kΩ。

同樣道理，芯片的充電截止電流可以參考下面的計算公式：

本裝置所需要的截止電流為40mA，將其代入到公式的IMIN中，就能計算得到RIMIN約為249kΩ。

1.3 采集模塊

采集模塊分為激光發(fā)射器和光敏電阻兩部分。激光發(fā)射器的主要任務是定時發(fā)射一束激光，通過一定的物理傳播后激光會射到光敏電阻上，從而實現對天然氣閥門狀態(tài)的監(jiān)測。

激光發(fā)射器采用的是5V器件，由于鋰電池的電壓并沒有這么高，所以在激光發(fā)射器的電源位置增加了一顆DCDC，型號為SGM6603-5.0，它能將鋰電池的電壓升壓到5V，通過控制芯片的EN引腳可以輕松實現5V電壓的通斷。

光敏電阻與MCU的ADC相連，同時用一顆1kΩ的標準電阻作為參考，MCU的ADC對光敏電阻的電壓進行采樣，就可以計算得到光敏電阻的阻值，從而判斷激光是否有照射到光敏電阻。

1.4 報警模塊

報警模塊由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，主要作用是給用戶提供監(jiān)測裝置當前的狀態(tài)信息，硬件上發(fā)光二極管和蜂鳴器直接與MCU的PIO相連，通過邏輯電平可以方便地控制發(fā)光二極管和蜂鳴器。報警模塊的發(fā)光二極管實現的功能有工作狀態(tài)指示、天然氣閥門狀態(tài)指示、充電狀態(tài)指示以及電池電量低指示等；蜂鳴器實現的功能有開機提示、天然氣閥門打開提醒和電池電量低提示等。

2 軟件設計

軟件的主要任務是定時對天然氣閥門的狀態(tài)進行監(jiān)測，并提醒用戶及時關閉天然氣閥門。除了上述的主要任務之外，還有電池狀態(tài)監(jiān)測、電池充電管理、測試模式、低功耗狀態(tài)等輔助功能。

2.1 天然氣閥門狀態(tài)監(jiān)測方法

監(jiān)測系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、反射棱鏡和光敏電阻三部分組成。在正常工作情況下，激光發(fā)射器每20秒會開啟一次，在沒有遮擋的情況下，激光在兩塊直角三棱鏡的反射下會180度返回到監(jiān)測裝置的光敏電阻。為了能讓光敏電阻有足夠的響應時間，在激光開啟30ms后，MCU才會開啟ADC對光敏電阻進行采樣。

由于安裝條件的不同工作模式分為兩種。模式一，天然氣閥門在開啟狀態(tài)下會遮擋激光的傳輸，此時檢測不到激光照射到光敏電阻則表示天然氣閥門被打開；模式二，天然氣閥門在關閉狀態(tài)下會遮擋激光的傳輸，此時光敏電阻檢測到激光照射則表示天然氣閥門被打開。兩種方式只是邏輯的反向，只需要在判斷的時候稍作區(qū)別，其余軟件邏輯不受影響。

2.2 電池狀態(tài)檢測

在正常工作狀態(tài)下，每30s會開啟MCU的ADC來讀取一次VCC的電壓，因為芯片的VCC是直接與電池相連的，所以這個電壓也就是電池的電壓了。當電池電壓低于3.4V的時候，系統(tǒng)會發(fā)出三下連續(xù)的提示音，同時三顆發(fā)光二極管也會閃爍，以便提醒用戶及時充電。當電池電壓低于3.2V的時候，系統(tǒng)不會再開啟激光發(fā)射器和ADC，而會立即進入低功耗狀態(tài)以防止電池完全耗盡。

2.3 電池充電管理

由于采用了充電芯片SGM4056，通過硬件上設定恒流充電電流和充電截止電流后，芯片就可以自動對鋰電池進行充電管理了。在軟件上所需要做的工作就是實時讀取/PPR引腳的狀態(tài)，如果讀取到低電平，則表示充電線已經插入，此時MCU只需要通過控制/EN引腳開啟芯片的充電功能并點亮充電LED即可。然后再實時讀取/CHG引腳狀態(tài)，一旦充電完成就可以讀取到該引腳為高阻態(tài)。同時MCU也需要監(jiān)測/PPR狀態(tài)，如果監(jiān)測到充電線被拔出，則需要停止充電并關閉LED充電指示。

2.4 測試模式

設置該模式的目的有：方便裝置的安裝、對芯片進行升級以及對裝置的工作模式進行設定。

由于安裝過程中需要對準激光發(fā)射器、直角棱鏡和光敏電阻三者的位置，而在正常模式下激光發(fā)射器多數時間處于關閉狀態(tài)，根本無法正常安裝，所以在測試模式下設置為激光和光敏電阻處于常開狀態(tài)，這樣就方便安裝。

此外在測試模式下，可以通過UART口進行程序的升級操作，也可以通過按鍵設定芯片的工作模式。由于測試模式的功耗比較大，為了保證電池的使用時長，測試模式設置了最大時間為30分鐘，超時則自動進入正常工作模式。

2.5 低功耗狀態(tài)

由于監(jiān)測裝置只采用了一塊500毫安時的鋰電池，如果讓整個系統(tǒng)處于全速運行狀態(tài)下的話，電池的工作壽命只有幾十個小時，所以大多數時間必須處于低功耗狀態(tài)。程序采用任務調度的方式進行設計，低功耗的總體思想是當所有的任務執(zhí)行完畢后，MCU會關閉所有的外設然后進入低功耗狀態(tài)，同時開啟低功耗定時器，每2s醒來檢查是否有新的任務。下面我們計算一下每24小時所消耗的電量。

MCU在開啟低功耗定時器情況下的電流為0.8μA，因此每24小時的耗電量為0.8μA×24小時 = 0.0192mAh。

激光發(fā)射器點亮時電流為36mA，每20s點亮一次，每次持續(xù)時間為30ms，所以每24小時的耗電量為36mA×（30ms / 20s）×24小時=1.296mAh。

三顆LED有兩顆是處于長時間閃爍狀態(tài)的，每2s閃爍一下，每次持續(xù)10ms，每顆LED限定的工作電流為500μA，所以LED每24小時的耗電量為500μA×（10ms / 2s）×24小時×2=0.12mAh。

蜂鳴器的工作電流為19mA，工作的時候蜂鳴器每10s響一下，每次持續(xù)100ms，假設平均每天的報警時間為1小時，則可以計算得到每24小時的耗電量為19mA×（100ms / 10s）×1小時=0.19mAh。

因此我們可以計算出500mAh的電池理論上可以工作的天數為500 /（0.0192 + 1.296 + 0.12 + 0.19） = 307.65天，即便電池不能完全釋放出500mAh的電量，充滿電后連續(xù)工作兩百多天也是沒問題的[2]。

3 設備的安裝

該天然氣閥門狀態(tài)監(jiān)測裝置可以安裝在現有的天然氣閥門旁邊，根據天然氣管道布置方向的不同，可以選擇不同的工作模式。

如圖3所示為工作模式一的情況，裝置安裝在天然氣閥門旁邊的墻上，激光發(fā)射頭需要對準天然氣表的表后閥位置，在激光發(fā)射頭和表后閥延長線的另一邊墻上安裝兩個相互垂直的直角棱鏡，當表后閥處于關閉狀態(tài)時，激光能到達棱鏡并反射回監(jiān)測裝置，微控制器就能讀取到光敏電阻的阻值變化；當表后閥打開時，從激光發(fā)射器發(fā)射的激光會被擋住，從而無法照射到光敏電阻，監(jiān)測裝置就能檢測到天然氣閥被打開了。

圖3 安裝示意圖

在其他的場合，可能天然氣管道布置方向會不同，檢測和安裝的邏輯剛好相反，即當天然氣表后閥關閉的時候會擋住激光，而當表后閥打開的時候激光會照射到光敏電阻，此時就適用于工作模式二。

4 結束語

這種采用激光方式監(jiān)測天然氣閥門狀態(tài)的裝置，能夠十分方便地安裝在現有家用天然氣系統(tǒng)上，且不需要做任何管道的改動，免去了燃氣設備需要專業(yè)人士才能安裝的尷尬。由于采用的是鋰電池供電的方式，因此不需要安裝額外的電源線，真正做到了獨立工作。且激光是非接觸式的，因此該裝置不會對現有燃氣裝置的使用造成任何的影響。在實際測試過程中，該裝置的監(jiān)測效果也是挺不錯的，充一次電能正常工作數月，如果能采用容量更大的電池，單次充電的工作時間還能大大延長。因此，在安全意識越來越強的今天，這種天然氣閥門監(jiān)測裝置一定會被越來越多的人接受，具有一定的應用前景。