基于單片機(jī)的燃?xì)庠盥庵悄軝z測(cè)

黃艷艷，趙琳瑋，彭建華，侯慧娜

（空軍工程大學(xué) 航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校，河南信陽(yáng)， 464000）

俗語(yǔ)說(shuō)“民以食為天”，我們的生活離不開三餐飲食。在當(dāng)下的廚房，燃?xì)庠罡潜夭豢缮俚淖鲲埞ぞ?。比如，?dāng)我們?cè)谧鲲垥r(shí)，需要處理緊急事件，忘了關(guān)閉燃?xì)庠?，如果沒有漏氣檢測(cè)和自動(dòng)關(guān)閉功能，可能會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)或更嚴(yán)重的后果。對(duì)于大多數(shù)老式燃?xì)庠顏?lái)說(shuō)，沒有天然氣漏氣檢測(cè)和自動(dòng)關(guān)閉天然氣輸出功能，這樣就會(huì)存在一定的安全隱患。因此，為老式燃?xì)庠畎惭b天然氣漏氣檢測(cè)和自動(dòng)關(guān)閉裝置是必須的。

1 裝置結(jié)構(gòu)框圖

在本裝置的設(shè)計(jì)中，為了保證安全，采用了雙保險(xiǎn)報(bào)警電路。通過(guò)天然氣檢測(cè)傳感器對(duì)室內(nèi)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦檢測(cè)到氣體濃度超過(guò)安全閾值，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，及時(shí)提醒用戶有危險(xiǎn)情況，注意安全。

此外，本裝置還具備遠(yuǎn)程手機(jī)APP 軟件監(jiān)控報(bào)警和關(guān)閉功能。用戶只需要通過(guò)手機(jī)APP 軟件，就可以隨時(shí)隨地對(duì)室內(nèi)氣體濃度和煙霧情況進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測(cè)到異常情況，手機(jī)APP 軟件會(huì)發(fā)出報(bào)警提示，提醒用戶及時(shí)采取措施。同時(shí)，用戶還可以通過(guò)手機(jī)APP 軟件對(duì)電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程關(guān)閉，以避免氣體泄漏和安全事故的發(fā)生。

綜上所述，本裝置不僅可以有效解決忘記關(guān)燃?xì)庠畹膯?wèn)題，還可以通過(guò)雙檢測(cè)報(bào)警電路和遠(yuǎn)程手機(jī)APP 軟件監(jiān)控報(bào)警和關(guān)閉功能，提高室內(nèi)氣體安全性，為用戶帶來(lái)更多的便利和安全保障。其裝置框圖如圖1 所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)框圖

2 工作原理

（1）天然氣監(jiān)測(cè)傳感模塊檢測(cè)到的天然氣濃度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，一路信號(hào)傳遞給比較模塊，輸出信號(hào)傳遞給單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)程序判斷輸入的信號(hào)是否達(dá)到天然氣泄漏標(biāo)準(zhǔn)；

（2）天然氣監(jiān)測(cè)傳感模塊的另一路信號(hào)輸入ADC 轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生數(shù)字量值，數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，由單片機(jī)程序判斷是否達(dá)到泄露標(biāo)準(zhǔn)。

之后，單片機(jī)程序邏輯判斷這兩路信號(hào)，得出是否需要發(fā)出關(guān)閉天然氣閥門的指令。如果需要關(guān)閉，輸出控制信號(hào)控制常開型磁保持式電磁閥的供電單元，使其斷電，此時(shí)電磁閥就處于關(guān)閉狀態(tài)。

另外，將輸出關(guān)閉天然氣閥門信號(hào)發(fā)送給WiFi 模塊，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳送到個(gè)人手機(jī)APP 上，手機(jī)向主人發(fā)出聲音警報(bào)，要求關(guān)閉天然氣閥門，此時(shí)，主人可以手動(dòng)關(guān)閉或通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程關(guān)閉天然氣閥門。

為了檢測(cè)是否關(guān)閉成功，加裝電流檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)閥門是否關(guān)閉，同時(shí)回傳檢測(cè)結(jié)果信號(hào)到手機(jī)APP。

總之，該裝置通過(guò)多重檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣泄漏的及時(shí)監(jiān)測(cè)和處理，同時(shí)還具備遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控功能，提高了室內(nèi)天然氣的安全性和便利性。

3 各部分框圖設(shè)計(jì)

■3.1 天然氣監(jiān)測(cè)傳感模塊和電壓比較模塊

采用可燃?xì)怏w傳感器MQ-4 和電壓比較芯片LM393D作為主要器件，搭接外圍電路。在這個(gè)系統(tǒng)中，可燃?xì)怏w傳感器MQ-4 扮演著重要的角色，它能夠?qū)Νh(huán)境中的可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)得到的氣體濃度值轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞給主控芯片。MQ-4 傳感器具有高靈敏度和較好的穩(wěn)定性，在檢測(cè)到天然氣泄漏后會(huì)快速反應(yīng)，并將信號(hào)傳遞給電壓比較芯片LM393D。

電壓比較芯片LM393D 通過(guò)比較輸入電壓與參考電壓的大小關(guān)系來(lái)輸出邏輯高電平或邏輯低電平。在這個(gè)系統(tǒng)中，LM393D 被用作比較模塊，它的輸入端接收來(lái)自MQ-4傳感器的信號(hào)，而輸出端則接入了微控制器單元。如果檢測(cè)到的天然氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值，LM393D 的輸出端就會(huì)發(fā)出邏輯低電平信號(hào)，觸發(fā)微控制器單元采取控制措施，同時(shí)，LED1 也會(huì)發(fā)光，提示用戶有天然氣泄漏。

MQ-4 傳感器和LM393D 作為主要器件，搭配外圍電路，用于檢測(cè)和處理天然氣泄漏問(wèn)題，成為這個(gè)系統(tǒng)的核心部分之一。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，這個(gè)系統(tǒng)具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，并能夠及時(shí)檢測(cè)和處理天然氣泄漏問(wèn)題，提高了室內(nèi)氣體安全性。如圖2 所示。

圖2 天然氣監(jiān)測(cè)傳感模塊和電壓比較模塊

■3.2 ADC 模塊（包含前置保護(hù)電路）

在ADC 芯片選用ADS8320，在輸入ADC 芯片之前，需要做保護(hù)電路，其中二極管選用的是MUR805，此二極管具有快速恢復(fù)特性，防止電位被鉗住。為了保證ADC 芯片具有正確數(shù)字量輸出，Vref 端口采用穩(wěn)定輸出2.5V 電壓的REF3025 芯片。 對(duì)于CS、DCLOCK 和DOUT 端分別接單片機(jī)的P1.2、P1.1 和P1.2 端口。其電路圖如圖3 所示。

圖3 ADC 模塊（含前置保護(hù)電路）

■3.3 單片機(jī)控制模塊

該系統(tǒng)的核心主控芯片采用的是AT89C51 單片機(jī)，它是由Atmel 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的8 位單片機(jī)，具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)行速度。AT89C51 單片機(jī)的外圍電路連接采用了標(biāo)準(zhǔn)的8 位總線連接方式，其連接方式如圖4 所示。

圖4 單片機(jī)控制模塊

在外圍電路中，AT89C51 單片機(jī)的各個(gè)端口通過(guò)連接電阻、電容等元器件的方式與其他器件相互連接，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的輸入輸出功能。其中，輸入端口主要是用于接收外部信號(hào)，包括MQ-4 傳感器檢測(cè)到的天然氣濃度信號(hào)，傳送工作信號(hào)等；而輸出端口則主要是用于向外界輸出控制信號(hào)，控制磁保持式電磁閥開關(guān)，為手機(jī)APP 傳遞報(bào)警信號(hào)等。

在系統(tǒng)運(yùn)行中，AT89C51 單片機(jī)的程序會(huì)對(duì)這些輸入輸出端口進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、處理和報(bào)警等功能。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程由AT89C51 單片機(jī)來(lái)控制，為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的正常和穩(wěn)定，需要對(duì)單片機(jī)的電源和時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行嚴(yán)格的管理。

AT89C51 單片機(jī)作為該系統(tǒng)的核心主控芯片，具有高效、準(zhǔn)確、低功耗、高性能等特點(diǎn)，通過(guò)外圍電路連接實(shí)現(xiàn)與其他器件的互聯(lián)互通。它的穩(wěn)定性和可靠性為整個(gè)系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

■3.4 常開型磁保持式電磁閥及供電電路

該系統(tǒng)采用了常開型磁保持式電磁閥MLV20，其優(yōu)點(diǎn)是在維持兩種穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)不需要維持供電。這是因?yàn)樵撾姶砰y的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了特殊的保持機(jī)構(gòu)，當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，保持機(jī)構(gòu)會(huì)將閥門保持在開啟狀態(tài)，即使電磁鐵斷電，閥門也會(huì)一直保持開啟狀態(tài)。這可以很大程度上降低電路功耗并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。該電磁閥的供電部分還加入了電流檢測(cè)電路，用于判斷電磁閥的狀態(tài)是否為打開或關(guān)閉。為了設(shè)計(jì)出高精度、高可靠性的電流檢測(cè)電路，我們選用了OP37運(yùn)算放大器作為主要芯片，并通過(guò)外圍電路連接實(shí)現(xiàn)各組件之間的協(xié)同工作。

在電流檢測(cè)電路中，OP37 運(yùn)算放大器可以通過(guò)測(cè)量輸入端的電壓差并將其放大，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸出電壓。當(dāng)常開型磁保持式電磁閥MLV20 處于正常工作狀態(tài)時(shí)，電路中會(huì)有一定的電流通過(guò)，并產(chǎn)生一定的電壓差，這時(shí)OP37 運(yùn)算放大器的輸出電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，反映電流的強(qiáng)弱。而當(dāng)電磁閥被關(guān)閉時(shí)，通過(guò)電路的電流幾乎為零，OP37 運(yùn)算放大器的輸出電壓也會(huì)降到接近于零的水平，以便隨時(shí)準(zhǔn)備發(fā)出報(bào)警。這種電路設(shè)計(jì)方式可以很好地實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)和報(bào)警功能，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

為了充分發(fā)揮電路的檢測(cè)作用，該電流檢測(cè)電路還需通過(guò)外圍電路與AT89C51 單片機(jī)相連接，從而可以實(shí)現(xiàn)電路的自動(dòng)檢測(cè)和控制。AT89C51 單片機(jī)通過(guò)從OP37 運(yùn)算放大器讀取的電壓值來(lái)判斷電磁閥的狀態(tài)，并可以控制常開型保持式電磁閥MLV20 的開啟和關(guān)閉。該系統(tǒng)通過(guò)電流檢測(cè)電路的加入，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電磁閥的異常狀態(tài)，保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。其設(shè)計(jì)電路如圖5 所示。

圖5 電流檢測(cè)電路

■3.5 WiFi 模塊

WiFi 模塊是一種可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備，其核心部件是ESP-12 芯片，采用了ESP8266 作為其核心芯片。ESP-12 芯片作為一種高度集成的WiFi 模塊，具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證模塊的正常工作，需要正確連接外圍電路。其外圍電路連接圖如圖6 所示。

其中，ESP-12 芯片通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制。WiFi 模塊還需要連接電源，以提供工作所需的電能。為了保證電源的穩(wěn)定性，需要加入電源濾波電路，以濾除電源中的噪聲和干擾。此外，WiFi 模塊還需要連接天線，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線信號(hào)的收發(fā)。

將ESP-12 芯片的“Tx”和“Rx”端口分別與單片機(jī)P2.2 和P2.1 連接，實(shí)現(xiàn)串口通信。單片機(jī)AT89C51 依據(jù)AT 指令控制WiFi 模塊，使其與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。

■3.6 手機(jī)APP 設(shè)計(jì)過(guò)程

設(shè)計(jì)過(guò)程：

（1）確定需求：首先，需要明確手機(jī)APP 的功能需求，控制常開型磁保持式電磁閥的開關(guān)、監(jiān)測(cè)電流狀態(tài)、顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

（2）界面設(shè)計(jì)：根據(jù)需求，設(shè)計(jì)手機(jī)APP 的界面布局?？梢允褂媒缑嬖O(shè)計(jì)工具，如Adobe Photoshop、Sketch、Figma、Adobe XD 等，創(chuàng)建各個(gè)界面的原型圖。界面設(shè)計(jì)要考慮用戶友好性和易用性，確保用戶能方便地操作和獲取所需信息。

（3）SDK 集成和功能實(shí)現(xiàn)：根據(jù)機(jī)智云平臺(tái)提供的開發(fā)工具包SDK，將其集成到手機(jī)APP 中。根據(jù)SDK 提供的文檔和示例代碼，了解如何使用SDK 進(jìn)行設(shè)備連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。可以按照下面步驟實(shí)現(xiàn)SDK 的集成和功能實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要注意合理使用SDK 提供的API，處理可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況，并進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，確保APP 的穩(wěn)定性和功能完善性。

具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

①SDK 集成：

a.下載機(jī)智云平臺(tái)提供的開發(fā)工具包SDK，并解壓縮到項(xiàng)目目錄中。

b.在項(xiàng)目中添加SDK 的依賴庫(kù)文件，例如將SDK 提供的庫(kù)文件添加到項(xiàng)目的編譯路徑中。

c.在項(xiàng)目的配置文件中，添加SDK 所需的配置項(xiàng)，例如添加SDK 的API 密鑰和設(shè)備ID 等信息。

②設(shè)備連接：

a.在手機(jī)APP 的主界面中添加設(shè)備連接的相關(guān)控件，例如一個(gè)輸入框用于輸入設(shè)備ID，一個(gè)按鈕用于觸發(fā)連接操作。

b.在APP 的代碼中，使用SDK 提供的API 實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接的邏輯。當(dāng)用戶點(diǎn)擊連接按鈕時(shí)，獲取輸入的設(shè)備ID，并調(diào)用SDK 的連接函數(shù)，將設(shè)備ID 作為參數(shù)傳遞給SDK。

c.監(jiān)聽SDK 返回的連接結(jié)果回調(diào)，在回調(diào)函數(shù)中更新界面顯示連接成功或失敗的提示信息。如果連接成功，可以跳轉(zhuǎn)到下一個(gè)界面。

③數(shù)據(jù)傳輸：

a.在下一個(gè)界面中，添加一個(gè)文本框用于顯示設(shè)備數(shù)據(jù)。

b.在APP 的代碼中，使用SDK 提供的API 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪壿?。注?cè)一個(gè)數(shù)據(jù)接收的回調(diào)函數(shù)，當(dāng)SDK 接收到設(shè)備數(shù)據(jù)時(shí)，回調(diào)該函數(shù)，并將數(shù)據(jù)作為參數(shù)傳遞給回調(diào)函數(shù)。

c.在回調(diào)函數(shù)中，處理接收到的設(shè)備數(shù)據(jù)，例如解析數(shù)據(jù)、格式化等操作。將處理后的數(shù)據(jù)顯示在文本框中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示設(shè)備數(shù)據(jù)的功能。

④控制設(shè)備：

a.在下一個(gè)界面中，添加一個(gè)按鈕用于控制設(shè)備。

b.在APP 的代碼中，使用SDK 提供的API 實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的邏輯。當(dāng)用戶點(diǎn)擊控制按鈕時(shí)，調(diào)用SDK 的控制函數(shù)，發(fā)送相應(yīng)的指令或參數(shù)給設(shè)備。

c.監(jiān)聽SDK 返回的控制結(jié)果回調(diào)，在回調(diào)函數(shù)中更新界面顯示控制成功或失敗的提示信息。

⑤錯(cuò)誤處理：

在APP 的代碼中，根據(jù)SDK 提供的錯(cuò)誤處理API，處理可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況。例如，在設(shè)備連接時(shí)，如果網(wǎng)絡(luò)連接失敗，可以給用戶一個(gè)提示信息；在設(shè)備控制時(shí)，如果設(shè)備斷開連接，可以嘗試重新連接或給予用戶相應(yīng)的提示。

⑥調(diào)試和測(cè)試：

在集成和功能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。可以使用機(jī)智云平臺(tái)提供的調(diào)試工具、模擬器或真實(shí)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，確保連接、數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制等功能的正常運(yùn)行。

（4）修改UI 和程序代碼：根據(jù)界面設(shè)計(jì)的原型圖，對(duì)手機(jī)APP 的UI 進(jìn)行修改。通過(guò)修改布局、顏色、字體等方式，使得界面符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，根據(jù)需求修改程序代碼，實(shí)現(xiàn)功能邏輯和數(shù)據(jù)處理。

（5）調(diào)試和測(cè)試：在修改UI 和程序代碼后，進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試?？梢允褂媚M器或真實(shí)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，確保手機(jī)APP 的功能正常運(yùn)行，并與設(shè)備進(jìn)行正確的通信和交互。

（6）優(yōu)化和改進(jìn)：根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)手機(jī)APP 進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)?？梢酝ㄟ^(guò)性能優(yōu)化、界面優(yōu)化等方式，提升操作體驗(yàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)過(guò)程，結(jié)合機(jī)智云平臺(tái)和技術(shù)支持，設(shè)計(jì)出符合本裝置使用的手機(jī)APP。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要合理利用SDK 和開發(fā)工具包進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、易用的手機(jī)APP。

其中，APP 程序流程如圖7 所示。

圖7 遠(yuǎn)程控制電磁閥流程

4 總結(jié)

本裝置是以單片機(jī)AT89C51 芯片為核心，結(jié)合含有ESP8266 的ESP-12 芯片，搭建出遠(yuǎn)程控制電磁閥的電路系統(tǒng)。該電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真基本實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庠盥庵悄軝z測(cè)功能，但由于一些芯片和器件價(jià)格偏高，電路的生產(chǎn)成本還有待降低。接下來(lái)，主要尋求可替代的廉價(jià)芯片，降低電路成本，服務(wù)大眾。