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家用天然氣泄漏自動報警和換氣控制系統(tǒng)研究

2015-03-26 18:09郝少飛周少鵬
中國高新技術(shù)企業(yè) 2015年5期

郝少飛 周少鵬

摘要:近年來,天然氣等清潔能源行業(yè)發(fā)展迅猛,已經(jīng)逐漸被居民所肯定。但隨著天然氣用戶逐漸增多,天然氣安全的問題也成為關(guān)心的話題。文章基于AT89C2051單片機(jī),設(shè)計出了可用于燃?xì)鈭缶皳Q氣的系統(tǒng)裝置,以此更好地防范在天然氣使用過程中出現(xiàn)的天然氣泄露等問題。

關(guān)鍵詞:天然氣泄露;自動報警;換氣控制;AT89C2051;燃?xì)鈭缶?文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

中圖分類號:TN09 文章編號:1009-2374(2015)05-0027-02 DOI:10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0346

我國現(xiàn)階段的天然氣的主要供氣方式是集中供應(yīng),通過這一方式,不僅方便了燃?xì)夤镜挠行Ч芾恚€有效減少在中途的天然氣的損失,從而更加有效地減少環(huán)境的污染,既保護(hù)了環(huán)境,又降低了供應(yīng)天然氣的成本。隨著家家戶戶逐漸開始使用天然氣,暴露出一個比較嚴(yán)重的問題,那就是天然氣的安全問題。同時隨著科技的發(fā)展,各種各樣的天然氣報警裝置應(yīng)運(yùn)而來,然而這些報警裝置在設(shè)計和結(jié)構(gòu)上形式都比較單一,效果和功能也就相應(yīng)地滿足不了消費(fèi)者的需求。而芯片技術(shù)的發(fā)展,對報警系統(tǒng)的智能化控制起著非常大的

作用。

本文以AT89C2051芯片,以天然氣傳感器作為主要的工具,當(dāng)家中天然氣的濃度超過一定濃度(濃度可自己設(shè)定),會自動報警并自動打開排風(fēng)扇將家中的天然氣排出去,降低家中天然氣的濃度,通過該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對家中天然氣濃度檢測,提高用戶使用天然氣的安全性,保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1 可行性分析

1.1 課題背景及目的

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展,空氣污染逐年加重,為遏止我國空氣污染加劇的趨勢,改善城市空氣環(huán)境質(zhì)量,國家越來越重視天然氣等一些清潔能源的使用,天然氣已逐漸走進(jìn)千家萬戶,特別是隨著“兩氣東輸”工程的快速進(jìn)展,天然氣行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。然而,天然氣的泄漏爆炸事故逐年增加,?yán)重危害人民的生命財產(chǎn)安全。為此,本設(shè)計主要是為使用天然氣的家庭用戶設(shè)計出一種可以檢測天然氣濃度的一種裝置,從而減少天然氣泄漏發(fā)生的事故,進(jìn)而保證人民的生命財產(chǎn)安全。當(dāng)室內(nèi)天然氣超出一定濃度時(規(guī)定的天然氣濃度可自行設(shè)置),該裝置發(fā)出聲光報警信號并及時打開排風(fēng)系統(tǒng),室內(nèi)室外進(jìn)行空氣對流,保障人民的生命財產(chǎn)安全。

1.2 主要內(nèi)容和方法

根據(jù)該裝置要實(shí)現(xiàn)的效果和功能,可將系統(tǒng)大概分為模擬信號釆集放大、模式信號處理控制、系統(tǒng)設(shè)置報警及換氣三個部分:(1)模擬信號釆集放大部分即通過氣體傳感器檢測室內(nèi)天然氣的濃度,將這種濃度值轉(zhuǎn)化成電壓模擬量,然后通過運(yùn)算放大電路進(jìn)行必要的放大;(2)模擬信號處理部分是將采集到的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并進(jìn)行必要的處理,并將處理后的數(shù)字信號送至單片機(jī)中;(3)系統(tǒng)設(shè)置報警及換氣系統(tǒng)是通過預(yù)先設(shè)定的控制方式并利用蜂鳴器報警和自動打開排風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確操作。

2 設(shè)計方案及電路

2.1 設(shè)計思路

用精確的天然氣傳感器首先檢測室內(nèi)天然氣的濃度,然后將檢測后的濃度與設(shè)定的濃度值進(jìn)行對比,如果大于設(shè)定的濃度值,將高電平“1”送到相應(yīng)的單片機(jī)的I/O口,相反,如果小于設(shè)定的濃度值,將低電平“0”送到相應(yīng)的單片機(jī)的I/O口。通過單片機(jī)控制報警電路的工作狀態(tài),然后由單片機(jī)來自動控制繼電器,打開排風(fēng)扇自動與室外進(jìn)行換氣。

2.2 對AT89C2051單片機(jī)的說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AT89C2051是一帶有2K字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲器(EEPROM)的低電壓,高性能8位CMOS微型計算機(jī)。主要引腳及功能:2K字節(jié)閃速存儲器,128字節(jié)的RAM,15根I/O口,兩個16位定時器,一個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行口,一個精密模擬比較器以及兩種可選的軟件節(jié)電工作方式。

AT89C2051的引腳如圖1所示:

圖1 89C2051引腳圖

VCC:電源電壓。

GND:地。

P1口:P1口是一個8位雙向I/O口??谝_P1.2~P1.7提供內(nèi)部上拉電阻,P1.0和P1.1要求外部上拉電阻。P1.0和P1.1還分別作為片內(nèi)精密模擬比較器的同相輸入(ANI0)和反相輸入(AIN1)。P1口輸出緩沖器可吸收20mA電流并能直接驅(qū)動LED顯示。當(dāng)P!口引腳寫入“1”時,其可用作輸入端,當(dāng)引腳P1.2~P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的寫入“1”時,其可用作輸入端。當(dāng)引腳P1.2~P1.7用作輸入并被外部拉低時,它們將因內(nèi)部的上拉電阻而流出電流。

RST:復(fù)位輸入。RST一旦變成高電平所有的I/O引腳就復(fù)位到“1”。當(dāng)振蕩器正在運(yùn)行時,持續(xù)給出RST引腳兩個機(jī)器周器的高電平便可完成復(fù)位。每一個機(jī)器周期需12個振蕩器或時鐘周期。

XTAL1:作為振蕩器反相器的輸入和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。

XTAL2:作為振蕩器反相放大器的輸出。

2.3 氣體濃度檢測模塊

MQ-4傳感器簡介:

MQ-4氣體傳感器的主要材料是二氧化錫(SnO2),它具有在清潔空氣中的電導(dǎo)率比較低的優(yōu)點(diǎn)。MQ-4氣體傳感器對天然氣的主要成分甲烷的靈敏度較高,這個氣體傳感器可檢測除了天然氣的其他的多種可燃性氣體,是一款低成本的氣體傳感器。

模塊特色:(1)采用優(yōu)質(zhì)雙面板設(shè)計,具有電源指示和TTL信號輸出指示;(2)具有DO開關(guān)信號(TTL)輸出和AO模擬信號輸出;(3)TTL輸出有效信號為低電平(當(dāng)輸出低電平時信號燈亮,可直接接單片機(jī)或繼電器模塊)。

電氣性能:

輸入電壓:DC5V

功耗(電流):150mA

DO輸出:TTL數(shù)字量0和1(0.1和5V)

特別提醒:傳感器通電后,需要預(yù)熱20s左右,測量的數(shù)據(jù)才穩(wěn)定,傳感器發(fā)熱屬于正?,F(xiàn)象,因為內(nèi)部有電熱絲,如果燙手就不正常了。

2.4 繼電器簡介

繼電器(Relay),也稱電驛,是一種精密控制器件,主要用于控制一些簡單的動作系統(tǒng),實(shí)際上是通過控制較小的電流去控制大電流的一種比較安全的開關(guān),所以在一些電路中起著安全、保護(hù)的作用。在咱們這個系統(tǒng)中主要用單片機(jī)自動控制它,間接地控制換氣

系統(tǒng)。

3 產(chǎn)品的優(yōu)勢

創(chuàng)新點(diǎn)在于:(1)不僅有檢測報警功能,而且具有自動控制排風(fēng)扇的換氣功能;(2)排風(fēng)扇的控制開關(guān)采用固態(tài)繼電器,消除了觸點(diǎn)暴露式開關(guān)存在電火花,可能引起爆炸的危險;(3)排風(fēng)扇設(shè)置為雙重控制方式,除了濃度超標(biāo)時的自動控制,平時依然可以人工進(jìn)行啟??刂?。

4 結(jié)語

該作品適用于安裝天然氣的用戶,但也不僅僅局限于此,通過更換或增加傳感器還可以用于甲醛、煤氣等氣體的測量報警和自動處理等。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國農(nóng)用機(jī)械信息網(wǎng).日光溫室和塑料大棚面積大幅增長.2009.

[2] 鄭成武.淺談我國溫室大棚的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].安徽農(nóng)機(jī),2005,(2).

[3] 金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[4] 王雪文,張志勇.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

作者簡介:郝少飛(1992-),男,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大三在讀學(xué)生,研究方向:單片機(jī)、嵌入式等;周少鵬(1992-),男,河北農(nóng)業(yè)大學(xué)大二在讀學(xué)生,研究方向:嵌入式等。

(責(zé)任編輯:周 瓊)

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