家用天然气泄漏自动报警和换气控制系统研究

郝少飞　周少鹏

摘要：近年来，天然气等清洁能源行业发展迅猛，已经逐渐被居民所肯定。但随着天然气用户逐渐增多，天然气安全的问题也成为关心的话题。文章基于AT89C2051单片机，设计出了可用于燃气报警及换气的系统装置，以此更好地防范在天然气使用过程中出现的天然气泄露等问题。

关键词：天然气泄露；自动报警；换气控制；AT89C2051；燃气报警 文献标识码：A

中图分类号：TN09 文章编号：1009-2374（2015）05-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0346

我国现阶段的天然气的主要供气方式是集中供应，通过这一方式，不仅方便了燃气公司的有效管理，还有效减少在中途的天然气的损失，从而更加有效地减少环境的污染，既保护了环境，又降低了供应天然气的成本。随着家家户户逐渐开始使用天然气，暴露出一个比较严重的问题，那就是天然气的安全问题。同时随着科技的发展，各种各样的天然气报警装置应运而来，然而这些报警装置在设计和结构上形式都比较单一，效果和功能也就相应地满足不了消费者的需求。而芯片技术的发展，对报警系统的智能化控制起着非常大的

作用。

本文以AT89C2051芯片，以天然气传感器作为主要的工具，当家中天然气的浓度超过一定浓度（浓度可自己设定），会自动报警并自动打开排风扇将家中的天然气排出去，降低家中天然气的浓度，通过该系统可实现对家中天然气浓度检测，提高用户使用天然气的安全性，保障人民的生命财产安全。

1 可行性分析

1.1 课题背景及目的

随着我国经济建设的快速发展，空气污染逐年加重，为遏止我国空气污染加剧的趋势，改善城市空气环境质量，国家越来越重视天然气等一些清洁能源的使用，天然气已逐渐走进千家万户，特别是随着“两气东输”工程的快速进展，天然气行业发展潜力巨大。然而，天然气的泄漏爆炸事故逐年增加，严重危害人民的生命财产安全。为此，本设计主要是为使用天然气的家庭用户设计出一种可以检测天然气浓度的一种装置，从而减少天然气泄漏发生的事故，进而保证人民的生命财产安全。当室内天然气超出一定浓度时（规定的天然气浓度可自行设置），该装置发出声光报警信号并及时打开排风系统，室内室外进行空气对流，保障人民的生命财产安全。

1.2 主要内容和方法

根据该装置要实现的效果和功能，可将系统大概分为模拟信号釆集放大、模式信号处理控制、系统设置报警及换气三个部分：（1）模拟信号釆集放大部分即通过气体传感器检测室内天然气的浓度，将这种浓度值转化成电压模拟量，然后通过运算放大电路进行必要的放大；（2）模拟信号处理部分是将采集到的模拟信号通过模数转换电路转换成数字信号并进行必要的处理，并将处理后的数字信号送至单片机中；（3）系统设置报警及换气系统是通过预先设定的控制方式并利用蜂鸣器报警和自动打开排风扇来实现系统的准确操作。

2 设计方案及电路

2.1 设计思路

用精确的天然气传感器首先检测室内天然气的浓度，然后将检测后的浓度与设定的浓度值进行对比，如果大于设定的浓度值，将高电平“1”送到相应的单片机的I/O口，相反，如果小于设定的浓度值，将低电平“0”送到相应的单片机的I/O口。通过单片机控制报警电路的工作状态，然后由单片机来自动控制继电器，打开排风扇自动与室外进行换气。

2.2 对AT89C2051单片机的说明内部结构

AT89C2051是一带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的低电压，高性能8位CMOS微型计算机。主要引脚及功能：2K字节闪速存储器，128字节的RAM，15根I/O口，两个16位定时器，一个五向量两级中断结构，一个全双工串行口，一个精密模拟比较器以及两种可选的软件节电工作方式。

AT89C2051的引脚如图1所示：

图1 89C2051引脚图

VCC：电源电压。

GND：地。

P1口：P1口是一个8位双向I/O口。口引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。当P！口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。

RST：复位输入。RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周器的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

XTAL1：作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。

XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

2.3 气体浓度检测模块

MQ-4传感器简介：

MQ-4气体传感器的主要材料是二氧化锡（SnO2），它具有在清洁空气中的电导率比较低的优点。MQ-4气体传感器对天然气的主要成分甲烷的灵敏度较高，这个气体传感器可检测除了天然气的其他的多种可燃性气体，是一款低成本的气体传感器。

模块特色：（1）采用优质双面板设计，具有电源指示和TTL信号输出指示；（2）具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出；（3）TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机或继电器模块）。

电气性能：

输入电压：DC5V

功耗（电流）：150mA

DO输出：TTL数字量0和1（0.1和5V）

特别提醒：传感器通电后，需要预热20s左右，测量的数据才稳定，传感器发热属于正常现象，因为内部有电热丝，如果烫手就不正常了。

2.4 继电器简介

继电器（Relay），也称电驿，是一种精密控制器件，主要用于控制一些简单的动作系统，实际上是通过控制较小的电流去控制大电流的一种比较安全的开关，所以在一些电路中起着安全、保护的作用。在咱们这个系统中主要用单片机自动控制它，间接地控制换气

系统。

3 产品的优势

创新点在于：（1）不仅有检测报警功能，而且具有自动控制排风扇的换气功能；（2）排风扇的控制开关采用固态继电器，消除了触点暴露式开关存在电火花，可能引起爆炸的危险；（3）排风扇设置为双重控制方式，除了浓度超标时的自动控制，平时依然可以人工进行启停控制。

4 结语

该作品适用于安装天然气的用户，但也不仅仅局限于此，通过更换或增加传感器还可以用于甲醛、煤气等气体的测量报警和自动处理等。

参考文献

[1] 中国农用机械信息网.日光温室和塑料大棚面积大幅增长.2009.

[2] 郑成武.浅谈我国温室大棚的现状与发展[J].安徽农机，2005，（2）.

[3] 金发庆.传感器技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4] 王雪文，张志勇.传感器原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

作者简介：郝少飞（1992-），男，河北农业大学大三在读学生，研究方向：单片机、嵌入式等；周少鹏（1992-），男，河北农业大学大二在读学生，研究方向：嵌入式等。

（责任编辑：周 琼）