基于51单片机天然气智能监控装置

邱攀 王淞 王家琪 周奕如 毕志伟

为防止家用天然气泄露对人及家庭财产产生危害，本项目组设计了一套天然气智能监控装置，安装于抽油烟机附近，可对天然气泄露情况进行实时监控。本系统包括天然气浓度信号采集电路、模拟数字转化电路、调节电路、报警模块电路和控制部分电路。经试验验证，系统在没有超出设定的天然气泄漏浓度范围时抽油烟机正常工作；当检测出天然气泄露浓度高于1.0%并持续5秒时，中央处理器发出命令，实现排气装置自启动，排出泄露天然气并同时进行声光报警器；当天然气浓度恢复至1.0%以下后，解除报警。

一、引言

地球上一切天然生成的任何种类气体的混合物被称为天然气。其主要成分是甲烷、乙烷等气体烃。天然气既是一种能源高、经济实惠、清洁绿色的能源，同时又具有热值较高、使用方便、无毒性、燃烧后无残渣和废物、成本亲民等特点和优点，是营造蓝天城市首选的理想能源。但是天然气却有着易燃易爆炸的特性，一旦和空气混合之后，并且外界温度高于550℃时就会产生燃烧；其混合物浓度达到5%-15%的浓度界限，一旦遇到明火就会产生爆燃或爆炸。目前市售的家用天然气报警器由于传感器的灵敏度的差异其检测浓度大多在1%左右，与抽油烟机均为独立工作设备，当天然气产生泄漏时，率先触发报警器系统，并且关闭天然气的阀门。恢复使用只能用天然气卡插入天然气控制器进行重启，无法解决天然气在微量泄露时能够及时发现并清除的问题。本项目所研究的装置在天然气发生微量（空气中泄露的天然气浓度达到0.1%-1%）泄露时会在一定时间内被气敏传感器（本装置预采用MQ-4高灵敏度气体传感器，气灵敏度在10ppm，可进行ppm及爆炸下限浓度LEL测量）识别并由气体信号转化为电信号，同时单片机会将有效数据及时处理分析并通过继电器的通断控制抽油烟机，继而启动抽油烟机将微量气体排出，当天然气浓度降到正常浓度值以下时即小于0.1%时，会通过控制电路使抽油烟机停止工作，以减低天然气微量泄露时对居民用户所产生的伤害和损失。当天然气大量泄露时，可正常触发报警器功能，并关闭天然气阀门。

二、智能监控装置硬件设计

1.天然气检测装置

考虑到本装置的应用环境与电路板的设计的需要，所以本项目选择了MQ-4高灵敏度气体传感器。MQ-4传感器的电导的数值受到空气中混杂的天然气的影响，天然气浓度越高，电导就会升高。该特性能够很好地满足本设计的需要，即将气体浓度信号转化为电信号并传到中央处理器中。而且经过实际测试，该传感器确实具备对天然气的灵敏度高，恢复性能强，体积较小，使用寿命长等多种特点。

2.系统总体电路设计

根据检测装置所收集到所采集的天然气浓度，再通过A/D转换器将电信号转化为数字信号并导入到中央处理器中，再经中央处理器判断，控制继电器与声光报警器的开关，为了实现这一系列的工作，系统使用Altium Desiger软件设计电路原理图并完成了布线和封装。

当微量气体泄露时，驱动控制和开启抽油烟机工作。排出微量天然气，而不会引起天然气控制装置自动切断天然气阀门的情况。在用户正常使用抽油烟机室内设开关闭合通过独立控制电路开关闭合让继电器衔铁始终处于断电状态，不会影响抽油烟机正常工作。使用结束时开关会自行断开，从而恢复了继电器电路的正常工作。

三、软件设计

用户在使用时，可以通过抽油烟机前面控制的手动按钮来控制应用模块，来达成一般模式与安全模式的转化。当用户调节到安全模式时，装置内部安装的天然气检测装置会持续对空气中天然气浓度的实时检测，天然气检测装置将信号传递给中央处理器，再经中央处理器已经预先设定好的程序实行防错报误报判别，判断天然气是否达到持续5s高于1.0%的浓度值，在中央处理器确定天然气发生泄漏后，随即开启预先设定的反应程序分别向继电器与报警模块发送相同的电信号，报警模块接收到电信号之后开始进行预先设计的声光同时报警，继电器接收到电信号后导通排气装置的电路，开启排气装置将泄露天然气排出至室外。当天然气浓度持续比1.0%的浓度低达到5s后，解除报警并立即关断排气模块。在天然气泄漏情况确认彻底消除之后，再经过天然气检测装置的检测，经中央处理器的确认天然气浓度变回正常浓度之后，中央处理器命令各元器件完成复位。

本智能新型家用安全抽油烟机的报警模块采用了传统报警器报警的一般形式，在程序设计时应用了经典的报警程序。本装置选用AT89C51芯片作为检测报警模块的中央处理器，设计了测量准确度高、辨别率高、出错率低的检测系统；并采用测量精准度高的检测型电压芯片，保证了整个系统开启与关闭的稳定程度。

四、 结语

本装置不仅具有一般天然气泄露报警装置功能，同时还具有自动开启抽油烟机排气功能，是一种新型节能安全装置。通过MQ-4高灵敏度气体传感器、处理器、单片机、C语言以及Altium Desiger等硬件与软件相结合，实现了本装置对天然气泄露检测功能和排除泄露天然气的两项功能。本实验结果表明：

（1）在没有超出设定范围的天然气泄漏时可实现传统抽油烟机的正常使用功能。

（2）当检测出天然气泄露浓度持续高于1.0%浓度时，中央处理器发出命令，实现排气装置自启动，排出泄露天然气并同时进行声光报警器；当天然气浓度恢复至持续低于1.0%浓度后，解除报警并停止排气。

结合上述的实验过程，本次创新项目研究成果十分理想，完成了預想效果。（作者单位：黑龙江八一农垦大学电气与信息学院）

项目基金：2018年大学生创新创业训练计划项目（201810223075）