家用燃气安全阀智能控制装置的研发

肖勤 王冬春 匡虹胜 周俊帆 彭梓齐 王先春

摘   要：本文提出一款基于STM32F103RCT6单片机家用一体化燃气安全设备的设计与开发。实现家用燃气安全设备智能一体化，能够准确地检测出室内不正常的燃气浓度，火焰强度，管道内的气体压强等安全隐患以及浴室的氧气含量不足引起的窒息等安全隐患，并通过主控制器判别自动关闭阀门，打开排气扇，并进行声光报警，电话短信报警等安全操作，有效避免煤气中毒，火灾，爆炸以及因含氧量低造成的窒息等安全事故的发生，保障了人们居家使用燃气的安全。

关键词：物联网  一体化  安全阀  燃气  STM32

中图分类号：TP302                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0070-03

Abstract： This paper presents the design and development of an integrated gas safety device for domestic use based on stm32f103rct6 single chip microcomputer. Realize the intelligent integration of domestic gas safety equipment， accurately detect the indoor abnormal gas concentration， flame intensity， gas pressure in the pipeline and other safety hazards such as suffocation caused by the lack of oxygen content in the bathroom， and judge the automatic closing valve， open the exhaust fan， and carry out sound light alarm， telephone message alarm and other safety operations through the main controller To effectively avoid gas poisoning， fire， explosion and suffocation caused by low oxygen content and other safety accidents， to ensure the safety of people's home use of gas.

Key Words： Internet of things; Integration; Safety valve; Gas; STM32

隨着我国燃气使用的普及，燃气作为一种较为清洁，经济的燃料被广泛使用，随之发生的安全事故也越来越多。具中国燃气行业门户网站博燃网2018年1月—2019年11月收录公布的国内燃气事故高达700多起，累计受伤人数高达1000余人，死亡人数140余人，其中居民用气事故发生率高达61.6%。

以上数据表明，家用燃气使用所发生的事故情况十分的严峻。家用燃气事故频发的主要原因在于阀门，管件老化导致燃气管道泄漏，燃气阀门破损，以及室内不通风，燃气燃烧不充分等问题。

1  系统原理及架构

本系统设计的燃气安全阀智能控制装置，能够准确地检测出室内不正常的燃气浓度，火焰强度，管道内的气体压强以及浴室的氧气含量等安全隐患，并通过主控制器判别自动关闭阀门，打开排气扇，并进行声光报警，电话短信报警等安全操作，有效避免较大的安全事故的发生。

系统以STM32F103RCT6为主控制器，采用DC_DC&LDC电源转换电路为系统各个模块提供低压稳定电流，使用MQ-9气体传感器，实时检测室内的燃气浓度，当室内燃气浓度达到预设阈值一时，由单片机发出控制指令，通过NRF2401无线模块驱动排气系统进行通风排气（当气体燃烧不充分时）;当燃气浓度到阈值二时，驱动声光报警器，通过NRF2401无线模块驱动电磁阀的关断，由SIM800C模块将燃气泄漏的情况发送至户主的手机（此时已确认气体泄漏）。在此同时，系统还搭载氧气传感器实时检测室内氧气浓度，当室内氧气浓度低于人体所需正常浓度值，驱动排气系统进行通风排气，可避免发生缺氧窒息等情况。火焰传感器监测室内燃气使用安全距离外是否有持久燃烧的明火以判断火灾发生，并将信息传递给控制器，进行报警，关断阀门等一系列措施。压力传感器实时监测燃气管道内气压是否正常，管道内气压情况将控制器下发命令给LED彩灯，红灯显示压强处于非正常状态，绿灯显示压强正常，已达到安全使用燃气，避免过压欠压导致的安全事故。

2  系统检测模块

氧气传感器内置高精度电化学传感器，通过专门的电路将气体浓度信号输出为数字信号。传感器内部带有高精度放大、去噪声处理、温度补偿处理，能够快速准确地输出可用氧气浓度信息。

MQ-9燃气检测传感器气敏材料为清洁空气中电导率较低的二氧化锡（Sn02）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测-氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5V加热）检测可燃气体甲烷、丙烷并清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号[1]。

火焰传感器该模块可以检测760nm～1100nm范围内的光源，进行实物测验后，调节灵敏度，可以准确地检测到系统规定范围内的明火。压力传感器可测试0kPa～20kPa的气压值，并输出一个呈线性关系的模拟电压，MCU的ADC口能够直接读取和判断，并通过AD换算，显示精确的气体压强。

3  功能、报警模块

功能、报警模块由无线模块驱动电磁阀，风扇部分;声光报警模块，SIM 电话短信报警模块组成。无线驱动模块通过装置与功能模块（电磁阀，排气扇）进行无线控制，电磁阀工作电路由NRF2401无线模块与NPN三极管等构成的组合电路单独驱动电磁阀;排气扇电路由，排气扇工作电路由NRF2401无线模块与UNL2003驱动器以及继电器构成的组合电路。实现控制器与电磁阀，排气扇之间的分离。避免各钟繁杂的线路对居家造成困扰。声光报警模块采用无源蜂鸣器以及高光LED彩灯组成，准确地显示出管道内起亚的变化以及燃气的泄漏的报警。电话短信报警模块通过SIM800C芯片结合当前先进的ESIM技术，将传统SIM卡直接嵌入到主设备芯片上，通过串口与中控制器通信，实现快速电话信息报警。

4  软件设计

系统设备接通电源后，单片机进行初始化复位，OLED显示屏初始化清屏后正常显示各传感器模块输送过来的数据。控制器将输送过来的数据进行对比，是否达到报警的阈值，如果达到，则向报警模块发送相应的报警信息，同时进行电磁阀的关断以及排气扇的开关。若没有达到报警阈值则继续循环检测。

5  结语

本设计使用keil5进行编程，并通过pcb仿真制板，通过焊接制作实物。多次重复调试，验证本设计的可行性。各种数据表明，本设计各功能部分均已达到并超过预期效果。且成本较低，智能简单，可以满足现在的居家燃气使用安全的需要。

参考文献

[1] 丁涛，胡佳慧.基于LINUX的远程实时监控系统设计与实现[J].工业仪表与自动化装置，2018（1）：5.

[2] 杨丽，冯娟，卢秀丽，等.基于物联网智能家居安全监控系统设计[J].现代电子技术，2019，42（8）：55-58.

[3] 范玉华，謝明.住宅厨房内可燃气体探测器设置问题分析[J].现代建筑电气，2019，10（10）：34-36.