一种家用天然气阀门状态监测装置的设计

钟志峰

（深圳中电港技术股份有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

随着人们生活水平的提高，天然气已经是人们生活中不可缺少的组成部分。虽然天然气不像一氧化碳那样具有毒性，它本质上对人体是无害的，但如果当天然气处于高浓度的状态使空气中的氧气不足以维持生命的话还是会导致人类死亡的。同时，在密闭环境中天然气达到一定比例时也会触发威力巨大的爆炸。因此，安全地使用天然气、防止天然气泄漏还是十分必要的。

纵观很多天然气安全事故，都是因为在使用完毕后没有及时关闭天然气阀门导致的。虽然现在市面上有很多产品可以对天然气进行报警，但它们都是对天然气泄漏进行检测，当室内的天然气浓度达到一定程度才会触发报警，而此时就已经有了发生危险的可能性。因此有必要设计一种能够对天然气阀门状态进行监测的装置来提醒用户在天然气使用完毕后及时关闭阀门。

此款家用天然气阀门监测装置采用微控制器作为整个装置的控制核心，安装在现有家用燃气灶的外围，不需要修改现有的管道结构，不需要对现有燃气灶进行任何改造，甚至不需要增加额外的供电线路，就可以对天然气表后阀的状态进行实时监测，并通过声音、指示灯等方式提醒用户及时关闭天然气阀门[1]。

1 硬件电路设计

整个硬件框图和关键器件原理图分别如图1和图2所示，主要由控制模块、电源模块、报警模块和采集模块组成。控制模块为本装置的控制核心，内部除了微控制器，还集成有FLASH、ADC、UART、GPIO等常用资源，它负责控制装置的各个模块，将事先编写好的程序烧录到控制模块的FLASH中，然后监测装置就能正常调度所有周边模块。电源模块由电池和充电管理IC组成，主要负责给监测装置各个模块提供3.7V左右的工作电源。报警模块由发光二极管和蜂鸣器组成，发光二极管完成工作状态、充电、天然气阀门状态等指示工作，蜂鸣器用于给用户发出报警提示音。采集模块分为激光发射器和光敏电阻，通过特定的光学结构将激光发射器发出的激光反射回光敏电阻，从而实现对天然气阀门状态的监测。

图1 硬件框图

图2 关键器件原理图

1.1 控制模块

控制模块的核心采用的是华大的微控制器HC32L110C4PA，它 是 基 于ARM® Cortex®-M0+内 核 的32位CPU平台，拥有16K字节FLASH存储器和2K字节RAM，内部高速时钟最高可支持到24MHz，且精度能够满足UART通信的要求，因此设计上就不需要采用外部晶体了。其工作电压范围为1.8～5.5V，可以直接将锂电池接到这颗微控制器上，省去LDO等器件。HC32L110C4PA内置12位1Msps采样率的高精度ADC，可以测量微弱信号，同时也可以直接测量VCC的电压，所以电池电压检测功能也可以通过HC32L110C4PA内部的资源来完成。

1.2 电源模块

电源模块是本系统的能量来源，本方案中采用了一块3.7伏特、500毫安时的锂电池，锂电池直接给各个模块供电，供电电压会随着电池电压的变化而变化。

充电IC采用的是SGM4056，它是由圣邦微电子出品的锂电池充电管理IC，该芯片操作方便，不需要用复杂的通信去配置。当芯片的VIN引脚有5V输入时，/PPR引脚会输出低电平，此时就可以通知MCU，USB充电线已经插入；在充电过程中，/CGH会输出低电平，此时MCU可以检测到充电正在进行；当充电电流小于预设的充电截止电流时，SGM4056的/CHG引脚会输出高阻态，从而通知MCU充电已经完成；SGM4056的/EN引脚为充电控制引脚，当MCU给/EN低电平的时候开启充电，反之亦然。

充电电流由芯片引脚IREF上的电阻决定，根据芯片厂商提供的计算公式：

将所需要的充电电流500mA代入到公式的IREF中，可以计算得到RIREF的值约为24kΩ。

同样道理，芯片的充电截止电流可以参考下面的计算公式：

本装置所需要的截止电流为40mA，将其代入到公式的IMIN中，就能计算得到RIMIN约为249kΩ。

1.3 采集模块

采集模块分为激光发射器和光敏电阻两部分。激光发射器的主要任务是定时发射一束激光，通过一定的物理传播后激光会射到光敏电阻上，从而实现对天然气阀门状态的监测。

激光发射器采用的是5V器件，由于锂电池的电压并没有这么高，所以在激光发射器的电源位置增加了一颗DCDC，型号为SGM6603-5.0，它能将锂电池的电压升压到5V，通过控制芯片的EN引脚可以轻松实现5V电压的通断。

光敏电阻与MCU的ADC相连，同时用一颗1kΩ的标准电阻作为参考，MCU的ADC对光敏电阻的电压进行采样，就可以计算得到光敏电阻的阻值，从而判断激光是否有照射到光敏电阻。

1.4 报警模块

报警模块由发光二极管和蜂鸣器组成，主要作用是给用户提供监测装置当前的状态信息，硬件上发光二极管和蜂鸣器直接与MCU的PIO相连，通过逻辑电平可以方便地控制发光二极管和蜂鸣器。报警模块的发光二极管实现的功能有工作状态指示、天然气阀门状态指示、充电状态指示以及电池电量低指示等；蜂鸣器实现的功能有开机提示、天然气阀门打开提醒和电池电量低提示等。

2 软件设计

软件的主要任务是定时对天然气阀门的状态进行监测，并提醒用户及时关闭天然气阀门。除了上述的主要任务之外，还有电池状态监测、电池充电管理、测试模式、低功耗状态等辅助功能。

2.1 天然气阀门状态监测方法

监测系统主要由激光发射器、反射棱镜和光敏电阻三部分组成。在正常工作情况下，激光发射器每20秒会开启一次，在没有遮挡的情况下，激光在两块直角三棱镜的反射下会180度返回到监测装置的光敏电阻。为了能让光敏电阻有足够的响应时间，在激光开启30ms后，MCU才会开启ADC对光敏电阻进行采样。

由于安装条件的不同工作模式分为两种。模式一，天然气阀门在开启状态下会遮挡激光的传输，此时检测不到激光照射到光敏电阻则表示天然气阀门被打开；模式二，天然气阀门在关闭状态下会遮挡激光的传输，此时光敏电阻检测到激光照射则表示天然气阀门被打开。两种方式只是逻辑的反向，只需要在判断的时候稍作区别，其余软件逻辑不受影响。

2.2 电池状态检测

在正常工作状态下，每30s会开启MCU的ADC来读取一次VCC的电压，因为芯片的VCC是直接与电池相连的，所以这个电压也就是电池的电压了。当电池电压低于3.4V的时候，系统会发出三下连续的提示音，同时三颗发光二极管也会闪烁，以便提醒用户及时充电。当电池电压低于3.2V的时候，系统不会再开启激光发射器和ADC，而会立即进入低功耗状态以防止电池完全耗尽。

2.3 电池充电管理

由于采用了充电芯片SGM4056，通过硬件上设定恒流充电电流和充电截止电流后，芯片就可以自动对锂电池进行充电管理了。在软件上所需要做的工作就是实时读取/PPR引脚的状态，如果读取到低电平，则表示充电线已经插入，此时MCU只需要通过控制/EN引脚开启芯片的充电功能并点亮充电LED即可。然后再实时读取/CHG引脚状态，一旦充电完成就可以读取到该引脚为高阻态。同时MCU也需要监测/PPR状态，如果监测到充电线被拔出，则需要停止充电并关闭LED充电指示。

2.4 测试模式

设置该模式的目的有：方便装置的安装、对芯片进行升级以及对装置的工作模式进行设定。

由于安装过程中需要对准激光发射器、直角棱镜和光敏电阻三者的位置，而在正常模式下激光发射器多数时间处于关闭状态，根本无法正常安装，所以在测试模式下设置为激光和光敏电阻处于常开状态，这样就方便安装。

此外在测试模式下，可以通过UART口进行程序的升级操作，也可以通过按键设定芯片的工作模式。由于测试模式的功耗比较大，为了保证电池的使用时长，测试模式设置了最大时间为30分钟，超时则自动进入正常工作模式。

2.5 低功耗状态

由于监测装置只采用了一块500毫安时的锂电池，如果让整个系统处于全速运行状态下的话，电池的工作寿命只有几十个小时，所以大多数时间必须处于低功耗状态。程序采用任务调度的方式进行设计，低功耗的总体思想是当所有的任务执行完毕后，MCU会关闭所有的外设然后进入低功耗状态，同时开启低功耗定时器，每2s醒来检查是否有新的任务。下面我们计算一下每24小时所消耗的电量。

MCU在开启低功耗定时器情况下的电流为0.8μA，因此每24小时的耗电量为0.8μA×24小时 = 0.0192mAh。

激光发射器点亮时电流为36mA，每20s点亮一次，每次持续时间为30ms，所以每24小时的耗电量为36mA×（30ms / 20s）×24小时=1.296mAh。

三颗LED有两颗是处于长时间闪烁状态的，每2s闪烁一下，每次持续10ms，每颗LED限定的工作电流为500μA，所以LED每24小时的耗电量为500μA×（10ms / 2s）×24小时×2=0.12mAh。

蜂鸣器的工作电流为19mA，工作的时候蜂鸣器每10s响一下，每次持续100ms，假设平均每天的报警时间为1小时，则可以计算得到每24小时的耗电量为19mA×（100ms / 10s）×1小时=0.19mAh。

因此我们可以计算出500mAh的电池理论上可以工作的天数为500 /（0.0192 + 1.296 + 0.12 + 0.19） = 307.65天，即便电池不能完全释放出500mAh的电量，充满电后连续工作两百多天也是没问题的[2]。

3 设备的安装

该天然气阀门状态监测装置可以安装在现有的天然气阀门旁边，根据天然气管道布置方向的不同，可以选择不同的工作模式。

如图3所示为工作模式一的情况，装置安装在天然气阀门旁边的墙上，激光发射头需要对准天然气表的表后阀位置，在激光发射头和表后阀延长线的另一边墙上安装两个相互垂直的直角棱镜，当表后阀处于关闭状态时，激光能到达棱镜并反射回监测装置，微控制器就能读取到光敏电阻的阻值变化；当表后阀打开时，从激光发射器发射的激光会被挡住，从而无法照射到光敏电阻，监测装置就能检测到天然气阀被打开了。

图3 安装示意图

在其他的场合，可能天然气管道布置方向会不同，检测和安装的逻辑刚好相反，即当天然气表后阀关闭的时候会挡住激光，而当表后阀打开的时候激光会照射到光敏电阻，此时就适用于工作模式二。

4 结束语

这种采用激光方式监测天然气阀门状态的装置，能够十分方便地安装在现有家用天然气系统上，且不需要做任何管道的改动，免去了燃气设备需要专业人士才能安装的尴尬。由于采用的是锂电池供电的方式，因此不需要安装额外的电源线，真正做到了独立工作。且激光是非接触式的，因此该装置不会对现有燃气装置的使用造成任何的影响。在实际测试过程中，该装置的监测效果也是挺不错的，充一次电能正常工作数月，如果能采用容量更大的电池，单次充电的工作时间还能大大延长。因此，在安全意识越来越强的今天，这种天然气阀门监测装置一定会被越来越多的人接受，具有一定的应用前景。