一种地震燃气自动关闭装置的设计*

徐世涛，刘廷平，周亚文，康 鹏，左安友

(湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000)

现今城市燃气工程已经普及，且城市燃气普及率逐年提高：燃气的广泛应用给人们的生产生活带来了极大方便，然而当今世界灾害性地震频发，当地震致使管道破裂时，其后果将不堪设想．

以东京发生7．9级大地震为例，根据预测，特别区内将发生580起火灾，其中因炉具起火的次数达到417次，占到了起火总次数的72%，燃气泄漏当是罪魁祸首．

如能在管道未遭破坏之前就自动关闭管道阀门，则灾害是可避免的．当前许多国家都开展了管道的监测和自动控制，美国已在地震多发区安装了地震自动关闭阀门．目前，大部分的地震燃气自动关闭装置属纯机械化设计，存在须定期洗油保养，日久必须加油润滑以降低零部件磨损，易被腐蚀，燃气管道是否关闭不易辨别，误差大等缺点，导致准确性不高，可靠使用寿命短;且管道的安全控制多使用电磁阀，在强地震时，一般电网瘫痪，无法进行控制;若引进国外的地震阀门，价格不菲，不易普及．

为此，开发了一种机电一体化的地震燃气自动关闭装置，该装置具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点．利用传感器快速、稳定、准确判断破坏性地震，及时关闭燃气管道以减少震后次生灾害．

1 系统简介

1．1 简介

本系统为一种机电一体化的地震燃气自动关闭装置，由控制系统、电磁阀和电源系统组成．该装置不仅可以快速有效感知破坏性地震信号，及时关闭燃气管道，而且地震信号处理程序简单且易于调整，复位操控快速简洁，阀门开关状态指示明确，可靠使用寿命长，无需定期维护便能稳定工作．

1．2 原理

图1 系统原理框图

如图1所示的系统原理框图中，(1)传感器、(2)模数转换芯片、(3)单片机、(4)继电器顺序电连接构成控制系统I，通过控制电磁阀II来控制燃气管道的通断;(7)充电器输入接220V市电，12V输出端与(6)电源模块和(8)蓄电池相互连接构成电源系统III，从而保证断电后系统仍能正常工作．传感器、模数转换芯片、单片机共同接电源系统的5V输出端，充电器、继电器、12V电磁阀顺序接入继电器输出回路，系统工作指示灯则指示系统工作状态．

系统工作时传感器感知地震的发生，随着振动强度的变化，传感器改变输出模拟电压，模拟电压经模数转换芯片转换成数字信号后又为单片机所处理，当地震振动达到设定烈度时，单片机控制继电器关闭常开电磁阀，同时燃气管道状态指示灯亮(示关闭)．震后，只需按下系统复位按键即可重新打开燃气管道．

3 系统硬件设计

3．1 电源系统的设计

本系统由充电器、铅蓄电池、普通电源模块构成，利用铅蓄电池充电原理——电池和充电器同级相联，充电电压必须高于电池的总电动势——可将电源系统设计成图2的形式．

图2 电源系统设计

如图2所示，蓄电池正负极分别联结充电器输出端、电源模块的正负极，同时蓄电池负极还与电磁阀负极相连，正极与继电器一控制端联结．电源模块完成12V到5V电压转换，并直接为控制系统供电;充电器输入为220V市电，12V输出端联结蓄电池．这样就能保证市电接通时充电器给蓄电池充电直至电池饱和(两者电动势相等时)，断电后蓄电池又能保证系统继续正常工作．

3．2 控制系统的设计

如图3控制系统由采样电路、单片机最小系统、执行电路和接口电路组成．接口电路接入电源系统为控制系统供电，D2指示灯指示系统是否已通电工作，采样电路实时采集振动数据并送模数转换芯片转换，单片机根据采样送回的数据判断是否有破坏性地震发生，若有则会控制执行电路断开电磁阀，同时D2指示灯亮(示阀门关闭)．

图3 控制系统的设计

3．2．1 采样电路

此部分由MMA7260QT加速度传感器、TLV1544模数转换芯片构成，完成地震信息的采集．

(1)MMA7260QT是飞思卡尔半导体率先推出的业界第一款基于微机电系统(MEMS)的三轴高灵敏度加速度传感器，它根据物件运动和方向改变输出信号的电压值．各轴的信号在不运动或不被重力作用的状态下，其输出为1．65V，如果沿着某一个方向活动，或者受到重力作用，输出电压就会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变其输出电压，与A/D转换器配合使用单片机能读取此输出信号，就可以检测其运动和方向．同时通过编程可实现1．5 g、2 g、4 g和6 g四种模式的选择，不同应用的建议重力加速度级别不同，0．002～2g则较适合地应用于地震检波器和地震开关．

如图4为芯片的引脚图：

图4 MMA7260QT芯片引脚图

1)g－Select1和g－Select2为传感器灵敏度选择引脚，其输入电平有四种组合(00，01，10，11)分别对应于 1．5g，2g，4g，6g模式，这两个引脚直接接单片机的I/O端口，本系统通过编程设定为2g模式用于地震检测;

2)VDD和VSS分别接5V和地;

3)Sleep Mode为传感器休眠与否选择端，可直接与单片机接口，接低电平时芯片处于休眠模式，在本系统的应用中不需要应用休眠模式，就直接接高电平，因为在地震的监测过程中必须要求芯片时刻处于正常工作状态;

4)Xout，Yout，Zout分别为 X，Y，Z 轴方向电压输出，接AD转换器上三个模拟输入端口，这三个引脚输出的是随振动烈度变化的模拟信号，通过AD转换后便可获得单片机能够直接处理的数字信号;

(2)TLV1544是德州仪器公司(TI)的10位开关电容逐次逼近模数转换器．每个芯片有一个芯片选择端(CS)、输入输出时钟端(I/O CLK)、串行数据输入(DATA IN)和输出端(DATA OUT)，四个模拟输入通．在A/D转换结束时，EOC引脚的输出变为高电平，用于指示电平转换已经完成，微处理器可从串行数据输出端读出数据．

如图5为芯片的引脚图：

图5 TLV1544芯片引脚图

本系统中该芯片与微处理器串行接口，INV CLK接高电平，当主机把CS拉低(有效)时，数据输入、输出和I/O时钟有效．然后主机提供4位模拟通道的选通地址编码(0000，0010，0100，0110 分别对应于选通 A0、A1、A2、A3 模拟输入通道)［4］，在I/O时钟的前4个上升沿将4位地址选通编码送入芯片内部的寄存器．接下来的6个时钟周期提供模拟输入采样控制时序，模拟输入采样结束后，在第10个I/O时钟上升沿开始数据转换，转换结束后EOC输出转换结束信号(高电平)．接下来在新的读写周期内可进行下一次的采样，同时微处理器也可从串行输出端口读出数据．如图6为TLV1544的时序图．

图6 TLV1544芯片时序图

2．2．2 单片机最小系统

此部分由STC89C52单片机、晶振、复位电路以及状态指示灯等构成，用作系统的控制核心．

如图3中，本系统采用经典的51单片机最小系统，主控芯片STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案;复位按键KEY2用以应对在恶劣的环境下可能出现程序“跑飞”的情况，按动KEY2便可实现单片机的复位操作，使程序从头开始执行，同时当地震已经发生导致电磁阀关闭后，按动KEY2便可实现阀门的重新打开，实现简单快捷的系统功能复位和重启;LED发光二极管D2指示控制系统(单片机)正常工作．

2．2．3 执行电路

此部分由JQC－3F 05VDC－1ZS固体继电器、三极管和状态指示灯构成，用以实现对电磁阀的直接控制．

固态继电器(Solid State Relay，缩写SSR)，是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关．用隔离器件实现了控制端与负载端的隔离，固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载．它具有高寿命、高灵敏度、控制功率小，电磁兼容性好、快速转换、电磁干扰小等众多优点．

“要改变自己的命运就要有不服输的精神，敢闯敢拼才会赢”。2010年，团场出台了一系列优惠政策，鼓励职工发展自营养殖，他辞职下海当年养鸡12000只，成活率达到90%以上，种植的100亩棉花单产走在全团前列，当年实现纯收入49万元。他在团部购买了楼房，买了台754播种机，为了儿子上学方便，买了小汽车。当年机车仅拉棉花和打杆两项，实现纯收入7.7万元，种植棉花和养殖鸡纯收入达35万元。

如图3中，继电器控制输入端接单片机I/O口，控制端接12V电源和电磁阀，当单片机输出高电平时，继电器内部开关连通12V电源和电磁阀，此时电磁阀通电，阀门关闭;同时LED发光二极管D1亮，指示继电器已经通电，阀门已经关闭．从而实现了单片机对电磁阀的实际性控制，以及阀门的通断情况的明确指示．

2．2．4 接口电路

此部分由接插件构成，用于连接电源系统为系统供电．由于使用接插件，在实际应用中显得非常灵活．

2．3 阀门的选用

电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数．电磁阀用电磁的效应进行控制，主要的控制方式是继电器控制．这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证．使用电磁阀主要有以下一些优势：(1)外漏堵绝，内漏易控，使用安全;(2)系统简单，便接控制系统，价格低谦;(3)动作快递，功率微小，外形轻巧．

鉴于以上众多优点，本系统选用电磁阀，当单片机使继电器控制输入端为高电平时，即连通了电磁阀和12V电源，电磁阀切断燃气管道;反之，电磁阀不工作而处于常开状态．

3 系统软件设计

本系统的软件设计比较简单，在程序开头初始化后，整个程序也即对TLV1544芯片的读写操作及对继电器的控制，运用keil uvision4软件编写单片机C程序，然后汇编链接生成单片机能够使用的hex文件，调试通过后即可下载到单片机片内ROM中．

主程序流程图如图7所示，系统初始化包括设定地震阈值、初始化加速度传感器，加速度传感器初始化即将其工作模式设置为2g模式．地震信号采样子程序即对TLV1544芯片的读写操作，图6为TLV1544与微处理器接口时的时序图，据此编写TLV1544芯片的读写程序．

本系统程序代码如下：

图7 主程序流程图

4 结论

从整个系统的结构和功能设计而言，该装置具有操作简捷，阀门开关状态指示明确，无需长期维护便能快速稳定工作，可靠使用寿命长，价格低且量产周期短等优点，因而有很大的市场推广前景．

［1］陈宏德，张宝红．日本的地震火灾对策［J］．国际地震动态，1994，(10)：22 ～25．

［2］杨学山，刘华泰，杨立志．一种自动地震煤气关闭阀门的设计［J］．灾害学，2009，24(3)：121～123

［3］骆开庆，肖化．A/D转换芯片 TLV1544及其与 DSPTMS320VC5402 的接口设计［J］．现代电子技术，2003，24(167)：7～9．