天然气预防报警装置的开发设计

摘 要：本系统以单片机MSP430为主控芯片，利用相关的传感技术和通信技术，对采集的多个数据进行处理，该系统不仅能够智能化地处理各种天然气泄漏的危难情况，提前将灾难扼杀在摇篮里，而且还能及时将信息采集情况发送到客户端，使用户能够了解企业或者家里的天然气安全情况，实时地注意到天然气是否泄漏以确保财产和人生的安全。

关键词：单片机；传感技术；通信技术；智能化

1 作品介绍

1.1 作品背景

伴随着国民经济的发展，人民的生活水平不断提高，人们对能源的获取也不断加大，天然气已经成为目前最主要的能源。虽然天然气极大地提高了人们的生活质量，但是与之而来的危害也逐渐体现出来，近年来天然气泄漏引发的事故也是耳濡目染。

天然气泄漏时看不见泄漏的症状，听不见泄漏的声音，唯有嗅觉可以嗅到由燃气公司添加的臭味剂四氢噻酚。将天然气吸入人体中，轻则人体会感到头晕，恶心；重则休克，死亡。天然气泄漏不仅危害财产安全，更危机人生安全。故而开发一套天然气泄漏预防报警装置是很有必要的。

1.2 创作目的

（1）提高防范措施能力，确保人生及财产安全，避免不必要的损失。痛过MQ-4传感器和MQ-5和TGS2611传感器检测天然气浓度，并与设置的报警值进行比较，如果天然气泄漏浓度达到设置的报警值，则装置会发出警报，并启动天然气控制阀关闭天然气阀门，确保从源头解决天然气泄漏问题。

（2）提高装置自身的智能控制能力，天然气泄漏预防报警装置将根据实际浓度情况将天然气阀门关闭，尽最大努力起到预防燃气泄漏的作用。

（3）若燃气泄漏后，如果天然气阀门关闭后室内浓度仍然在升高，或者天然气阀门没有按照正常程序执行关闭指令，控制器将会启动电机开启窗户并且开启水流流动装置，让水流带动天然气流动，使空气中的天然气浓度降低到爆炸临界点以下。

（4）本装置采用复合式处理方式，多数据采集与整理，多种预防措施解决天然气泄漏的不良后果。在感知层，通过多个传感器和不同的传感器检测天然气的泄漏；在应用层，通过关闭天然气阀门，打开窗户对室内加大通风以降低天然气的浓度，以及通过水流流动装置不仅可以带动天然气流出室内，并且也可以为火灾起到预防的作用。

2 作品方案

由于该装置主要用于家庭燃气泄漏的预防与报警，考虑到家庭厨房一般都装有窗户，因此当装置检测到天然气泄漏的同时，不仅要考虑到关闭燃气阀，而且如果燃气阀关闭以后，天然气仍然在泄漏，厨房窗户会自动打开，通过通风来降低室内天然气的浓度，还会通过GSM模块发信息给用户。系统结构如图1所示，该装置分为以下几部分。

3 系统硬件设计

3.1 系统处理器

控制芯片：由于装置整体结构复杂以及整个装置的控制需求，我们采用低功耗的MSP430单片机，此单片机不但可以降低系统功耗，而且还可以节能，同时此单片机内部资源丰富，处理速度快，能够提供多路的PWM控制信号。

3.2 燃气检测模块

由于天然气属于混合物，里面混合着多种气体，因此该装置采用多个燃气检测传感器进行燃气泄漏检测，以最大限度的采集天然气泄漏状况，确保采集的信息完善，通过多个传感器采集的信息加以数据分析，确定天然气是否泄漏以及泄漏程度，根据燃气泄漏的不同程度，该装置将会采取不同的措施来确保燃气泄漏的预防和报警。

3.3 系统输出控制模块

考虑到市场上已有的天然气泄漏预防报警装置琳琅满目，但都结构单一，不够完善，不能起到有效的预防燃气泄漏和燃气泄漏以后的报警及处理措施。根据天然气的化学性质，通过燃气检测模块的检测，当检测到室内天然气浓度高于正常的日用值时，该装置会自动启动燃气阀，将燃气阀关闭。

如果关闭了燃气阀发现室内的天然气浓度仍然没有减少，该装置将会启动GSM模块，发送警报信息给用户，用户收到信息后，启动相应的APP，远程控制该装置，使装置打开将窗户以降低室内天然气的浓度，但由于天然气浓度过高，不能开启电源，该装置窗户的电源将会设置在室外，以免启动电机时发生火灾，确保人生财产安全。

鉴于天然气主要成分是甲烷，不溶于水，同时考虑到燃气泄漏的时候不能启动风扇通风来降低天然气浓度，故而該装置在设计的时候，采用水流带动气流的思想，将浓度过高的天然气带出室内。

3.4 “GSM”通讯模块

鉴于及其可能会发生故障，以及为了进一步的确保天然气泄漏带来的安全隐患，燃气在泄漏后，该装置会通过GSM模块将报警信息发送给用户端，用户端接受到消息，可以打开基于安卓平台的应用APP，通过启动APP给装置GSM模块发送指令将燃气阀门关闭。

3.5 电源供给模块

系统会用到3种规格的电源，即，220V交流电、12V直流电、5V直流电。系统接入的电源为220V民用交流电，根据不同模块的需要，需要将220V电源首先通过降压整流模块变为为12V直流电源，再将12V直流电通过变压模块降压为5V电压。设计中，我们用“歌龙”电源转换器将220V交流转12V直流，此电源转换器能承受60A的负载电流，完全适合整个系统的电源供给。12V转5V用的是LM2596芯片，最大输出电流为3A。220V电源用于给整个系统供电；12V电源主要用在电机驱动、水流传动装置；5V电源主要用于单片机、各传感器模块、“GSM”通讯模块等。电源供给模块如图2所示。

4 系统软件设计

该装置除了具有自动控制功能以外，还为了确保装置的稳定性，该装置还具有人工操作的功能。

4.1 自动控制

系统初始化，天然气泄漏检测装置传感器开始进行天然气浓度检测，根据天然气浓度的实际情况，单片机做出相应的动作，当天然气浓度高于设置的报警值时，单片机会对天然气阀门进行控制，如果天然气浓度仍然高于报警值，则开启窗户或者启动水流装置，以带动天然气流出室内，降低室内天然气浓度。

4.2 人工操作

天然气泄漏后，如果得到了及时的解决，那么装置将不会发信息给用户。如果天然气泄漏后浓度没有及时降下来，那么我们将通过GSM模块给用户发送警告消息，这样用户可以通过APP来启动窗户和流水装置，来降低浓度。

参考文献

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作者简介：张锐（1993-），男，重庆市万州区人，工作单位：重庆科技学院，职务：学生，研究方向：计算机。