燃气泄漏自动保护系统

新疆工程学院 柳雅琪

MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感，具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息。本文基于该传感器的这种特性，设计出一种家用燃气泄漏自动保护系统，其可以实现发生燃气泄漏后，指示灯闪烁、报警器发出蜂鸣声进行提示，同时关闭燃气阀、打开窗户，实现一系列保护措施。

1 总体设计

本系统采用常见的AT89C51单片机，实现的主要功能是发生燃气泄漏时，室内可燃气体浓度超过系统设定阈值，系统发出电信号来实现燃气阀门的闭合，同时打开窗户、LED灯闪烁、蜂鸣器报警。阀门选用电磁自闭阀，它的特点是无电信号输入时，阀门处于打开状态，当有电信号输入时，阀门闭合，其原理图如图1所示。

图1 燃气自动保护系统的原理图

系统结构：本系统的输入装置为探测器，将检测到的燃气浓度转化成电信号与系统设定阈值，如果高于设定值，系统做出相应的措施，具体过程如图2所示。

图2 燃气自动保护系统的流程图

2 硬件设计

2.1 自动关闭天然气阀门装置设计

其工作要求是，当燃气浓度正常时，闭气阀处于常开状态，燃气通过进气口，经过阀芯，到达出气口，形成燃气的通路，已达到正常供给燃气的效果；当燃气浓度达到危险值时，控制系统会给电磁阀一个电信号，这个电信号推动活动铁芯向上运动，带动阀芯向上运动，阀芯和阀锥闭合，燃气通道断开，实现自动关闭燃气的操作。

为了放大电磁铁的吸力，设计引入四连杆机构，如图3。四连杆机构受到的拉力F即为自由阀中弹簧的压缩载荷，其计算公式如式(1)：

图3 四连杆机构

2.2 自动关闭窗户装置

（1）机构设计

当电磁锁接收到控制系统给予的电信号后，通过电磁锁打开窗户插销，导轨式窗户在弹簧的带动下，通过拉绳经定滑轮向右运动，窗户打开。这种设计方法由单根拉簧带动，简单可靠。

（2）电磁锁设计

电磁锁的设计思路为：当窗户关闭时，根据曲柄连杆机构特点，A、B、C三点连成一条直线，该四杆机构处于死点位置，出现“顶死”现象，使窗户能够有效地锁紧。为了使四连杆机构很容易达到死点位置，机构增加了导槽。开窗时，为了消除死点位置，需要外力作用于B点，然后在副弹簧的作用下会容易打开。这就实现了窗户的容易打开和关闭的功能。

作用于B点的外力通过电磁铁实现。电磁锁工作要求为：当控制系统给电磁铁电信号时，电磁铁向上移动，作用于B点推动铰链运动，这样打破了原来窗户死点位置，主拉簧带动连架杆在导槽内作圆周运动，连架杆带动拨叉顺时针移动，那么拨叉使倒杆右移，最终实现窗户的锁打开。窗户锁一旦打开，在窗户下方主拉簧的作用下，窗户向右移动，则窗户自动打开，实现自动开窗通风的功能。

电磁锁的行程设计要求如图4所示，H=E1-E2即为电磁锁的行程。

图4 电磁锁行程位置

3 控制系统设计

3.1 单片机复位电路设计

选用按键电平复位电路，通过复位端经电阻与电源接通而实现。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮，当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。

3.2 燃气传感器设计

当传感器MQ-2检测到有燃气烟雾时，会将烟雾信号转换成电信号，经过51单片机电路进行电位分析，判断电位是否大于或等于临界报警值。其主要机理是可燃气体与传感器表面发生反应，引起SiO2电导率发生变化，电导率随空气中可燃气体浓度的增大而增大，从而识别是否有燃气发生泄漏，

具体过程如下：电路处于无烟雾的情况下，燃气传感器MQ-2极片间阻值较大，该电阻分压较小，相应单片机管脚处于低电平，LED指示灯和蜂鸣器不工作；当有烟雾信号时，传感器极间阻值降低，该电阻分压上升，相应单片机管脚处于高电平，驱动报警电路发出蜂鸣声，直至烟雾消失后电路恢复正常。

MQ-2传感器需要预热后使用，加热电压为5±0.2V，与单片机工作电压一致，其输出为模拟信号，单片机只接收数字信号，因此需要数模转换器进行转换。

3.3 指示灯装置设计

有燃气泄漏时，LED灯闪烁实现指示灯报警。本系统LED选用共阳极接法，P1.0口接入燃气传感器，当传感器检测到燃气浓度达到危险浓度时，就会产生电压，该电压为模拟信号，通过模数转化芯片输入单片机；P0口接位选端，低电平时选中所选的LED灯；P2口接段选信号，高电平驱动所选的段码。要想LED灯8段全亮需要在位控口加74LS06反向驱动。反向驱动选取的原则是：保证其工作电压、工作环境温度和单片机相近，便于进行电源设计。

3.4 鸣笛报警电路设计

有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从而产生磁场交变，带动钼片振动发音。本系统所采用的报警模块为5V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管驱动，只要单片机控制引脚为低电平，蜂鸣器就会鸣叫报警，反之则不鸣叫，可以通过控制单片机引脚方波输出形式控制蜂鸣器的鸣叫方式。

总结：本文基于51单片机，选用MQ-2做为检测器进行了家用燃气泄漏装置设计。当发生燃气泄漏浓度达到系统设定阈值时，闭气阀关闭切断燃气供给，同时开窗降低燃气浓度。