新疆工程學(xué)院 柳雅琪

MQ-2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息。本文基于該傳感器的這種特性，設(shè)計出一種家用燃?xì)庑孤┳詣颖Ｗo系統(tǒng)，其可以實現(xiàn)發(fā)生燃?xì)庑孤┖?，指示燈閃爍、報警器發(fā)出蜂鳴聲進行提示，同時關(guān)閉燃?xì)忾y、打開窗戶，實現(xiàn)一系列保護措施。

1 總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用常見的AT89C51單片機，實現(xiàn)的主要功能是發(fā)生燃?xì)庑孤r，室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超過系統(tǒng)設(shè)定閾值，系統(tǒng)發(fā)出電信號來實現(xiàn)燃?xì)忾y門的閉合，同時打開窗戶、LED燈閃爍、蜂鳴器報警。閥門選用電磁自閉閥，它的特點是無電信號輸入時，閥門處于打開狀態(tài)，當(dāng)有電信號輸入時，閥門閉合，其原理圖如圖1所示。

圖1 燃?xì)庾詣颖Ｗo系統(tǒng)的原理圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：本系統(tǒng)的輸入裝置為探測器，將檢測到的燃?xì)鉂舛绒D(zhuǎn)化成電信號與系統(tǒng)設(shè)定閾值，如果高于設(shè)定值，系統(tǒng)做出相應(yīng)的措施，具體過程如圖2所示。

圖2 燃?xì)庾詣颖Ｗo系統(tǒng)的流程圖

2 硬件設(shè)計

2.1 自動關(guān)閉天然氣閥門裝置設(shè)計

其工作要求是，當(dāng)燃?xì)鉂舛日r，閉氣閥處于常開狀態(tài)，燃?xì)馔ㄟ^進氣口，經(jīng)過閥芯，到達出氣口，形成燃?xì)獾耐罚堰_到正常供給燃?xì)獾男Ч?；?dāng)燃?xì)鉂舛冗_到危險值時，控制系統(tǒng)會給電磁閥一個電信號，這個電信號推動活動鐵芯向上運動，帶動閥芯向上運動，閥芯和閥錐閉合，燃?xì)馔ǖ罃嚅_，實現(xiàn)自動關(guān)閉燃?xì)獾牟僮鳌?/p>

為了放大電磁鐵的吸力，設(shè)計引入四連桿機構(gòu)，如圖3。四連桿機構(gòu)受到的拉力F即為自由閥中彈簧的壓縮載荷，其計算公式如式(1)：

圖3 四連桿機構(gòu)

2.2 自動關(guān)閉窗戶裝置

（1）機構(gòu)設(shè)計

當(dāng)電磁鎖接收到控制系統(tǒng)給予的電信號后，通過電磁鎖打開窗戶插銷，導(dǎo)軌式窗戶在彈簧的帶動下，通過拉繩經(jīng)定滑輪向右運動，窗戶打開。這種設(shè)計方法由單根拉簧帶動，簡單可靠。

（2）電磁鎖設(shè)計

電磁鎖的設(shè)計思路為：當(dāng)窗戶關(guān)閉時，根據(jù)曲柄連桿機構(gòu)特點，A、B、C三點連成一條直線，該四桿機構(gòu)處于死點位置，出現(xiàn)“頂死”現(xiàn)象，使窗戶能夠有效地鎖緊。為了使四連桿機構(gòu)很容易達到死點位置，機構(gòu)增加了導(dǎo)槽。開窗時，為了消除死點位置，需要外力作用于B點，然后在副彈簧的作用下會容易打開。這就實現(xiàn)了窗戶的容易打開和關(guān)閉的功能。

作用于B點的外力通過電磁鐵實現(xiàn)。電磁鎖工作要求為：當(dāng)控制系統(tǒng)給電磁鐵電信號時，電磁鐵向上移動，作用于B點推動鉸鏈運動，這樣打破了原來窗戶死點位置，主拉簧帶動連架桿在導(dǎo)槽內(nèi)作圓周運動，連架桿帶動撥叉順時針移動，那么撥叉使倒桿右移，最終實現(xiàn)窗戶的鎖打開。窗戶鎖一旦打開，在窗戶下方主拉簧的作用下，窗戶向右移動，則窗戶自動打開，實現(xiàn)自動開窗通風(fēng)的功能。

電磁鎖的行程設(shè)計要求如圖4所示，H=E1-E2即為電磁鎖的行程。

圖4 電磁鎖行程位置

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 單片機復(fù)位電路設(shè)計

選用按鍵電平復(fù)位電路，通過復(fù)位端經(jīng)電阻與電源接通而實現(xiàn)。手動按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端RST上加入高電平。一般采用的辦法是在RST端和正電源Vcc之間接一個按鈕，當(dāng)人為按下按鈕時，則Vcc的+5V電平就會直接加到RST端。由于人的動作再快也會使按鈕保持接通達數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時間要求。

3.2 燃?xì)鈧鞲衅髟O(shè)計

當(dāng)傳感器MQ-2檢測到有燃?xì)鉄熿F時，會將煙霧信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過51單片機電路進行電位分析，判斷電位是否大于或等于臨界報警值。其主要機理是可燃?xì)怏w與傳感器表面發(fā)生反應(yīng)，引起SiO2電導(dǎo)率發(fā)生變化，電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，從而識別是否有燃?xì)獍l(fā)生泄漏，

具體過程如下：電路處于無煙霧的情況下，燃?xì)鈧鞲衅鱉Q-2極片間阻值較大，該電阻分壓較小，相應(yīng)單片機管腳處于低電平，LED指示燈和蜂鳴器不工作；當(dāng)有煙霧信號時，傳感器極間阻值降低，該電阻分壓上升，相應(yīng)單片機管腳處于高電平，驅(qū)動報警電路發(fā)出蜂鳴聲，直至煙霧消失后電路恢復(fù)正常。

MQ-2傳感器需要預(yù)熱后使用，加熱電壓為5±0.2V，與單片機工作電壓一致，其輸出為模擬信號，單片機只接收數(shù)字信號，因此需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。

3.3 指示燈裝置設(shè)計

有燃?xì)庑孤r，LED燈閃爍實現(xiàn)指示燈報警。本系統(tǒng)LED選用共陽極接法，P1.0口接入燃?xì)鈧鞲衅?，?dāng)傳感器檢測到燃?xì)鉂舛冗_到危險濃度時，就會產(chǎn)生電壓，該電壓為模擬信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片輸入單片機；P0口接位選端，低電平時選中所選的LED燈；P2口接段選信號，高電平驅(qū)動所選的段碼。要想LED燈8段全亮需要在位控口加74LS06反向驅(qū)動。反向驅(qū)動選取的原則是：保證其工作電壓、工作環(huán)境溫度和單片機相近，便于進行電源設(shè)計。

3.4 鳴笛報警電路設(shè)計

有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，蜂鳴器內(nèi)部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的直流電轉(zhuǎn)化成一定頻率的脈沖信號，從而產(chǎn)生磁場交變，帶動鉬片振動發(fā)音。本系統(tǒng)所采用的報警模塊為5V有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管驅(qū)動，只要單片機控制引腳為低電平，蜂鳴器就會鳴叫報警，反之則不鳴叫，可以通過控制單片機引腳方波輸出形式控制蜂鳴器的鳴叫方式。

總結(jié)：本文基于51單片機，選用MQ-2做為檢測器進行了家用燃?xì)庑孤┭b置設(shè)計。當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤舛冗_到系統(tǒng)設(shè)定閾值時，閉氣閥關(guān)閉切斷燃?xì)夤┙o，同時開窗降低燃?xì)鉂舛取?/p>