鐘志峰

（深圳中電港技術(shù)股份有限公司，浙江杭州，310051）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，天然氣已經(jīng)是人們生活中不可缺少的組成部分。雖然天然氣不像一氧化碳那樣具有毒性，它本質(zhì)上對(duì)人體是無(wú)害的，但如果當(dāng)天然氣處于高濃度的狀態(tài)使空氣中的氧氣不足以維持生命的話(huà)還是會(huì)導(dǎo)致人類(lèi)死亡的。同時(shí)，在密閉環(huán)境中天然氣達(dá)到一定比例時(shí)也會(huì)觸發(fā)威力巨大的爆炸。因此，安全地使用天然氣、防止天然氣泄漏還是十分必要的。

縱觀很多天然氣安全事故，都是因?yàn)樵谑褂猛戤吅鬀](méi)有及時(shí)關(guān)閉天然氣閥門(mén)導(dǎo)致的。雖然現(xiàn)在市面上有很多產(chǎn)品可以對(duì)天然氣進(jìn)行報(bào)警，但它們都是對(duì)天然氣泄漏進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)室內(nèi)的天然氣濃度達(dá)到一定程度才會(huì)觸發(fā)報(bào)警，而此時(shí)就已經(jīng)有了發(fā)生危險(xiǎn)的可能性。因此有必要設(shè)計(jì)一種能夠?qū)μ烊粴忾y門(mén)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的裝置來(lái)提醒用戶(hù)在天然氣使用完畢后及時(shí)關(guān)閉閥門(mén)。

此款家用天然氣閥門(mén)監(jiān)測(cè)裝置采用微控制器作為整個(gè)裝置的控制核心，安裝在現(xiàn)有家用燃?xì)庠畹耐鈬?，不需要修改現(xiàn)有的管道結(jié)構(gòu)，不需要對(duì)現(xiàn)有燃?xì)庠钸M(jìn)行任何改造，甚至不需要增加額外的供電線(xiàn)路，就可以對(duì)天然氣表后閥的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)聲音、指示燈等方式提醒用戶(hù)及時(shí)關(guān)閉天然氣閥門(mén)[1]。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件框圖和關(guān)鍵器件原理圖分別如圖1和圖2所示，主要由控制模塊、電源模塊、報(bào)警模塊和采集模塊組成?？刂颇K為本裝置的控制核心，內(nèi)部除了微控制器，還集成有FLASH、ADC、UART、GPIO等常用資源，它負(fù)責(zé)控制裝置的各個(gè)模塊，將事先編寫(xiě)好的程序燒錄到控制模塊的FLASH中，然后監(jiān)測(cè)裝置就能正常調(diào)度所有周邊模塊。電源模塊由電池和充電管理IC組成，主要負(fù)責(zé)給監(jiān)測(cè)裝置各個(gè)模塊提供3.7V左右的工作電源。報(bào)警模塊由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，發(fā)光二極管完成工作狀態(tài)、充電、天然氣閥門(mén)狀態(tài)等指示工作，蜂鳴器用于給用戶(hù)發(fā)出報(bào)警提示音。采集模塊分為激光發(fā)射器和光敏電阻，通過(guò)特定的光學(xué)結(jié)構(gòu)將激光發(fā)射器發(fā)出的激光反射回光敏電阻，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣閥門(mén)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

圖1 硬件框圖

圖2 關(guān)鍵器件原理圖

1.1 控制模塊

控制模塊的核心采用的是華大的微控制器HC32L110C4PA，它 是 基 于ARM? Cortex?-M0+內(nèi) 核 的32位CPU平臺(tái)，擁有16K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器和2K字節(jié)RAM，內(nèi)部高速時(shí)鐘最高可支持到24MHz，且精度能夠滿(mǎn)足UART通信的要求，因此設(shè)計(jì)上就不需要采用外部晶體了。其工作電壓范圍為1.8～5.5V，可以直接將鋰電池接到這顆微控制器上，省去LDO等器件。HC32L110C4PA內(nèi)置12位1Msps采樣率的高精度ADC，可以測(cè)量微弱信號(hào)，同時(shí)也可以直接測(cè)量VCC的電壓，所以電池電壓檢測(cè)功能也可以通過(guò)HC32L110C4PA內(nèi)部的資源來(lái)完成。

1.2 電源模塊

電源模塊是本系統(tǒng)的能量來(lái)源，本方案中采用了一塊3.7伏特、500毫安時(shí)的鋰電池，鋰電池直接給各個(gè)模塊供電，供電電壓會(huì)隨著電池電壓的變化而變化。

充電IC采用的是SGM4056，它是由圣邦微電子出品的鋰電池充電管理IC，該芯片操作方便，不需要用復(fù)雜的通信去配置。當(dāng)芯片的VIN引腳有5V輸入時(shí)，/PPR引腳會(huì)輸出低電平，此時(shí)就可以通知MCU，USB充電線(xiàn)已經(jīng)插入；在充電過(guò)程中，/CGH會(huì)輸出低電平，此時(shí)MCU可以檢測(cè)到充電正在進(jìn)行；當(dāng)充電電流小于預(yù)設(shè)的充電截止電流時(shí)，SGM4056的/CHG引腳會(huì)輸出高阻態(tài)，從而通知MCU充電已經(jīng)完成；SGM4056的/EN引腳為充電控制引腳，當(dāng)MCU給/EN低電平的時(shí)候開(kāi)啟充電，反之亦然。

充電電流由芯片引腳IREF上的電阻決定，根據(jù)芯片廠商提供的計(jì)算公式：

將所需要的充電電流500mA代入到公式的IREF中，可以計(jì)算得到RIREF的值約為24kΩ。

同樣道理，芯片的充電截止電流可以參考下面的計(jì)算公式：

本裝置所需要的截止電流為40mA，將其代入到公式的IMIN中，就能計(jì)算得到RIMIN約為249kΩ。

1.3 采集模塊

采集模塊分為激光發(fā)射器和光敏電阻兩部分。激光發(fā)射器的主要任務(wù)是定時(shí)發(fā)射一束激光，通過(guò)一定的物理傳播后激光會(huì)射到光敏電阻上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣閥門(mén)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

激光發(fā)射器采用的是5V器件，由于鋰電池的電壓并沒(méi)有這么高，所以在激光發(fā)射器的電源位置增加了一顆DCDC，型號(hào)為SGM6603-5.0，它能將鋰電池的電壓升壓到5V，通過(guò)控制芯片的EN引腳可以輕松實(shí)現(xiàn)5V電壓的通斷。

光敏電阻與MCU的ADC相連，同時(shí)用一顆1kΩ的標(biāo)準(zhǔn)電阻作為參考，MCU的ADC對(duì)光敏電阻的電壓進(jìn)行采樣，就可以計(jì)算得到光敏電阻的阻值，從而判斷激光是否有照射到光敏電阻。

1.4 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成，主要作用是給用戶(hù)提供監(jiān)測(cè)裝置當(dāng)前的狀態(tài)信息，硬件上發(fā)光二極管和蜂鳴器直接與MCU的PIO相連，通過(guò)邏輯電平可以方便地控制發(fā)光二極管和蜂鳴器。報(bào)警模塊的發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)的功能有工作狀態(tài)指示、天然氣閥門(mén)狀態(tài)指示、充電狀態(tài)指示以及電池電量低指示等；蜂鳴器實(shí)現(xiàn)的功能有開(kāi)機(jī)提示、天然氣閥門(mén)打開(kāi)提醒和電池電量低提示等。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的主要任務(wù)是定時(shí)對(duì)天然氣閥門(mén)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提醒用戶(hù)及時(shí)關(guān)閉天然氣閥門(mén)。除了上述的主要任務(wù)之外，還有電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電池充電管理、測(cè)試模式、低功耗狀態(tài)等輔助功能。

2.1 天然氣閥門(mén)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由激光發(fā)射器、反射棱鏡和光敏電阻三部分組成。在正常工作情況下，激光發(fā)射器每20秒會(huì)開(kāi)啟一次，在沒(méi)有遮擋的情況下，激光在兩塊直角三棱鏡的反射下會(huì)180度返回到監(jiān)測(cè)裝置的光敏電阻。為了能讓光敏電阻有足夠的響應(yīng)時(shí)間，在激光開(kāi)啟30ms后，MCU才會(huì)開(kāi)啟ADC對(duì)光敏電阻進(jìn)行采樣。

由于安裝條件的不同工作模式分為兩種。模式一，天然氣閥門(mén)在開(kāi)啟狀態(tài)下會(huì)遮擋激光的傳輸，此時(shí)檢測(cè)不到激光照射到光敏電阻則表示天然氣閥門(mén)被打開(kāi)；模式二，天然氣閥門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)下會(huì)遮擋激光的傳輸，此時(shí)光敏電阻檢測(cè)到激光照射則表示天然氣閥門(mén)被打開(kāi)。兩種方式只是邏輯的反向，只需要在判斷的時(shí)候稍作區(qū)別，其余軟件邏輯不受影響。

2.2 電池狀態(tài)檢測(cè)

在正常工作狀態(tài)下，每30s會(huì)開(kāi)啟MCU的ADC來(lái)讀取一次VCC的電壓，因?yàn)樾酒腣CC是直接與電池相連的，所以這個(gè)電壓也就是電池的電壓了。當(dāng)電池電壓低于3.4V的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出三下連續(xù)的提示音，同時(shí)三顆發(fā)光二極管也會(huì)閃爍，以便提醒用戶(hù)及時(shí)充電。當(dāng)電池電壓低于3.2V的時(shí)候，系統(tǒng)不會(huì)再開(kāi)啟激光發(fā)射器和ADC，而會(huì)立即進(jìn)入低功耗狀態(tài)以防止電池完全耗盡。

2.3 電池充電管理

由于采用了充電芯片SGM4056，通過(guò)硬件上設(shè)定恒流充電電流和充電截止電流后，芯片就可以自動(dòng)對(duì)鋰電池進(jìn)行充電管理了。在軟件上所需要做的工作就是實(shí)時(shí)讀取/PPR引腳的狀態(tài)，如果讀取到低電平，則表示充電線(xiàn)已經(jīng)插入，此時(shí)MCU只需要通過(guò)控制/EN引腳開(kāi)啟芯片的充電功能并點(diǎn)亮充電LED即可。然后再實(shí)時(shí)讀取/CHG引腳狀態(tài)，一旦充電完成就可以讀取到該引腳為高阻態(tài)。同時(shí)MCU也需要監(jiān)測(cè)/PPR狀態(tài)，如果監(jiān)測(cè)到充電線(xiàn)被拔出，則需要停止充電并關(guān)閉LED充電指示。

2.4 測(cè)試模式

設(shè)置該模式的目的有：方便裝置的安裝、對(duì)芯片進(jìn)行升級(jí)以及對(duì)裝置的工作模式進(jìn)行設(shè)定。

由于安裝過(guò)程中需要對(duì)準(zhǔn)激光發(fā)射器、直角棱鏡和光敏電阻三者的位置，而在正常模式下激光發(fā)射器多數(shù)時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)，根本無(wú)法正常安裝，所以在測(cè)試模式下設(shè)置為激光和光敏電阻處于常開(kāi)狀態(tài)，這樣就方便安裝。

此外在測(cè)試模式下，可以通過(guò)UART口進(jìn)行程序的升級(jí)操作，也可以通過(guò)按鍵設(shè)定芯片的工作模式。由于測(cè)試模式的功耗比較大，為了保證電池的使用時(shí)長(zhǎng)，測(cè)試模式設(shè)置了最大時(shí)間為30分鐘，超時(shí)則自動(dòng)進(jìn)入正常工作模式。

2.5 低功耗狀態(tài)

由于監(jiān)測(cè)裝置只采用了一塊500毫安時(shí)的鋰電池，如果讓整個(gè)系統(tǒng)處于全速運(yùn)行狀態(tài)下的話(huà)，電池的工作壽命只有幾十個(gè)小時(shí)，所以大多數(shù)時(shí)間必須處于低功耗狀態(tài)。程序采用任務(wù)調(diào)度的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，低功耗的總體思想是當(dāng)所有的任務(wù)執(zhí)行完畢后，MCU會(huì)關(guān)閉所有的外設(shè)然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，同時(shí)開(kāi)啟低功耗定時(shí)器，每2s醒來(lái)檢查是否有新的任務(wù)。下面我們計(jì)算一下每24小時(shí)所消耗的電量。

MCU在開(kāi)啟低功耗定時(shí)器情況下的電流為0.8μA，因此每24小時(shí)的耗電量為0.8μA×24小時(shí) = 0.0192mAh。

激光發(fā)射器點(diǎn)亮?xí)r電流為36mA，每20s點(diǎn)亮一次，每次持續(xù)時(shí)間為30ms，所以每24小時(shí)的耗電量為36mA×（30ms / 20s）×24小時(shí)=1.296mAh。

三顆LED有兩顆是處于長(zhǎng)時(shí)間閃爍狀態(tài)的，每2s閃爍一下，每次持續(xù)10ms，每顆LED限定的工作電流為500μA，所以L(fǎng)ED每24小時(shí)的耗電量為500μA×（10ms / 2s）×24小時(shí)×2=0.12mAh。

蜂鳴器的工作電流為19mA，工作的時(shí)候蜂鳴器每10s響一下，每次持續(xù)100ms，假設(shè)平均每天的報(bào)警時(shí)間為1小時(shí)，則可以計(jì)算得到每24小時(shí)的耗電量為19mA×（100ms / 10s）×1小時(shí)=0.19mAh。

因此我們可以計(jì)算出500mAh的電池理論上可以工作的天數(shù)為500 /（0.0192 + 1.296 + 0.12 + 0.19） = 307.65天，即便電池不能完全釋放出500mAh的電量，充滿(mǎn)電后連續(xù)工作兩百多天也是沒(méi)問(wèn)題的[2]。

3 設(shè)備的安裝

該天然氣閥門(mén)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置可以安裝在現(xiàn)有的天然氣閥門(mén)旁邊，根據(jù)天然氣管道布置方向的不同，可以選擇不同的工作模式。

如圖3所示為工作模式一的情況，裝置安裝在天然氣閥門(mén)旁邊的墻上，激光發(fā)射頭需要對(duì)準(zhǔn)天然氣表的表后閥位置，在激光發(fā)射頭和表后閥延長(zhǎng)線(xiàn)的另一邊墻上安裝兩個(gè)相互垂直的直角棱鏡，當(dāng)表后閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，激光能到達(dá)棱鏡并反射回監(jiān)測(cè)裝置，微控制器就能讀取到光敏電阻的阻值變化；當(dāng)表后閥打開(kāi)時(shí)，從激光發(fā)射器發(fā)射的激光會(huì)被擋住，從而無(wú)法照射到光敏電阻，監(jiān)測(cè)裝置就能檢測(cè)到天然氣閥被打開(kāi)了。

圖3 安裝示意圖

在其他的場(chǎng)合，可能天然氣管道布置方向會(huì)不同，檢測(cè)和安裝的邏輯剛好相反，即當(dāng)天然氣表后閥關(guān)閉的時(shí)候會(huì)擋住激光，而當(dāng)表后閥打開(kāi)的時(shí)候激光會(huì)照射到光敏電阻，此時(shí)就適用于工作模式二。

4 結(jié)束語(yǔ)

這種采用激光方式監(jiān)測(cè)天然氣閥門(mén)狀態(tài)的裝置，能夠十分方便地安裝在現(xiàn)有家用天然氣系統(tǒng)上，且不需要做任何管道的改動(dòng)，免去了燃?xì)庠O(shè)備需要專(zhuān)業(yè)人士才能安裝的尷尬。由于采用的是鋰電池供電的方式，因此不需要安裝額外的電源線(xiàn)，真正做到了獨(dú)立工作。且激光是非接觸式的，因此該裝置不會(huì)對(duì)現(xiàn)有燃?xì)庋b置的使用造成任何的影響。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，該裝置的監(jiān)測(cè)效果也是挺不錯(cuò)的，充一次電能正常工作數(shù)月，如果能采用容量更大的電池，單次充電的工作時(shí)間還能大大延長(zhǎng)。因此，在安全意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)的今天，這種天然氣閥門(mén)監(jiān)測(cè)裝置一定會(huì)被越來(lái)越多的人接受，具有一定的應(yīng)用前景。