多種有害氣體監(jiān)測(cè)、報(bào)警、排氣一體化智能裝置設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的追求，對(duì)環(huán)保問(wèn)題的不斷關(guān)注，所處場(chǎng)所的空氣質(zhì)量安全也逐漸被人們所重視。室內(nèi)有害氣體主要涉及兩類^[1]:第一類主要是室內(nèi)裝修殘留的甲醛和氨氣等物質(zhì)，這類氣體具有可長(zhǎng)期揮發(fā)的特性，揮發(fā)時(shí)間甚至長(zhǎng)達(dá)十年以上，對(duì)人體造成了長(zhǎng)期的傷害。第二類是天然氣系統(tǒng)泄露的易燃易爆氣體，這類氣體有一氧化碳、甲烷等，如果在密閉環(huán)境中這類氣體的濃度累積超過(guò)燃爆點(diǎn)，遇明火易造成火災(zāi)、中毒等事故^[2]，造成不可想象的后果和損失。

為了保障人們?cè)谑覂?nèi)氣體環(huán)境中的健康，我們研究了一款多種有害氣體監(jiān)測(cè)- 報(bào)警- 排氣一體化智能裝置。本設(shè)計(jì)主要在于開發(fā)已有氣體檢測(cè)裝置中未完全開發(fā)的功能集成，完成多種有害氣體的實(shí)時(shí)濃度監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)警以及報(bào)警處理功能的統(tǒng)一，做到了危險(xiǎn)的提前預(yù)防，提高了人們的生活環(huán)境質(zhì)量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的氣體濃度采集通過(guò)MQ-9氣敏傳感器、ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137氨氣傳感器作為一氧化碳與甲烷、甲醛、氨氣濃度測(cè)量傳感器，達(dá)到對(duì)有害氣體濃度的檢測(cè)；利用LCD1602顯示屏顯示實(shí)時(shí)濃度數(shù)據(jù)；使用51單片機(jī)作為系統(tǒng)的硬件載體，完成對(duì)采集到數(shù)據(jù)的接收、顯示及報(bào)警工作，并利用串口傳遞數(shù)據(jù)；上位機(jī)以LabVIEW 開發(fā)平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理方法^[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)所采集的有害氣體濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其中包括通過(guò)串口完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收，通過(guò)程序框圖的設(shè)計(jì)完成實(shí)時(shí)波形顯示曲線、實(shí)時(shí)濃度顯示等。當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)人為設(shè)定閾值時(shí)蜂鳴器與LED 會(huì)發(fā)出聲光警報(bào)提醒，同時(shí)執(zhí)行關(guān)閉氣源、排氣等操作。

1.2 功能設(shè)計(jì)

多種有害氣體監(jiān)測(cè)- 報(bào)警- 排氣一體化智能裝置通過(guò)傳感器完成對(duì)有害氣體濃度的檢測(cè)，利用顯示屏顯示數(shù)據(jù)，方便操作者查看。同時(shí)操作者可在后端查看采集得到的有害氣體濃度曲線以及歷史數(shù)據(jù)，完成回放功能。當(dāng)采集到有害氣體濃度超過(guò)人為設(shè)定濃度上限時(shí)，蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)，警示燈光閃爍，提醒操作者注意室內(nèi)氣體安全；同時(shí)自動(dòng)打開排氣風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)，逐步降低室內(nèi)有害氣體濃度，直至室內(nèi)有害氣體濃度在安全界限以內(nèi)；另外，可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時(shí)還會(huì)自動(dòng)關(guān)閉電磁閥以關(guān)閉氣源，以確保室內(nèi)人員生命財(cái)產(chǎn)安全。

該裝置做到了監(jiān)測(cè)、報(bào)警、處理功能的有效統(tǒng)一，為居民安全提供了有效的保障，契合人們健康、環(huán)保的生活理念，適用于普遍的家庭室內(nèi)環(huán)境，具有較大的落地應(yīng)用價(jià)值。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件部分主要實(shí)現(xiàn)有害氣體濃度采集、A/D 轉(zhuǎn)換、報(bào)警、數(shù)據(jù)顯示四個(gè)功能。通過(guò)檢測(cè)模塊，包括MQ-9氣敏傳感器、ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器和TLC1543 轉(zhuǎn)換芯片檢測(cè)空氣中有害氣體的濃度;通過(guò)單片機(jī)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,包括將濃度信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化、比較、顯示，控制系統(tǒng)報(bào)警、控制系統(tǒng)自動(dòng)打開排氣風(fēng)扇、關(guān)閉電磁閥；顯示模塊利用LCD 顯示屏將單片機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)氣體濃度信號(hào)以數(shù)字與濃度單位的組合實(shí)時(shí)顯示出來(lái);報(bào)警裝置利用蜂鳴器在有害氣體濃度超過(guò)設(shè)置上限時(shí)報(bào)警,包括聲音報(bào)警和光報(bào)警兩部分;通過(guò)執(zhí)行單元在可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)報(bào)警后進(jìn)行預(yù)警處理,包括打開排氣風(fēng)扇、控制防爆電磁閥以關(guān)閉燃?xì)夤艿啦僮鳌?/p>

圖1 系統(tǒng)基本模型

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

控制芯片是系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于人的大腦，負(fù)責(zé)處理接收到的信息，并且控制各個(gè)模塊，本裝置選用STC89C52 作為主控模塊。STC89C52 是一個(gè)51內(nèi)核的8 位單片機(jī)， 相比STC89C51 需要12 V 的高壓，STC89C52 的工作電壓可為2.7~6.0 V，故其功耗更低、性能更高、使用簡(jiǎn)單且價(jià)格非常低廉。

2.2 有害氣體濃度采集模塊

2.2.1 MQ-9氣敏傳感器

目前家用可燃?xì)庀到y(tǒng)大多為煤氣或天然氣，其中一氧化碳是煤氣的主要成分，天然氣的主要成分是甲烷。二者在空氣中濃度過(guò)大時(shí)都會(huì)對(duì)人體造成危害：一氧化碳可通過(guò)人體呼吸作用進(jìn)入血液循環(huán)，造成缺氧血癥，導(dǎo)致組織缺氧，抑制組織呼吸^[4]；甲烷不屬于有毒氣體，但當(dāng)空氣中甲烷濃度過(guò)高時(shí)會(huì)使含氧量降低，增大讓人窒息的風(fēng)險(xiǎn)，且遇熱源和明火時(shí)易發(fā)生爆炸，甲烷的爆炸范圍是44 000~170 000 μg/m³。

考慮到氣體濃度檢測(cè)范圍，MQ-9 氣敏傳感器檢測(cè)一氧化碳的范圍是10~1 000 μg/m³，檢測(cè)甲烷的范圍是300~10 000 μg/m³，我們選用該傳感器完成易燃易爆氣體的檢測(cè)。該傳感器通過(guò)在低溫（1.5 V）加熱時(shí)檢測(cè)空氣中一氧化碳的濃度，高溫（5.0 V）加熱時(shí)檢測(cè)空氣中甲烷的濃度，在高低溫循環(huán)檢測(cè)中完成兩種氣體濃度的采集，并以模擬量的形式輸出。另外正常室內(nèi)環(huán)境下，空氣中漂浮著大小不一的灰塵及其他雜質(zhì)，這些灰塵、煙霧不僅會(huì)影響電子產(chǎn)品的使用壽命，還會(huì)干擾氣體傳感器的測(cè)量精確度。MQ-9 氣敏傳感器在高溫（5.0 V）加熱的同時(shí)還能夠清潔低溫（1.5 V）時(shí)附著在傳感器上的雜質(zhì)氣體，依此提高了傳感器的抗干擾能力。

2.2.2 ZE08-CH₂O甲醛傳感器模塊

ZE08-CH₂O 電化學(xué)甲醛傳感器是一個(gè)通用型、小型化模組。利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的甲醛進(jìn)行探測(cè)^[5]，并且可選擇數(shù)字量和模擬量?jī)煞N輸出方式，使用更加便捷。ZE08-CH₂O 檢測(cè)甲醛的范圍是(0 ～ 5)μg/m³，分辨率小于0.01 μg/m³，響應(yīng)時(shí)間小于等于60 s，本裝置中使用模擬量輸出，模擬量輸出0.4 ～ 2 V 對(duì)應(yīng)電壓信號(hào)濃度為0 ～滿量程。

2.2.3 MQ-137 氨氣傳感器

MQ-137 氨氣傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中的電導(dǎo)率較低的二氧化錫，該傳感器的特點(diǎn)是電導(dǎo)率會(huì)隨著空氣中氨氣濃度的增加而增大。MQ-137 氨氣傳感器檢測(cè)氨氣的范圍是（0-5）μg/m³，分辨率0.02 μg/m³，響應(yīng)時(shí)間小于45 s，本裝置使用數(shù)字量輸出。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本裝置中ZE08-CH20 電化學(xué)甲醛傳感器與MQ-9 氣敏傳感器使用模擬量輸出模式，其分辨率為0.02 μg/m³，通過(guò)計(jì)算需要10 位A/D 轉(zhuǎn)換器才能保證完成分辨率不低于傳感器，我們選用TLC1543ADC 轉(zhuǎn)換模塊，其分辨率為0.016 μg/m³，符合設(shè)計(jì)精度要求。

2.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

我們選用LCD1602 顯示芯片構(gòu)建顯示電路。LCD1602 顯示屏功耗低、體積小，能夠顯示 2 行 16 個(gè)字符，可以滿足同時(shí)顯示4 種氣體量值及報(bào)警氣體的種類，保證數(shù)據(jù)精度和分辨率，使數(shù)據(jù)顯示更加直觀。

2.5 報(bào)警處理模塊

本裝置下位機(jī)部分使用蜂鳴器和彩色LED 燈構(gòu)成聲、光報(bào)警系統(tǒng)。處理裝置由兩部分組成，一部分是燃?xì)夤艿揽刂蒲b置，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏時(shí)可以及時(shí)關(guān)閉電磁閥，從而切斷氣源；另一部分是排氣裝置，當(dāng)有害氣體濃度超過(guò)閾值時(shí)自動(dòng)打開排氣風(fēng)扇，降低室內(nèi)有害氣體濃度至閾值以下，以保證室內(nèi)氣體安全。

2.5.1 蜂鳴器

報(bào)警模塊通過(guò)聲、光報(bào)警的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝置的安防功能。聲報(bào)警采用的是無(wú)源蜂鳴器，無(wú)源蜂鳴器的聲音頻率可控，能夠通過(guò)程序控制其發(fā)出不同的聲音；光報(bào)警采用的是彩色LED 燈，通過(guò)不同顏色的變換起到警示的作用。特別是在夜間，光線的變換會(huì)更加明顯，警報(bào)的效果也會(huì)更好。

2.5.2 防爆電磁閥

本裝置采用的燃?xì)夤艿揽刂崎y門為JIMDZ 防爆電磁閥，它是常閉電磁閥，即電磁閥沒(méi)有通電時(shí)是關(guān)閉狀態(tài)，這樣可以提高設(shè)備安全性，避免由于斷電等因素引發(fā)危險(xiǎn)；通電后電磁閥打開，電壓為交流220 V。防爆電磁閥依靠防爆外殼將閥門中可能產(chǎn)生火花和危險(xiǎn)溫度的零部件與外界環(huán)境分離，避免在閥門運(yùn)行過(guò)程中對(duì)周圍可能產(chǎn)生的爆炸性氣體混合物的影響，由此完成防爆功能。電磁閥使用繼電器驅(qū)動(dòng)，同樣，繼電器也采取防爆措施，將繼電器用絕緣材料密閉起來(lái)，避免其產(chǎn)生的電火花對(duì)外部的影響。

2.5.3 排氣裝置

排氣裝置采用家用換氣風(fēng)扇，其電壓為交流220 V，采用繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，繼電器線圈閉合，換氣風(fēng)扇回路導(dǎo)通，換氣風(fēng)扇開始工作；當(dāng)單片機(jī)給高電平時(shí)，繼電器線圈分開，換氣風(fēng)扇回路斷開，換氣風(fēng)扇停止工作。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

下位機(jī)軟件通過(guò)keil 5 軟件基于C 語(yǔ)言編寫，通過(guò)傳感器檢測(cè)空氣中有害氣體濃度，并將得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)顯示到屏幕上。之后系統(tǒng)判斷濃度是否超過(guò)安全閾值，一旦超出便觸發(fā)報(bào)警程序，蜂鳴器和LED 進(jìn)行聲光報(bào)警。同時(shí)，排氣扇和電磁閥也在單片機(jī)控制下采取相應(yīng)措施。

上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件利用LabVIEW 2018 軟件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)輸入控件顯示濃度上限，實(shí)時(shí)濃度與濃度上限對(duì)比，使兩者對(duì)比更直觀；報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)條件結(jié)構(gòu)和布爾元件相互配合，同時(shí)將是否超限結(jié)果表明；通過(guò)布爾元件作為開關(guān)開啟數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和數(shù)據(jù)回放，運(yùn)用讀取電子表格文件和寫入電子表格文件，以達(dá)到儲(chǔ)存并創(chuàng)建EXCEL 表格、讀取和回放的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本裝置使用MQ-9 氣敏傳感器、ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的有害氣體，通過(guò)顯示屏顯示實(shí)時(shí)氣體濃度，同時(shí)操作者可在后端進(jìn)行查詢和回放歷史數(shù)據(jù)的操作；當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)會(huì)裝置會(huì)自動(dòng)報(bào)警，采取排氣、關(guān)閉電磁閥等措施來(lái)降低有害氣體濃度，做到了監(jiān)測(cè) - 報(bào)警 - 排氣一體化智能裝置設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)本裝置的目的是為了幫助人們?cè)谟泻怏w濃度超標(biāo)時(shí)能趁早發(fā)現(xiàn)，并在預(yù)警后及時(shí)進(jìn)行處理，將危險(xiǎn)扼殺在萌芽中，為人們的生命健康提供安全保障。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年11月期）