基于单片机的燃气灶漏气智能检测
本帖最后由 Kara 于 2024-1-30 15:55 编辑基于单片机的燃气灶漏气智能检测
摘要：本装置以单片机AT89C51芯片为核心，结合含有ESP8266的ESP-12芯片，搭建出可远程控制电磁阀的电路系统，同时可实现手机APP软件远程监控报警和远程关闭功能，解决天然气泄漏问题。
语说“民以食为天”，我们的生活离不开三餐饮食。在当下的厨房，燃气灶更是必不可少的做饭工具。比如，当我们在做饭时，需要处理紧急事件，忘了关闭燃气灶，如果没有漏气检测和自动关闭功能，可能会导致火灾或更严重的后果。 对于大多数老式燃气灶来说，没有天然气漏气检测和自动关闭天然气输出功能，这样就会存在一定的安全隐患。因此，为老式燃气灶安装天然气漏气检测和自动关闭装置是必须的。
1 装置结构框图 在本装置的设计中，为了保证安全，采用了双保险报警电路。通过天然气检测传感器对室内气体浓度进行实时监测，一旦检测到气体浓度超过安全阈值，将会触发报警装置，及时提醒用户有危险情况，注意安全。
此外，本装置还具备远程手机APP软件监控报警和关闭功能。用户只需要通过手机APP软件，就可以随时随地对室内气体浓度和烟雾情况进行监控，一旦检测到异常情况，手机APP软件会发出报警提示，提醒用户及时采取措施。同时，用户还可以通过手机APP软件对电磁阀进行远程关闭，以避免气体泄漏和安全事故的发生。
综上所述，本装置不仅可以有效解决忘记关燃气灶的问题，还可以通过双检测报警电路和远程手机APP软件监控报警和关闭功能，提高室内气体安全性，为用户带来更多的便利和安全保障。其装置框图如图1所示。
2 工作原理
（1）天然气监测传感模块检测到的天然气浓度转化为电信号，一路信号传递给比较模块，输出信号传递给单片机控制系统，单片机程序判断输入的信号是否达到天然气泄漏标准；（2）天然气监测传感模块的另一路信号输入ADC转换模块产生数字量值，数字信号输入单片机，由单片机程序判断是否达到泄露标准。
图1 装置结构框图
之后，单片机程序逻辑判断这两路信号，得出是否需要发出关闭天然气阀门的指令。如果需要关闭，输出控制信号控制常开型磁保持式电磁阀的供电单元，使其断电，此时电磁阀就处于关闭状态。
另外，将输出关闭天然气阀门信号发送给WiFi模块，通过互联网传送到个人手机APP上，手机向主人发出声音警报，要求关闭天然气阀门，此时，主人可以手动关闭或通过手机APP远程关闭天然气阀门。
为了检测是否关闭成功，加装电流检测电路来检测阀门是否关闭，同时回传检测结果信号到手机APP。 总之，该装置通过多重检测和控制，实现了对天然气泄漏的及时监测和处理，同时还具备远程控制和监控功能，提高了室内天然气的安全性和便利性。 3 各部分框图设计 3.1 天然气监测传感模块和电压比较模块采用可燃气体传感器MQ-4和电压比较芯片LM393D作为主要器件，搭接外围电路。在这个系统中，可燃气体传感器MQ-4扮演着重要的角色，它能够对环境中的可燃气体进行检测，并将检测得到的气体浓度值转化为电信号传递给主控芯片。MQ-4传感器具有高灵敏度和较好的稳定性，在检测到天然气泄漏后会快速反应，并将信号传递给电压比较芯片LM393D。
电压比较芯片LM393D通过比较输入电压与参考电压的大小关系来输出逻辑高电平或逻辑低电平。在这个系统中，LM393D被用作比较模块，它的输入端接收来自MQ-4传感器的信号，而输出端则接入了微控制器单元。如果检测到的天然气浓度超过设定阈值，LM393D的输出端就会发出逻辑低电平信号，触发微控制器单元采取控制措施，同时，LED1也会发光，提示用户有天然气泄漏。
图2天然气监测传感模块和电压比较模块
MQ-4传感器和LM393D作为主要器件，搭配外围电路，用于检测和处理天然气泄漏问题，成为这个系统的核心部之一。经过多次测试和实验，这个系统具有高效、准确的特点，并能够及时检测和处理天然气泄漏问题，提高了室内气体安全性。如图2所示。 3.2 ADC模块（包含前置保护电路）在ADC芯片选用ADS8320，在输入ADC芯片之前，需要做保护电路，其中二极管选用的是MUR805，此二极管具有快速恢复特性，防止电位被钳住。为了保证ADC芯片具有正确数字量输出，Vref端口采用稳定输出2.5V电压的REF3025芯片。对于CS、DCLOCK和DOUT端分别接单片机的P1.2、P1.1和P1.2端口。其电路图如图3所示。 3.3 单片机控制模块该系统的核心主控芯片采用的是AT89C51单片机，它是由Atmel公司生产的一种低功耗、高性能的8位单片机，具有较高的数据处理能力和运行速度。AT89C51单片机的外围电路连接采用了标准的8位总线连接方式，其连接方式如图4所示。
在外围电路中，AT89C51单片机的各个端口通过连接电阻、电容等元器件的方式与其他器件相互连接，从而实现单片机的输入输出功能。其中，输入端口主要是用于接收外部信号，包括MQ-4传感器检测到的天然气浓度信号，传送工作信号等；而输出端口则主要是用于向外界输出控制信号，控制磁保持式电磁阀开关，为手机APP传递报警信号等。
在系统运行中，AT89C51单片机的程序会对这些输入输出端口进行控制，从而实现自动监测、处理和报警等功能。整个系统的运行流程由AT89C51单片机来控制，为了保证系统运行的正常和稳定，需要对单片机的电源和时钟信号进行严格的管理。 AT89C51单片机作为该系统的核心主控芯片，具有高效、准确、低功耗、高性能等特点，通过外围电路连接实现与其他器件的互联互通。它的稳定性和可靠性为整个系统的功能实现奠定了坚实的基础。 3.4 常开型磁保持式电磁阀及供电电路
该系统采用了常开型磁保持式电磁阀MLV20，其优点是在维持两种稳定工作状态时不需要维持供电。这是因为该电磁阀的结构设计采用了特殊的保持机构，当电磁铁通电时，保持机构会将阀门保持在开启状态，即使电磁铁断电，阀门也会一直保持开启状态。这可以很大程度上降低电路功耗并提高系统稳定性。该电磁阀的供电部分还加入了电流检测电路，用于判断电磁阀的状态是否为打开或关闭。为了设计出高精度、高可靠性的电流检测电路，我们选用了OP37运算放大器作为主要芯片，并通过外围电路连接实现各组件之间的协同工作。
图4 单片机控制模块
在电流检测电路中，OP37运算放大器可以通过测量输入端的电压差并将其放大，进而转换为对应的输出电压。当常开型磁保持式电磁阀MLV20处于正常工作状态时，电路中会有一定的电流通过，并产生一定的电压差，这时OP37运算放大器的输出电压会在一定范围内波动，反映电流的强弱。而当电磁阀被关闭时，通过电路的电流几乎为零，OP37运算放大器的输出电压也会降到接近于零的水平，以便随时准备发出报警。这种电路设计方式可以很好地实现电流检测和报警功能，保证了系统的稳定性和安全性。
为了充分发挥电路的检测作用，该电流检测电路还需通过外围电路与AT89C51单片机相连接，从而可以实现电路的自动检测和控制。AT89C51单片机通过从OP37运算放大器读取的电压值来判断电磁阀的状态，并可以控制常开型保持式电磁阀MLV20的开启和关闭。该系统通过电流检测电路的加入，可以及时发现电磁阀的异常状态，保证了整个系统的稳定性和安全性。其设计电路如图5所示
图5 电流检测电路 3.5 WiFi模块Wi Fi模块是一种可以实现无线网络连接的设备，其核心部件是ESP-12芯片，采用了ESP8266作为其核心芯片。ESP-12芯片作为一种高度集成的Wi Fi模块，具有体积小、功耗低、性能稳定等优点。在实际应用中，为了保证模块的正常工作，需要正确连接外围电路。其外围电路连接图如图6所示。
其中，ESP-12芯片通过串口与单片机进行通信，以实现数据传输和控制。WiFi模块还需要连接电源，以提供工作所需的电能。为了保证电源的稳定性，需要加入电源滤波电路，以滤除电源中的噪声和干扰。此外，WiFi模块还需要连接天线，以实现无线信号的收发。
图6 ESP-12芯片外围电路
将ESP-12芯片的“Tx”和“Rx”端口分别与单片机P2.2和P2.1连接，实现串口通信。单片机AT89C51依据AT指令控制WiFi模块，使其与互联网连接，实现远程通信。
3.6 手机APP设计过程设计过程：（1）确定需求：首先，需要明确手机APP的功能需求，控制常开型磁保持式电磁阀的开关、监测电流状态、显示实时数据等。（2）界面设计：根据需求，设计手机APP的界面布局。可以使用界面设计工具，如Adobe Photoshop、Sketch、Figma、Adobe XD等，创建各个界面的原型图。界面设计要考虑用户友好性和易用性，确保用户能方便地操作和获取所需信息。（3）SDK集成和功能实现：根据机智云平台提供的开发工具包SDK，将其集成到手机APP中。根据SDK提供的文档和示例代码，了解如何使用SDK进行设备连接、数据传输等操作。可以按照下面步骤实现SDK的集成和功能现。在设计过程中，要注意合理使用SDK提供的API，处理可能出现的错误情况，并进行调试和测试，确保APP的稳定性和功能完善性。
具体实现过程如下：①SDK集成：a.下载机智云平台提供的开发工具包SDK，并解压缩到项目目录中。b.在项目中添加SDK的依赖库文件，例如将SDK提供的库文件添加到项目的编译路径中。c.在项目的配置文件中，添加SDK所需的配置项，例如添加SDK的API密钥和设备ID等信息。
②设备连接：a.在手机APP的主界面中添加设备连接的相关控件，例如一个输入框用于输入设备ID，一个按钮用于触发连接操作。b.在APP的代码中，使用SDK提供的API实现设备连接的逻辑。当用户点击连接按钮时，获取输入的设备ID，并调用SDK的连接函数，将设备ID作为参数传递给SDK。c.监听SDK返回的连接结果回调，在回调函数中更新界面显示连接成功或失败的提示信息。如果连接成功，可以跳转到下一个界面。
③数据传输：a.在下一个界面中，添加一个文本框用于显示设备数据。b.在APP的代码中，使用SDK提供的API实现数据传输的逻辑。注册一个数据接收的回调函数，当SDK接收到设备数据时，回调该函数，并将数据作为参数传递给回调函数。c.在回调函数中，处理接收到的设备数据，例如解析数据、格式化等操作。将处理后的数据显示在文本框中，实现实时显示设备数据的功能。
④控制设备：a.在下一个界面中，添加一个按钮用于控制设备。b.在APP的代码中，使用SDK提供的API实现设备控制的逻辑。当用户点击控制按钮时，调用SDK的控制函数，发送相应的指令或参数给设备。c.监听SDK返回的控制结果回调，在回调函数中更新界面显示控制成功或失败的提示信息。
⑤错误处理：在APP的代码中，根据SDK提供的错误处理API，处理可能出现的错误情况。例如，在设备连接时，如果网络连接失败，可以给用户一个提示信息；在设备控制时，如果设备断开连接，可以尝试重新连接或给予用户相应的提示。
⑥调试和测试：在集成和功能实现的过程中，进行调试和测试。可以使用机智云平台提供的调试工具、模拟器或真实设备进行测试，确保连接、数据传输和设备控制等功能的正常运行。
（4）修改UI和程序代码：根据界面设计的原型图，对手机APP的UI进行修改。通过修改布局、颜色、字体等方式，使得界面符合设计要求。同时，根据需求修改程序代码，实现功能逻辑和数据处理。（5）调试和测试：在修改UI和程序代码后，进行调试和测试。可以使用模拟器或真实设备进行测试，确保手机APP的功能正常运行，并与设备进行正确的通信和交互。（6）优化和改进：根据测试结果，对手机APP进行优化和改进。可以通过性能优化、界面优化等方式，提升操作体验和系统稳定性。 通过以上设计过程，结合机智云平台和技术支持，设计出符合本装置使用的手机APP。在设计过程中，要合理利用SDK和开发工具包进行开发和调试，最终实现稳定、易用的手机APP。其中，APP程序流程如图7所示。
图7 远程控制电磁阀流程
4 总结
本装置是以单片机AT89C51芯片为核心，结合含有ESP8266的ESP-12芯片，搭建出远程控制电磁阀的电路系统。该电路系统设计仿真基本实现了燃气灶漏气智能检测功能，但由于一些芯片和器件价格偏高，电路的生产成本还有待降低。
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