多種有害氣體監測、報警、排氣一體化智能裝置設計

近年來，隨著人們對生活品質的追求，對環保問題的不斷關注，所處場所的空氣質量安全也逐漸被人們所重視。室內有害氣體主要涉及兩類^[1]:第一類主要是室內裝修殘留的甲醛和氨氣等物質，這類氣體具有可長期揮發的特性，揮發時間甚至長達十年以上，對人體造成了長期的傷害。第二類是天然氣系統泄露的易燃易爆氣體，這類氣體有一氧化碳、甲烷等，如果在密閉環境中這類氣體的濃度累積超過燃爆點，遇明火易造成火災、中毒等事故^[2]，造成不可想象的后果和損失。

為了保障人們在室內氣體環境中的健康，我們研究了一款多種有害氣體監測- 報警- 排氣一體化智能裝置。本設計主要在于開發已有氣體檢測裝置中未完全開發的功能集成，完成多種有害氣體的實時濃度監測、預報警以及報警處理功能的統一，做到了危險的提前預防，提高了人們的生活環境質量。

1 系統整體設計思路

1.1 系統設計

系統的氣體濃度采集通過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、氨氣濃度測量傳感器，達到對有害氣體濃度的檢測；利用LCD1602顯示屏顯示實時濃度數據；使用51單片機作為系統的硬件載體，完成對采集到數據的接收、顯示及報警工作，并利用串口傳遞數據；上位機以LabVIEW 開發平臺的數據處理方法^[3]進行設計，對所采集的有害氣體濃度數據進行實時監測，其中包括通過串口完成對數據的接收，通過程序框圖的設計完成實時波形顯示曲線、實時濃度顯示等。當有害氣體濃度超過人為設定閾值時蜂鳴器與LED 會發出聲光警報提醒，同時執行關閉氣源、排氣等操作。

1.2 功能設計

多種有害氣體監測- 報警- 排氣一體化智能裝置通過傳感器完成對有害氣體濃度的檢測，利用顯示屏顯示數據，方便操作者查看。同時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據，完成回放功能。當采集到有害氣體濃度超過人為設定濃度上限時，蜂鳴器會發出警報，警示燈光閃爍，提醒操作者注意室內氣體安全；同時自動打開排氣風扇進行通風，逐步降低室內有害氣體濃度，直至室內有害氣體濃度在安全界限以內；另外，可燃氣體濃度超標時還會自動關閉電磁閥以關閉氣源，以確保室內人員生命財產安全。

該裝置做到了監測、報警、處理功能的有效統一，為居民安全提供了有效的保障，契合人們健康、環保的生活理念，適用于普遍的家庭室內環境，具有較大的落地應用價值。

2 硬件設計方案

硬件部分主要實現有害氣體濃度采集、A/D 轉換、報警、數據顯示四個功能。通過檢測模塊，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 轉換芯片檢測空氣中有害氣體的濃度;通過單片機對各種數據進行處理,包括將濃度信號進行轉化、比較、顯示，控制系統報警、控制系統自動打開排氣風扇、關閉電磁閥；顯示模塊利用LCD 顯示屏將單片機發送的實時氣體濃度信號以數字與濃度單位的組合實時顯示出來;報警裝置利用蜂鳴器在有害氣體濃度超過設置上限時報警,包括聲音報警和光報警兩部分;通過執行單元在可燃氣體濃度超標報警后進行預警處理,包括打開排氣風扇、控制防爆電磁閥以關閉燃氣管道操作。

圖1 系統基本模型

2.1 單片機最小系統模塊設計

控制芯片是系統的核心，相當于人的大腦，負責處理接收到的信息，并且控制各個模塊，本裝置選用STC89C52 作為主控模塊。STC89C52 是一個51內核的8 位單片機， 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、使用簡單且價格非常低廉。

2.2 有害氣體濃度采集模塊

2.2.1 MQ-9氣敏傳感器

目前家用可燃氣系統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大時都會對人體造成危害：一氧化碳可通過人體呼吸作用進入血液循環，造成缺氧血癥，導致組織缺氧，抑制組織呼吸^[4]；甲烷不屬于有毒氣體，但當空氣中甲烷濃度過高時會使含氧量降低，增大讓人窒息的風險，且遇熱源和明火時易發生爆炸，甲烷的爆炸范圍是44 000~170 000 μg/m³。

考慮到氣體濃度檢測范圍，MQ-9 氣敏傳感器檢測一氧化碳的范圍是10~1 000 μg/m³，檢測甲烷的范圍是300~10 000 μg/m³，我們選用該傳感器完成易燃易爆氣體的檢測。該傳感器通過在低溫（1.5 V）加熱時檢測空氣中一氧化碳的濃度，高溫（5.0 V）加熱時檢測空氣中甲烷的濃度，在高低溫循環檢測中完成兩種氣體濃度的采集，并以模擬量的形式輸出。另外正常室內環境下，空氣中漂浮著大小不一的灰塵及其他雜質，這些灰塵、煙霧不僅會影響電子產品的使用壽命，還會干擾氣體傳感器的測量精確度。MQ-9 氣敏傳感器在高溫（5.0 V）加熱的同時還能夠清潔低溫（1.5 V）時附著在傳感器上的雜質氣體，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 電化學甲醛傳感器是一個通用型、小型化模組。利用電化學原理對空氣中存在的甲醛進行探測^[5]，并且可選擇數字量和模擬量兩種輸出方式，使用更加便捷。ZE08-CH₂O 檢測甲醛的范圍是(0 ～ 5)μg/m³，分辨率小于0.01 μg/m³，響應時間小于等于60 s，本裝置中使用模擬量輸出，模擬量輸出0.4 ～ 2 V 對應電壓信號濃度為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率較低的二氧化錫，該傳感器的特點是電導率會隨著空氣中氨氣濃度的增加而增大。MQ-137 氨氣傳感器檢測氨氣的范圍是（0-5）μg/m³，分辨率0.02 μg/m³，響應時間小于45 s，本裝置使用數字量輸出。

2.3 A/D轉換模塊

本裝置中ZE08-CH20 電化學甲醛傳感器與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，通過計算需要10 位A/D 轉換器才能保證完成分辨率不低于傳感器，我們選用TLC1543ADC 轉換模塊，其分辨率為0.016 μg/m³，符合設計精度要求。

2.4 數據顯示模塊

我們選用LCD1602 顯示芯片構建顯示電路。LCD1602 顯示屏功耗低、體積小，能夠顯示 2 行 16 個字符，可以滿足同時顯示4 種氣體量值及報警氣體的種類，保證數據精度和分辨率，使數據顯示更加直觀。

2.5 報警處理模塊

本裝置下位機部分使用蜂鳴器和彩色LED 燈構成聲、光報警系統。處理裝置由兩部分組成，一部分是燃氣管道控制裝置，當可燃氣體泄漏時可以及時關閉電磁閥，從而切斷氣源；另一部分是排氣裝置，當有害氣體濃度超過閾值時自動打開排氣風扇，降低室內有害氣體濃度至閾值以下，以保證室內氣體安全。

2.5.1 蜂鳴器

報警模塊通過聲、光報警的有效結合實現裝置的安防功能。聲報警采用的是無源蜂鳴器，無源蜂鳴器的聲音頻率可控，能夠通過程序控制其發出不同的聲音；光報警采用的是彩色LED 燈，通過不同顏色的變換起到警示的作用。特別是在夜間，光線的變換會更加明顯，警報的效果也會更好。

2.5.2 防爆電磁閥

本裝置采用的燃氣管道控制閥門為JIMDZ 防爆電磁閥，它是常閉電磁閥，即電磁閥沒有通電時是關閉狀態，這樣可以提高設備安全性，避免由于斷電等因素引發危險；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生火花和危險溫度的零部件與外界環境分離，避免在閥門運行過程中對周圍可能產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動，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，避免其產生的電火花對外部的影響。

2.5.3 排氣裝置

排氣裝置采用家用換氣風扇，其電壓為交流220 V，采用繼電器進行驅動。當單片機給低電平時，繼電器線圈閉合，換氣風扇回路導通，換氣風扇開始工作；當單片機給高電平時，繼電器線圈分開，換氣風扇回路斷開，換氣風扇停止工作。

3 軟件設計方案

下位機軟件通過keil 5 軟件基于C 語言編寫，通過傳感器檢測空氣中有害氣體濃度，并將得到的模擬信號轉化為數字信號顯示到屏幕上。之后系統判斷濃度是否超過安全閾值，一旦超出便觸發報警程序，蜂鳴器和LED 進行聲光報警。同時，排氣扇和電磁閥也在單片機控制下采取相應措施。

上位機監測軟件利用LabVIEW 2018 軟件實現，通過輸入控件顯示濃度上限，實時濃度與濃度上限對比，使兩者對比更直觀；報警功能的實現通過條件結構和布爾元件相互配合，同時將是否超限結果表明；通過布爾元件作為開關開啟數據儲存和數據回放，運用讀取電子表格文件和寫入電子表格文件，以達到儲存并創建EXCEL 表格、讀取和回放的功能。

4 結束語

本裝置使用MQ-9 氣敏傳感器、ZE08-CH₂O 甲醛傳感器、MQ-137 氨氣傳感器檢測對應的有害氣體，通過顯示屏顯示實時氣體濃度，同時操作者可在后端進行查詢和回放歷史數據的操作；當氣體濃度超標時會裝置會自動報警，采取排氣、關閉電磁閥等措施來降低有害氣體濃度，做到了監測 - 報警 - 排氣一體化智能裝置設計。設計本裝置的目的是為了幫助人們在有害氣體濃度超標時能趁早發現，并在預警后及時進行處理，將危險扼殺在萌芽中，為人們的生命健康提供安全保障。

參考文獻：

[1] 胡嘉斌.家庭有害氣體檢測系統設計和實現[D].成都:電子科技大學,2020.

[2] 符俊賢,譚誠臣,劉云磊,等.可燃氣自動檢測與報警智能控制系統的設計[J].棗莊學院學報,2013,30(2):89-95.

[3] 王麗,桂彩云.基于LabVIEW的實驗數據處理方法研究[J].國外電子測量技術,2018,37(4):20-25.

[4] 張飛,孫旭,張仕玲.基于MSP430F149單片機的煤氣泄露監測與報警系統的設計[J].中國集成電路,2011,20(8):68-71.

[5] 梁晶,譚勁松,史記征.一種智能化甲醛檢測儀設計與實現[J].網絡安全技術與應用,2020(3):118-121.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年11月期）