北京将在七方面加大对雄安新区建设支持

近年来，随着人们对生活品质的追求，对环保问题的不断关注，所处场所的空气质量安全也逐渐被人们所重视。室内有害气体主要涉及两类^[1]:第一类主要是室内装修残留的甲醛和氨气等物质，这类气体具有可长期挥发的特性，挥发时间甚至长达十年以上，对人体造成了长期的伤害。第二类是天然气系统泄露的易燃易爆气体，这类气体有一氧化碳、甲烷等，如果在密闭环境中这类气体的浓度累积超过燃爆点，遇明火易造成火灾、中毒等事故^[2]，造成不可想象的后果和损失。

为了保障人们在室内气体环境中的健康，我们研究了一款多种有害气体监测- 报警- 排气一体化智能装置。本设计主要在于开发已有气体检测装置中未完全开发的功能集成，完成多种有害气体的实时浓度监测、预报警以及报警处理功能的统一，做到了危险的提前预防，提高了人们的生活环境质量。

1 系统整体设计思路

1.1 系统设计

系统的气体浓度采集通过MQ-9气敏传感器、ZE08-CH₂O 甲醛传感器、MQ-137氨气传感器作为一氧化碳与甲烷、甲醛、氨气浓度测量传感器，达到对有害气体浓度的检测；利用LCD1602显示屏显示实时浓度数据；使用51单片机作为系统的硬件载体，完成对采集到数据的接收、显示及报警工作，并利用串口传递数据；上位机以LabVIEW 开发平台的数据处理方法^[3]进行设计，对所采集的有害气体浓度数据进行实时监测，其中包括通过串口完成对数据的接收，通过程序框图的设计完成实时波形显示曲线、实时浓度显示等。当有害气体浓度超过人为设定阈值时蜂鸣器与LED 会发出声光警报提醒，同时执行关闭气源、排气等操作。

1.2 功能设计

多种有害气体监测- 报警- 排气一体化智能装置通过传感器完成对有害气体浓度的检测，利用显示屏显示数据，方便操作者查看。同时操作者可在后端查看采集得到的有害气体浓度曲线以及历史数据，完成回放功能。当采集到有害气体浓度超过人为设定浓度上限时，蜂鸣器会发出警报，警示灯光闪烁，提醒操作者注意室内气体安全；同时自动打开排气风扇进行通风，逐步降低室内有害气体浓度，直至室内有害气体浓度在安全界限以内；另外，可燃气体浓度超标时还会自动关闭电磁阀以关闭气源，以确保室内人员生命财产安全。

该装置做到了监测、报警、处理功能的有效统一，为居民安全提供了有效的保障，契合人们健康、环保的生活理念，适用于普遍的家庭室内环境，具有较大的落地应用价值。

2 硬件设计方案

硬件部分主要实现有害气体浓度采集、A/D 转换、报警、数据显示四个功能。通过检测模块，包括MQ-9气敏传感器、ZE08-CH₂O 甲醛传感器、MQ-137 氨气传感器和TLC1543 转换芯片检测空气中有害气体的浓度;通过单片机对各种数据进行处理,包括将浓度信号进行转化、比较、显示，控制系统报警、控制系统自动打开排气风扇、关闭电磁阀；显示模块利用LCD 显示屏将单片机发送的实时气体浓度信号以数字与浓度单位的组合实时显示出来;报警装置利用蜂鸣器在有害气体浓度超过设置上限时报警,包括声音报警和光报警两部分;通过执行单元在可燃气体浓度超标报警后进行预警处理,包括打开排气风扇、控制防爆电磁阀以关闭燃气管道操作。

图1 系统基本模型

2.1 单片机最小系统模块设计

控制芯片是系统的核心，相当于人的大脑，负责处理接收到的信息，并且控制各个模块，本装置选用STC89C52 作为主控模块。STC89C52 是一个51内核的8 位单片机， 相比STC89C51 需要12 V 的高压，STC89C52 的工作电压可为2.7~6.0 V，故其功耗更低、性能更高、使用简单且价格非常低廉。

2.2 有害气体浓度采集模块

2.2.1 MQ-9气敏传感器

目前家用可燃气系统大多为煤气或天然气，其中一氧化碳是煤气的主要成分，天然气的主要成分是甲烷。二者在空气中浓度过大时都会对人体造成危害：一氧化碳可通过人体呼吸作用进入血液循环，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸^[4]；甲烷不属于有毒气体，但当空气中甲烷浓度过高时会使含氧量降低，增大让人窒息的风险，且遇热源和明火时易发生爆炸，甲烷的爆炸范围是44 000~170 000 μg/m³。

考虑到气体浓度检测范围，MQ-9 气敏传感器检测一氧化碳的范围是10~1 000 μg/m³，检测甲烷的范围是300~10 000 μg/m³，我们选用该传感器完成易燃易爆气体的检测。该传感器通过在低温（1.5 V）加热时检测空气中一氧化碳的浓度，高温（5.0 V）加热时检测空气中甲烷的浓度，在高低温循环检测中完成两种气体浓度的采集，并以模拟量的形式输出。另外正常室内环境下，空气中漂浮着大小不一的灰尘及其他杂质，这些灰尘、烟雾不仅会影响电子产品的使用寿命，还会干扰气体传感器的测量精确度。MQ-9 气敏传感器在高温（5.0 V）加热的同时还能够清洁低温（1.5 V）时附着在传感器上的杂质气体，依此提高了传感器的抗干扰能力。

2.2.2 ZE08-CH₂O甲醛传感器模块

ZE08-CH₂O 电化学甲醛传感器是一个通用型、小型化模组。利用电化学原理对空气中存在的甲醛进行探测^[5]，并且可选择数字量和模拟量两种输出方式，使用更加便捷。ZE08-CH₂O 检测甲醛的范围是(0 ～ 5)μg/m³，分辨率小于0.01 μg/m³，响应时间小于等于60 s，本装置中使用模拟量输出，模拟量输出0.4 ～ 2 V 对应电压信号浓度为0 ～满量程。

2.2.3 MQ-137 氨气传感器

MQ-137 氨气传感器使用的气敏材料是在清洁空气中的电导率较低的二氧化锡，该传感器的特点是电导率会随着空气中氨气浓度的增加而增大。MQ-137 氨气传感器检测氨气的范围是（0-5）μg/m³，分辨率0.02 μg/m³，响应时间小于45 s，本装置使用数字量输出。

2.3 A/D转换模块

本装置中ZE08-CH20 电化学甲醛传感器与MQ-9 气敏传感器使用模拟量输出模式，其分辨率为0.02 μg/m³，通过计算需要10 位A/D 转换器才能保证完成分辨率不低于传感器，我们选用TLC1543ADC 转换模块，其分辨率为0.016 μg/m³，符合设计精度要求。

2.4 数据显示模块

我们选用LCD1602 显示芯片构建显示电路。LCD1602 显示屏功耗低、体积小，能够显示 2 行 16 个字符，可以满足同时显示4 种气体量值及报警气体的种类，保证数据精度和分辨率，使数据显示更加直观。

2.5 报警处理模块

本装置下位机部分使用蜂鸣器和彩色LED 灯构成声、光报警系统。处理装置由两部分组成，一部分是燃气管道控制装置，当可燃气体泄漏时可以及时关闭电磁阀，从而切断气源；另一部分是排气装置，当有害气体浓度超过阈值时自动打开排气风扇，降低室内有害气体浓度至阈值以下，以保证室内气体安全。

2.5.1 蜂鸣器

报警模块通过声、光报警的有效结合实现装置的安防功能。声报警采用的是无源蜂鸣器，无源蜂鸣器的声音频率可控，能够通过程序控制其发出不同的声音；光报警采用的是彩色LED 灯，通过不同颜色的变换起到警示的作用。特别是在夜间，光线的变换会更加明显，警报的效果也会更好。

2.5.2 防爆电磁阀

本装置采用的燃气管道控制阀门为JIMDZ 防爆电磁阀，它是常闭电磁阀，即电磁阀没有通电时是关闭状态，这样可以提高设备安全性，避免由于断电等因素引发危险；通电后电磁阀打开，电压为交流220 V。防爆电磁阀依靠防爆外壳将阀门中可能产生火花和危险温度的零部件与外界环境分离，避免在阀门运行过程中对周围可能产生的爆炸性气体混合物的影响，由此完成防爆功能。电磁阀使用继电器驱动，同样，继电器也采取防爆措施，将继电器用绝缘材料密闭起来，避免其产生的电火花对外部的影响。

2.5.3 排气装置

排气装置采用家用换气风扇，其电压为交流220 V，采用继电器进行驱动。当单片机给低电平时，继电器线圈闭合，换气风扇回路导通，换气风扇开始工作；当单片机给高电平时，继电器线圈分开，换气风扇回路断开，换气风扇停止工作。

3 软件设计方案

下位机软件通过keil 5 软件基于C 语言编写，通过传感器检测空气中有害气体浓度，并将得到的模拟信号转化为数字信号显示到屏幕上。之后系统判断浓度是否超过安全阈值，一旦超出便触发报警程序，蜂鸣器和LED 进行声光报警。同时，排气扇和电磁阀也在单片机控制下采取相应措施。

上位机监测软件利用LabVIEW 2018 软件实现，通过输入控件显示浓度上限，实时浓度与浓度上限对比，使两者对比更直观；报警功能的实现通过条件结构和布尔元件相互配合，同时将是否超限结果表明；通过布尔元件作为开关开启数据储存和数据回放，运用读取电子表格文件和写入电子表格文件，以达到储存并创建EXCEL 表格、读取和回放的功能。

4 结束语

本装置使用MQ-9 气敏传感器、ZE08-CH₂O 甲醛传感器、MQ-137 氨气传感器检测对应的有害气体，通过显示屏显示实时气体浓度，同时操作者可在后端进行查询和回放历史数据的操作；当气体浓度超标时会装置会自动报警，采取排气、关闭电磁阀等措施来降低有害气体浓度，做到了监测 - 报警 - 排气一体化智能装置设计。设计本装置的目的是为了帮助人们在有害气体浓度超标时能趁早发现，并在预警后及时进行处理，将危险扼杀在萌芽中，为人们的生命健康提供安全保障。

参考文献：

[1] 胡嘉斌.家庭有害气体检测系统设计和实现[D].成都:电子科技大学,2020.

[2] 符俊贤,谭诚臣,刘云磊,等.可燃气自动检测与报警智能控制系统的设计[J].枣庄学院学报,2013,30(2):89-95.

[3] 王丽,桂彩云.基于LabVIEW的实验数据处理方法研究[J].国外电子测量技术,2018,37(4):20-25.

[4] 张飞,孙旭,张仕玲.基于MSP430F149单片机的煤气泄露监测与报警系统的设计[J].中国集成电路,2011,20(8):68-71.

[5] 梁晶,谭劲松,史记征.一种智能化甲醛检测仪设计与实现[J].网络安全技术与应用,2020(3):118-121.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年11月期）