一種地震燃氣自動關閉裝置的設計*

徐世濤，劉廷平，周亞文，康 鵬，左安友

(湖北民族學院 理學院，湖北 恩施 445000)

現今城市燃氣工程已經普及，且城市燃氣普及率逐年提高：燃氣的廣泛應用給人們的生產生活帶來了極大方便，然而當今世界災害性地震頻發，當地震致使管道破裂時，其后果將不堪設想．

以東京發生7．9級大地震為例，根據預測，特別區內將發生580起火災，其中因爐具起火的次數達到417次，占到了起火總次數的72%，燃氣泄漏當是罪魁禍首．

如能在管道未遭破壞之前就自動關閉管道閥門，則災害是可避免的．當前許多國家都開展了管道的監測和自動控制，美國已在地震多發區安裝了地震自動關閉閥門．目前，大部分的地震燃氣自動關閉裝置屬純機械化設計，存在須定期洗油保養，日久必須加油潤滑以降低零部件磨損，易被腐蝕，燃氣管道是否關閉不易辨別，誤差大等缺點，導致準確性不高，可靠使用壽命短;且管道的安全控制多使用電磁閥，在強地震時，一般電網癱瘓，無法進行控制;若引進國外的地震閥門，價格不菲，不易普及．

為此，開發了一種機電一體化的地震燃氣自動關閉裝置，該裝置具有結構簡單、價格低廉、易于操作等特點．利用傳感器快速、穩定、準確判斷破壞性地震，及時關閉燃氣管道以減少震后次生災害．

1 系統簡介

1．1 簡介

本系統為一種機電一體化的地震燃氣自動關閉裝置，由控制系統、電磁閥和電源系統組成．該裝置不僅可以快速有效感知破壞性地震信號，及時關閉燃氣管道，而且地震信號處理程序簡單且易于調整，復位操控快速簡潔，閥門開關狀態指示明確，可靠使用壽命長，無需定期維護便能穩定工作．

1．2 原理

圖1 系統原理框圖

如圖1所示的系統原理框圖中，(1)傳感器、(2)模數轉換芯片、(3)單片機、(4)繼電器順序電連接構成控制系統I，通過控制電磁閥II來控制燃氣管道的通斷;(7)充電器輸入接220V市電，12V輸出端與(6)電源模塊和(8)蓄電池相互連接構成電源系統III，從而保證斷電后系統仍能正常工作．傳感器、模數轉換芯片、單片機共同接電源系統的5V輸出端，充電器、繼電器、12V電磁閥順序接入繼電器輸出回路，系統工作指示燈則指示系統工作狀態．

系統工作時傳感器感知地震的發生，隨著振動強度的變化，傳感器改變輸出模擬電壓，模擬電壓經模數轉換芯片轉換成數字信號后又為單片機所處理，當地震振動達到設定烈度時，單片機控制繼電器關閉常開電磁閥，同時燃氣管道狀態指示燈亮(示關閉)．震后，只需按下系統復位按鍵即可重新打開燃氣管道．

3 系統硬件設計

3．1 電源系統的設計

本系統由充電器、鉛蓄電池、普通電源模塊構成，利用鉛蓄電池充電原理——電池和充電器同級相聯，充電電壓必須高于電池的總電動勢——可將電源系統設計成圖2的形式．

圖2 電源系統設計

如圖2所示，蓄電池正負極分別聯結充電器輸出端、電源模塊的正負極，同時蓄電池負極還與電磁閥負極相連，正極與繼電器一控制端聯結．電源模塊完成12V到5V電壓轉換，并直接為控制系統供電;充電器輸入為220V市電，12V輸出端聯結蓄電池．這樣就能保證市電接通時充電器給蓄電池充電直至電池飽和(兩者電動勢相等時)，斷電后蓄電池又能保證系統繼續正常工作．

3．2 控制系統的設計

如圖3控制系統由采樣電路、單片機最小系統、執行電路和接口電路組成．接口電路接入電源系統為控制系統供電，D2指示燈指示系統是否已通電工作，采樣電路實時采集振動數據并送模數轉換芯片轉換，單片機根據采樣送回的數據判斷是否有破壞性地震發生，若有則會控制執行電路斷開電磁閥，同時D2指示燈亮(示閥門關閉)．

圖3 控制系統的設計

3．2．1 采樣電路

此部分由MMA7260QT加速度傳感器、TLV1544模數轉換芯片構成，完成地震信息的采集．

(1)MMA7260QT是飛思卡爾半導體率先推出的業界第一款基于微機電系統(MEMS)的三軸高靈敏度加速度傳感器，它根據物件運動和方向改變輸出信號的電壓值．各軸的信號在不運動或不被重力作用的狀態下，其輸出為1．65V，如果沿著某一個方向活動，或者受到重力作用，輸出電壓就會根據其運動方向以及設定的傳感器靈敏度而改變其輸出電壓，與A/D轉換器配合使用單片機能讀取此輸出信號，就可以檢測其運動和方向．同時通過編程可實現1．5 g、2 g、4 g和6 g四種模式的選擇，不同應用的建議重力加速度級別不同，0．002～2g則較適合地應用于地震檢波器和地震開關．

如圖4為芯片的引腳圖：

圖4 MMA7260QT芯片引腳圖

1)g－Select1和g－Select2為傳感器靈敏度選擇引腳，其輸入電平有四種組合(00，01，10，11)分別對應于 1．5g，2g，4g，6g模式，這兩個引腳直接接單片機的I/O端口，本系統通過編程設定為2g模式用于地震檢測;

2)VDD和VSS分別接5V和地;

3)Sleep Mode為傳感器休眠與否選擇端，可直接與單片機接口，接低電平時芯片處于休眠模式，在本系統的應用中不需要應用休眠模式，就直接接高電平，因為在地震的監測過程中必須要求芯片時刻處于正常工作狀態;

4)Xout，Yout，Zout分別為 X，Y，Z 軸方向電壓輸出，接AD轉換器上三個模擬輸入端口，這三個引腳輸出的是隨振動烈度變化的模擬信號，通過AD轉換后便可獲得單片機能夠直接處理的數字信號;

(2)TLV1544是德州儀器公司(TI)的10位開關電容逐次逼近模數轉換器．每個芯片有一個芯片選擇端(CS)、輸入輸出時鐘端(I/O CLK)、串行數據輸入(DATA IN)和輸出端(DATA OUT)，四個模擬輸入通．在A/D轉換結束時，EOC引腳的輸出變為高電平，用于指示電平轉換已經完成，微處理器可從串行數據輸出端讀出數據．

如圖5為芯片的引腳圖：

圖5 TLV1544芯片引腳圖

本系統中該芯片與微處理器串行接口，INV CLK接高電平，當主機把CS拉低(有效)時，數據輸入、輸出和I/O時鐘有效．然后主機提供4位模擬通道的選通地址編碼(0000，0010，0100，0110 分別對應于選通 A0、A1、A2、A3 模擬輸入通道)［4］，在I/O時鐘的前4個上升沿將4位地址選通編碼送入芯片內部的寄存器．接下來的6個時鐘周期提供模擬輸入采樣控制時序，模擬輸入采樣結束后，在第10個I/O時鐘上升沿開始數據轉換，轉換結束后EOC輸出轉換結束信號(高電平)．接下來在新的讀寫周期內可進行下一次的采樣，同時微處理器也可從串行輸出端口讀出數據．如圖6為TLV1544的時序圖．

圖6 TLV1544芯片時序圖

2．2．2 單片機最小系統

此部分由STC89C52單片機、晶振、復位電路以及狀態指示燈等構成，用作系統的控制核心．

如圖3中，本系統采用經典的51單片機最小系統，主控芯片STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案;復位按鍵KEY2用以應對在惡劣的環境下可能出現程序“跑飛”的情況，按動KEY2便可實現單片機的復位操作，使程序從頭開始執行，同時當地震已經發生導致電磁閥關閉后，按動KEY2便可實現閥門的重新打開，實現簡單快捷的系統功能復位和重啟;LED發光二極管D2指示控制系統(單片機)正常工作．

2．2．3 執行電路

此部分由JQC－3F 05VDC－1ZS固體繼電器、三極管和狀態指示燈構成，用以實現對電磁閥的直接控制．

固態繼電器(Solid State Relay，縮寫SSR)，是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關．用隔離器件實現了控制端與負載端的隔離，固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載．它具有高壽命、高靈敏度、控制功率小，電磁兼容性好、快速轉換、電磁干擾小等眾多優點．

“要改變自己的命運就要有不服輸的精神，敢闖敢拼才會贏”。2010年，團場出臺了一系列優惠政策，鼓勵職工發展自營養殖，他辭職下海當年養雞12000只，成活率達到90%以上，種植的100畝棉花單產走在全團前列，當年實現純收入49萬元。他在團部購買了樓房，買了臺754播種機，為了兒子上學方便，買了小汽車。當年機車僅拉棉花和打桿兩項，實現純收入7.7萬元，種植棉花和養殖雞純收入達35萬元。

如圖3中，繼電器控制輸入端接單片機I/O口，控制端接12V電源和電磁閥，當單片機輸出高電平時，繼電器內部開關連通12V電源和電磁閥，此時電磁閥通電，閥門關閉;同時LED發光二極管D1亮，指示繼電器已經通電，閥門已經關閉．從而實現了單片機對電磁閥的實際性控制，以及閥門的通斷情況的明確指示．

2．2．4 接口電路

此部分由接插件構成，用于連接電源系統為系統供電．由于使用接插件，在實際應用中顯得非常靈活．

2．3 閥門的選用

電磁閥是用電磁控制的工業設備，用在工業控制系統中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數．電磁閥用電磁的效應進行控制，主要的控制方式是繼電器控制．這樣，電磁閥可以配合不同的電路來實現預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證．使用電磁閥主要有以下一些優勢：(1)外漏堵絕，內漏易控，使用安全;(2)系統簡單，便接控制系統，價格低謙;(3)動作快遞，功率微小，外形輕巧．

鑒于以上眾多優點，本系統選用電磁閥，當單片機使繼電器控制輸入端為高電平時，即連通了電磁閥和12V電源，電磁閥切斷燃氣管道;反之，電磁閥不工作而處于常開狀態．

3 系統軟件設計

本系統的軟件設計比較簡單，在程序開頭初始化后，整個程序也即對TLV1544芯片的讀寫操作及對繼電器的控制，運用keil uvision4軟件編寫單片機C程序，然后匯編鏈接生成單片機能夠使用的hex文件，調試通過后即可下載到單片機片內ROM中．

主程序流程圖如圖7所示，系統初始化包括設定地震閾值、初始化加速度傳感器，加速度傳感器初始化即將其工作模式設置為2g模式．地震信號采樣子程序即對TLV1544芯片的讀寫操作，圖6為TLV1544與微處理器接口時的時序圖，據此編寫TLV1544芯片的讀寫程序．

本系統程序代碼如下：

圖7 主程序流程圖

4 結論

從整個系統的結構和功能設計而言，該裝置具有操作簡捷，閥門開關狀態指示明確，無需長期維護便能快速穩定工作，可靠使用壽命長，價格低且量產周期短等優點，因而有很大的市場推廣前景．

［1］陳宏德，張寶紅．日本的地震火災對策［J］．國際地震動態，1994，(10)：22 ～25．

［2］楊學山，劉華泰，楊立志．一種自動地震煤氣關閉閥門的設計［J］．災害學，2009，24(3)：121～123

［3］駱開慶，肖化．A/D轉換芯片 TLV1544及其與 DSPTMS320VC5402 的接口設計［J］．現代電子技術，2003，24(167)：7～9．