一種具有遠程報警功能的可燃氣體濃度檢測裝置的制作方法

本實用新型涉及智能家居技術領域，具體涉及一種具有遠程報警功能的可燃氣體濃度檢測裝置。

背景技術：

目前很多家用燃氣泄露事故是因處理不及時造成，人們外出或睡眠時，戶主無法第一時間對報警信息做出響應，進而導致了一系列的人員安全財產損失，本設計采用無線網絡技術對甲烷濃度信息進行實時監測，將家用天然氣檢測報警器智能化，天然氣檢測報警器會將數據通過WIFI傳至云服務器，用戶通過聯網設備均可實時查看濃度信息，當甲烷濃度超過報警限時，服務器會主動向用戶手機推送報警信息，對燃氣泄漏事故及時做出預警，即使出現人不在家等情況，戶主也可以對家中險情提前進行應對，防患于未然，最大程度減小損失。

技術實現要素：

(一)解決的技術問題

本實用新型所要解決的技術問題是提供了一種具有遠程報警功能的可燃氣體濃度檢測裝置，以解決家中無人情況下因發生燃氣泄漏而導致的一系列危險事件，在測量過程中，超聲波作為傳感器不會與甲烷發生任何反應，相比于催化燃燒式傳感器有催化劑中毒等缺點，超聲波相位差法測量濃度的可靠性大大提高，其校正周期和使用壽命都遠遠大于其他類型的傳感器，具有非常廣泛的應用前景，其次，超聲波傳感器利用雙通道相位差法測量可燃氣體濃度，不受傳感器起振和余振限制，通過高速邏輯電路設計的檢相模塊，實現了高速、穩定的時間差檢測，提高了測量精度。

(二)技術方案

為實現以上目的，本實用新型通過以下技術方案予以實現：一種具有遠程報警功能的可燃氣體濃度檢測裝置，包括氣體測量腔(1)，超聲波驅動裝置(2)，信號處理電路(3)，檢相電路(4)，單片機系統(5)，聲光報警裝置(6)，溫度傳感器(7)，wifi通信模塊(8)，云平臺(9)，手機app(10)，電源裝置(11)；所述氣體測量腔(1)包含參考通道(101)和測量通道(102)，測量通道(102)包含一個進氣孔和一個出氣孔，所述超聲波驅動裝置(2)包含超聲波驅動電路(202)和超聲波發射探頭(201)，所述信號處理電路(3)包含超聲波接收探頭(301)高通濾波電路(302)和低通濾波電路(303)以及整形放大電路(304)，其特征在于氣體測量腔(1)連接超聲波驅動裝置(2)以及信號處理電路(3)，超聲波驅動裝置(2)與單片機系統(5)相連，信號處理電路(3)與檢相電路(4)相連，所述的檢相電路(4)主要使用單片機的PSMC模塊對兩路經過整形的信號進行檢相，所述單片機系統(5)主要接收處理檢相電路(4)傳來的信號，當收到異常信號時向聲光報警裝置(6)發出報警命令同時將檢測到濃度值數據傳送給wifi通信模塊(8)，報警裝置接收命令后發出警報，所述wifi通信模塊(8)將單片機系統(5)處理后的所有數據無改動的通過透傳模式發送給云平臺(9)，云平臺(9)將數據打包發送給手機app(10)，所述溫度傳感器(7)由于在測量過程中溫度對超聲波在氣體中傳播的速度影響很大，所以要進行溫度測量，便于對測量結果溫度補償，所述電源裝置(11)為單片機系統(5)供電。

進一步的，本專利所述的氣體測量腔(1)采用測量通道(102)和參考通道(101)的雙通道設計，巧妙地將超聲波速度差轉化為相位差，用測得的相位差變化來反映氣體濃度的變化，大大提高了測量精度，氣體測量腔示意圖如圖2所示，在參考通道(101)內部密封純凈的空氣，測量通道(102)則時刻與外界環境相通，兩個通道內各安裝有一對相同的超聲波探頭，發射探頭(201)由同一個方波信號驅動。由于兩個通道內傳播介質不同引起超聲波傳播速度不同，因此通過比較兩個通道超聲波傳播時間的差異，即兩路通道接收端(301)得到的正弦波信號的相位差以及信號處理電路對這兩路信號的處理就可以獲取待測環境中甲烷的濃度值。

進一步的，本專利所述的超聲波驅動裝置(2)采用方波驅動，單片機定時器A的PWM方式輸出40KHz、0-3.3V的方波信號，經放大電路處理后，獲得峰值為+5V，頻率為40KHz的方波驅動信號，超聲波驅動裝置(2)采用的驅動芯片能夠提供1.5A峰值電流的高速MOSFET驅動器，反相或同相單通道輸出能直接被TTL或CMOS邏輯所控制(3V到18V)，低貫通電流、匹配的上升和下降時間以及短傳播延遲也是這些器件的特色，非常適合高開光頻率應用，在開和關的狀態下，它提供了足夠低的阻抗，從而確保即使在發生大的瞬態事件時，MOSFET的預期狀態也不會有影響。

進一步的，由于本專利所述的超聲波接收探頭(301)接收到的信號幅值較小不便于處理，則要采用高通濾波電路(302)低通濾波電路(3-2)及整形放大電路(3-4)先將信號的雜波干擾濾除并對其放大，以方便后續電路的處理，信號整形放大電路(3-4)是把接收探頭(301)接收到的正弦波信號再變換成為方波信號并放大，為檢測兩路信號的相位差做準備，檢相電路(4)直接關系到最后的測量結果，這里將相位差變為電壓值，輸出到單片機模數轉換端口，通過把模擬信號轉換為數字信號來進行濃度值的計算。

進一步的，本專利所述的檢相電路(4)主要使用單片機的PSMC模塊對兩路經過整形的信號進行檢相，可編程開關模式控制器(PSMC)是一種高性能的脈寬調制器，經過處理后的兩路信號分別接入單片機中作為觸發PWM的上升沿事件和下降沿事件，通過軟件編程，可以方便快捷的檢測出占空比獲知相位差。

進一步的，本專利所述的云平臺(9)選擇氦氪云提供的免費云平臺，其響應速度快，數據傳送方便，同時省去編寫post和get請求的步驟只需要登陸密鑰以及用戶名即可通過wifi模塊中的函數將數據無改動的傳至云平臺。

進一步的，本專利所述的手機app(10)使用E4A中文編輯軟件編寫，其編寫語言相比于當下流行的java及C語言更為簡潔便于開發，同時app具有狀態欄報警提示以及wifi登錄功能，在發生異常時手機只要連接到wifi網絡便可接收到狀態欄發出的報警信息。

(三)有益效果

本檢測儀的成功研制，解決了傳統檢測方法的普遍存在的問題，實現了甲烷高精度、低功耗、低成本檢測，同時，檢測模塊與物聯網結合，數據聯網，手機端實時監控，符合人們對智能化生活的要求，此外，由于本系統的敏感元件工作于常溫狀態，具有可達1年連續工作的長期穩定性，在市場上具有極大的競爭力和廣闊的發展前景。

附圖說明

圖1為本實用新型的工作流程示意圖；

圖2為本實用新型氣體測量腔的結構示意圖；

圖3為本實用新型信號處理電路；

圖4為本實用新型PSMC模塊工作波形。

具體實施方式

為使本實用新型實施的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚，完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例，基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。

如圖1～圖4所示，其結構關系為：氣體測量腔(1)，超聲波驅動裝置(2)，信號處理電路(3)，檢相電路(4)，單片機系統(5)，聲光報警裝置(6)，溫度傳感器(7)，wifi通信模塊(8)，云平臺(9)，手機app(10)，電源裝置(11)；所述氣體測量腔(1)包含，參考通道(101)和測量通道(102)，在參考通道(101)內部密封純凈的空氣，測量通道(102)則時刻與外界環境相通，兩個通道內各安裝有一對相同的超聲波發射探頭(201)，發射探頭(201)由同一個方波信號驅動，由于兩個通道內傳播介質不同引起超聲波傳播速度不同，因此通過比較兩個通道超聲波傳播時間的差異，即兩路通道接收端得到的正弦波信號的相位差就可以獲取待測環境中可燃氣體的濃度值，其測量原理具體為：本專利采用的是檢相式超聲波測量法，這種檢測法的基礎是時間差法，具體的是當超聲波在一定濃度中的氣體傳播時與超聲波在空氣中傳播時的速度不同，當傳播的距離相同，則兩者的傳播時間不同，時間差就反映為被測氣體的濃度，由于對于時間差的直接測量的精度不夠高，這里將時間差轉化為相位差來檢測，滿足了氣體濃度檢測的精度要求，本專利對超聲波在氣體中傳播時影響其傳播速度的因素進行分析，確立聲速，相位差，溫度和氣體濃度的數學關系式，配置兩組完全相同的超聲波發射和接收傳感探頭，且兩組接發探頭的間距都為L，但在這里的間距L會因為機械結構尺寸和安裝問題可能帶來定位誤差，且探頭的配置形式對于信號的處理有較大影響，所以此誤差不能忽略，

設環境溫度為T，超聲波在空氣中傳播速度為C_t，在待測氣體中的傳播速度為C_tx，待測氣體的濃度為x，則有下列公式成立：

公式中C₀為0℃時超聲波在空氣中的傳播速度，K₁為超聲波在空氣中的溫度系數，K₂為待測氣體的濃度比例系數，數值在0～1間，則有下式成立：

其中t₁和t₂分別為超聲波在待測氣體和空氣中傳播距離L所用的時間，L為發射探頭與接收探頭之間的距離，ΔL兩路超聲波傳播距離的偏差，所以有：

根據其中為兩路接收信號的相位差，f為超聲波發射的中心頻率，依據測量得到的相位差計算出氣體的濃度x，

令則有：

即推出氣體濃度：

氣體濃度進行標定時：

當標定0點濃度時，即x＝0，T＝T₀，θ＝θ₀則：

ΔL＝-θ₀C₀(1+K₁T₀) (1-6)

當標定濃度為x₁時，即x＝x₁，T＝T₁，θ＝θ₁則：

將上述兩式整體代入到公式(1-5)中即可得到：

其中K₁、T₀、T₁、x₁、θ₁、θ₀為已知量，則可以得出氣體濃度x和相位差及環境溫度T有關，只需測量得出當前的環境溫度T，并由設計的檢相電路得到相位差就可通過代入公式(1-8)計算出當前待測氣體濃度值x，這種計算方法計算簡便，數據處理及軟件編程容易，直接采用相位差測量，提高了測量精度。

所述的超聲波驅動裝置(2)包含超聲波驅動電路(202)和發射探頭(201)，對于超聲波發射探頭(201)可以采取方波信號或正弦波信號方式驅動，經調試發現用MCP1415驅動時，接收端信號更穩定，MCP1415器件是能夠提供1.5A峰值電流的高速MOSFET驅動器，反相或同相單通道輸出能直接被TTL或CMOS邏輯所控制(3V到18V)，較低的貫通電流、具有匹配的上升和下降時間以及短傳播延遲也是這一器件的特色，非常適合高開關頻率應用，在開和關的狀態下，它提供了足夠低的阻抗，從而確保即使在發生大的瞬態事件時，MOSFET的預期狀態也不會有影響，本專利采用方波驅動，由單片機定時器A的PWM方式輸出40KHz，0-3.3V的方波信號，經MCP1415芯片后獲得峰值為+5V頻率為40KHz的方波驅動信號。

所述的信號處理電路(3)包含超聲波接收探頭(301)，高通濾波電路(302)，低通濾波電路(303)，及整形放大電路(304)，測量過程中驅動裝置(2)通電后由發射探頭(201)發出方波信號經氣體測量腔(1)后由接收探頭(301)接收信號，由于超聲波接收探頭(301)接收到的信號幅值較小不便于處理，則要采用高通濾波電路(302)低通濾波電路(303)先將信號的雜波干擾濾除，以方便后續電路的處理，如圖3所示，高通濾波電路由C₄和R₃構成，低通濾波電路由R₄和C₅構成，放大整形電路由放大器、R₆和C₆構成，信號整形放大電路(304)是把傳輸來的正弦波信號再變換成為方波信號并放大，為檢測兩路信號的相位差做準備，由于超聲波探頭屬于容抗器件，會存儲電壓，因此使用電阻R₂來釋壓。

所述的檢相電路(4)主要使用單片機的PSMC模塊對兩路經過整形的信號進行檢相，可編程開關模式控制器(PSMC)是一種高性能的脈寬調制器，經過處理后的兩路信號分別接入單片機中作為觸發PWM的上升沿事件和下降沿事件，通過軟件編程，可以方便快捷的檢測出占空比獲知相位差。

所述的聲光報警裝置(6)與單片機系統(5)連接，當有異常信號時，單片機系統(5)向聲光報警裝置(6)發出報警命令，聲光報警裝置(6)接收到命令后發出警報，提示用戶有一場情況發生。

所述溫度傳感器(7)主要對當前環境的溫度進行測量，由于在測量過程中溫度對超聲波在氣體中傳播的速度影響很大，所以要進行溫度測量，便于對測量結果做溫度補償。

所述的云平臺(9)選擇氦氪云提供的免費云平臺，其響應速度快，數據傳送方便，同時省去編寫post和get請求的步驟只需要登陸密鑰以及用戶名即可通過wifi模塊中的函數將數據無改動的傳至云平臺。

所述的手機app(10)使用E4A中文編輯軟件編寫，其編寫語言相比于當下流行的java及C語言更為簡潔便于開發，同時app具有狀態欄報警提示以及wifi登錄功能，在發生異常時手機只要連接到wifi網絡便可及時發出收到報警。

以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。