室内智能燃气防护装置设计

第1章前言1.1研究背景和意义伴随科技的提高和国民经济的快速发展，虽然传统燃料已经逐渐淡出了人们生活但是罐装燃气以及管道燃气已经成为了我国居民主要采用的一种燃料。由于罐装燃气具有安全、可靠、卫生等特点，因此受到了广大用户的青睐。目前罐装燃气及管道燃气在住宅区，宾馆，饭店，公寓等场所得到了广泛应用。这些燃气都具有易燃性、易爆性，一旦发生火灾就会引起爆炸或中毒事故。尽管它是一种方便、经济、环保的燃气，但是因为在使用燃气过程中经常存在管道泄漏、开关松动、液体泄漏等不良情况，所以曾经出现过许多严重影响生命和财产的事故REF_Ref27176\r\h[1]。由于燃气主要成份为甲烷，属易燃气体，一旦漏气发生了，会很容易与人体内的血红蛋白结合。当气体泄漏时，人最初感到头痛、头晕、恶心、呕吐和虚弱。当他们意识到自己接触到毒物时，往往会下床并试图打开门窗，但通常只有少数人能够打开，大多数病人很快陷入抽搐和昏迷，两颊、额头和嘴唇的皮肤慢慢变成红，如果不及时治疗，他们会因呼吸抑制而迅速死亡。近年来，随着工业的发展，对自动化设备的要求也越来越高。燃气是人类生产生活的重要能源，由于其热能含量高，对环境影响小，正变得越来越受欢迎。现国家和城市基础设施的重要组成部分之一就是天然气供应，它对于人民的经济建设和生活具有非常重要的作用。由于西气东输、全国供暖等各种政策的出台，天然气的需求逐渐增加，特别是国有大型天然气管道的铺设，对天然气行业的发展是一个很好的机遇。中国城市化的发展和餐饮业的快速发展，带动了燃气及燃气装置行业的发展REF_Ref27453\r\h[2]。燃气的日益普及会影响到人们的生活安全，包括物业小区、工厂、商店以及酒店和服务行业。而今火灾也发生在世界各地，统计数据显示，虽然发达国家和发展中国家的火灾数量都很高，但发达国家和地区的火灾受害者人数相对较少，这与发达国家先进的燃气安全功能直接相关REF_Ref27525\r\h[3]。燃气作为城市居民们生活的主要燃料，我们的生活离不开它的帮助。可燃气泄漏所造成的安全隐患，也绝对不容我们所忽视REF_Ref27633\r\h[4]。在室内如果发生天然气泄漏房屋内的人不知道发生了燃气泄露无意使用了打火机或开关电源将会引起火花会危及生命和财产。燃气泄漏导致的火灾、爆炸事故将直接导致重大人员伤亡、财产损失。2019年1月12日上午9点，法国巴黎第九区发生强烈的燃气爆炸，一条街上的多间房屋被损坏。这次爆炸是由煤气泄漏引起的，造成4名消防员死亡，49人受伤，其中9人情况危急。2022年7月31日深夜，中国台湾高雄市旧镇区的街道发生了一系列可燃气体泄漏事件，引起了几次大爆炸。根据最后统计，有22人死亡，包括4名消防员并有270人受伤。正如这些爆炸所显示的，由于燃气管道内有大量的气体，燃气爆炸的威力巨大。会成严重影响人们的生命财产安全。鉴于以上所述，设计一款新型的室内智能燃气防护装置，检测到燃气泄漏时自动处理并准确接收到预警信息，本设备对于提高燃气使用安全可靠性具有十分重要的意义REF_Ref27741\r\h[5]。可在很大程度上降低灾情的发生，保护人民生命财产的安全。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状早在20世纪70年代初，中国就开始研究湿度、温度、红外辐射等传感器，开发可燃气体报警器，近年来，随着社会的快速发展和人民生活水平的提高，中国进一步推广使用燃气，随着2004年西气东输工程的建成和全面运行，中国的燃气事业取得了长足发展。该项目于2004年竣工，全线的投入，进一步推动了天然气的使用，取得了长足发展。然而，由损坏的燃气设备引起的燃气泄漏和燃气用户对燃气的不当处理对人们的生命和财产造成了极大的威胁。而智能燃气防护装置可以确定是否发生了气体泄漏。为了防止紧急情况的发生，对报警系统的需求很大REF_Ref27849\r\h[6]。它们旨在对危险或可燃气体泄漏造成的中毒、意识丧失和火灾提供及时警告。现有的大型集群的监测系统技术先进，但价格昂贵，需要特殊的空间和管理，而且还不完善，难以为广大用户所使用。燃气防护设备的发展不再像过去那样是简单的报警系统，现在内容涉及计算机技术，电子技术，自动控制技术，以及传感器的应用等多个专业方面REF_Ref27956\r\h[7]。全球天然气工业起源于以煤为燃料的城市燃气工业，可以追溯到自200年前，20世纪以来，天然气来源模式逐渐发生了变化，天然气迅速发展，渐渐地成为世界上许多国家的传统能源选择。很多欧洲国家，如美国、俄罗斯和法国，占世界天然气消费的大部分，并在天然气技术方面领先世界。我国的燃气行业与美国和俄国等发达国家相比整体的发展水平有些落后，同时也面临巨大的燃气防护压力。1.2.2国外研究现状国外对气体探测器的研究已经进行了数年，传感器技术的整合使得气体探测器的体积越来越小。20世纪40年代，瑞士西伯乐斯公司开发出了感烟火灾探测器，50年代，经研发新的感烟火灾探测器问世，在原有火灾探测器的基础功能进行改进。在不同的情况下会出现不同的气体，这就需要使用传感器，而传感器是研究和开发能够检测不同气体装置的方向REF_Ref28201\r\h[8]。气体传感器的普及程度远远高于中国，国外也非常重视传感器的创新、研发和应用，并计划开发新的工业用途产品。同时，在欧洲国家，城镇燃气供应中的煤制气几乎已经停止使用，并被天然气取代。天然气网络主要包括输配系统（压力控制、峰值平衡）和输配。随着城镇供气的发展，用气量的增加，用户的增多，以及确保安全的重要性，由于燃气使用不当等因素，造成了燃气爆炸事故REF_Ref28293\r\h[9]。气体报警控制器在其他国家已经成为了较为成熟的一种装置，因为首先创制气体报警器的是日本，至今已有50余年的历史。因此，就研制与气体发生化学反应的零件而言，或者在气体报警器的探测性能方面，日本都走在世界的前列。日本政府和制造商正在推广使用气体泄漏报警器，与欧洲、美国和其他发达国家相比，日本的气体泄漏和爆炸事故非常少。其国内应用早在1980年1月，日本就颁布了一项法令，要求在家庭、旅馆和住宅区配备煤气和液化石油气报警器，1986年5月，又制定了推广安全装置的基本准则REF_Ref28400\r\h[10]。国外的气体传感器技术发展很快，据有关数据，美国有16个州的法律要求家庭和家庭条款安装气体泄漏报警器。近年来，由于科学技术的不断提高和发展，国家投入巨额资金研究和开发天然气技术，取得了显著的成果。整个天然气行业的技术发展正朝着智能化和网络化方向发展，提高能源效率，确保天然气的安全使用，提高生产力并降低污染物排放REF_Ref28551\r\h[11]。1.3研究内容及方法综上所述，国内外对于智能燃气防护装置主要集中在燃气报警方面，但是在燃气报警后自动处理、处理装置断电等方面研究不够深入。此次设计的主要任务就是制作出一种新型的报警器并室内智能燃气防护装置采用STM32单片机控制。当燃气出现泄漏且空气中浓度达到或者大于设定值后，传感器检测电路投入运行，电路内气体传感器检测出泄漏燃气并生成信号输入单片机，再通过单片机控制液晶显示屏将当前浓度值和窗户状态显示出来，并且将该数值和设定值比对，如果达到或者大于该设定值，控制报警电路发出蜂鸣器警报，继电器模拟的窗户自动开窗，同时通过手机app显示报警与窗户打开状态。系统设置了备用电池供电，在停电时会启用被动电源从系统功能需求出发，运用模块化设计思想将其划分为STM32单片机控制模块、传感器检测模块蜂鸣器模块、显示屏模块、蓝牙模块、继电器模块以及锂电池充电模块。针对以上部分，将对各个部分装置的设计方案、硬件电路和软件设计原理、及各个部分之间的关系以及程序的设计作出详细说明。由此概括出本文的主要组织结构：1、前言。在分析国内外发展现状和现存问题的基础上，提出了一种新型的室内智能燃气防护装置设计。2、系统功能与工作原理。详细介绍系统装置的组成。对各模块的工作原理进行了概括的描述。3、系统硬件设计。室内智能燃气防护装置的核心器件价绍。对每个模块的原理、功能以及电路设计进行详细介绍。4、系统软件设计及分析。介绍了室内智能燃气防护装置软件设计的整体思路，对监测系统进行了详细介绍。5、研究成果展示。对室内智能燃气防护装置设计的功能进行了展示。6、结论。对设计的主要工作进行概述，对设计的不足进行说明以及今后的研究方向进行展望。

第2章系统功能与工作原理2.1系统功能该系统结构如图2.1所示.系统由STM32单片机、蓝牙模块、mq系列传感器、蜂鸣器、锂离子电池tc4056、继电器模块、OLED显示屏等组成。OLEDOLED蜂鸣器继电器模块蓝牙模块MQ9电池STM32图2.1系统结构图该设备正常运行期间，燃气漏入空气后，启动传感器检测电路，线路内气体传感器探测燃气漏入，生成与燃气浓度呈线性关系的电压信号发送给单片机，经单片机内自带A/D转换器转换成数字信号，再由单片机控制液晶会屏显示出当前浓度值和窗户状态，并与设定值相比较，如果达到或者大于设定值，控制报警电路向蜂鸣器发出报警，继电器模拟的窗户自动开窗，同时通过手机app显示报警与窗户打开状态。系统设置了备用电池供电，在停电时会启用被动电源REF_Ref28740\r\h[12]REF_Ref28825\r\h[13]。2.2系统工作原理根据系统的功能需求,运用模块化设计思想将其划分为STM32单片机控制模块、传感器检测模块、蜂鸣器模块、显示屏模块、蓝牙模块、继电器模块以及锂电池充电模块REF_Ref29063\r\h[14]。其中传感器检测模块由MQ-9系列传感器组成，可对空气中甲烷浓度进行实时测试，并将测试信号发送给单片机处理，蜂鸣器模块：该设备当检测出空气中燃气浓度到达或高于设定值后蜂鸣器报警。显示屏模块：选择OLED显示屏来显示相关数据。蓝牙模块：采用蓝牙模块BT04-E通过连接手机APP显示数据状态，继电器模块：选择继电器来模拟窗户的自动打开。锂电池充电模块：核心组成是TP4056芯片，停电时启动锂电池充电REF_Ref17501\r\h[15]。

第3章系统硬件设计3.1单片机控制模块该系统使用STM32F103C6T6A单片机，它是ST微电子公司发布的32位ARMCortex-M3单片机，具有高性能，低功耗等特点。芯片采用40nm的工艺技术，最高主频为72MHz，并且集成了256KB的闪存和32KB的SRAM。该芯片同时也集成了许多外设模块，如ADC、DAC、USB、RTC、CAN、I2C、SPI等，满足不同应用场景的需求。该芯片具有低功耗和高实时性的特点，支持多种低功耗待机和休眠模式，适用于需要长时间运行并且需要节省能源的应用。此外，STM32F103C6T6A还具有多种安全保护机制，如独立看门狗、硬件加密和内置CRC来保护系统的安全性。总之，STM32F103C6T6A具备高性能、低功耗、丰富的外设功能和多种安全保护机制等特点，是一款非常适合使用的单片机芯片。3.1.1STM32F103C6T6A单片机功能介绍表3.1STM32F103C6T6A单片机性能特点序号单片机特点1ARM32位Cortex-M3CPU内核2单周期乘法和硬件除法32V至3.6V应用电源和I/O(时钟，复位和电源管理)4POR，PDR和可编程电压检测器(PVD)54至16MHz晶体振荡器6串行线调试（SWD）与JTAG接口，并提供睡眠、停止、待机模式77chDMA控制器8多达51个快速I/O端口9CRC计算单元，96位唯一ID102个12位，1µsA/D转换器(最多16个通道)3.1.2单片机最小系统一般来说，单片机最小系统，指的是通过将单片机与最基本的外围电路（如晶体振荡器、电容、电阻等）相结合，构建起用于控制或监测等应用的完整电路系统。单片机最小系统通常由三部分组成：1.单片机芯片：包含内核、存储器、输入输出（I/O）、定时器、计数器等基本组件，是实现控制、处理、数据存储等功能的核心部分。2.晶振电路：用于提供单片机运行的时钟信号，一般常用振荡频率为4MHz、8MHz、12MHz等，由晶振、两个电容和两个限流电阻组成。3.复位电路：用于复位单片机，包含复位按钮和电容等元器件，用于保证系统在开机、中途操作失误等情况下能够正常工作。单片机最小系统构成简单，成本低，适用于一些简单应用场合，如LED控制、温度监测、电压测量等。但其功能单一、扩展性较差，对于一些要求比较高的应用场合，需要添加更多的外围电路以提供更多的功能。STM32单片机由ARMCORTRXM3、总线矩阵、外设组成，I/O口可方便的与其他的电路连接单片机开发板能够做哪些事情可由自己控制。图3.1单片机最小系统3.2传感器模块MQ-9传感器是一种用于检测可燃气体（如天然气、液化石油气等）浓度的传感器。它基于化学反应的原理，使用电化学气敏元件来测量气体浓度。MQ-9传感器由一个加热器和一个气敏元件组成。加热器用于将气体加热至一定温度，使其与气敏元件发生化学反应，同时使气敏元件快速响应并输出一个电信号。这个电信号经过放大和滤波处理，最终可以转换为一个数字信号，在微处理器等设备上进行处理和显示。由于其高灵敏度、快速响应和简单操作等特点，MQ-9传感器广泛应用于燃气检测、工业生产等领域。该传感器包括陶瓷管，敏感层，测量电极和加热器。该传感器有六个针状管脚，供信号取出，还有四个另两个供加热电流，气敏元件敏感层为MQ—9,敏感层为极稳定二氧化锡。传感器对于不同气体的电阻值亦不相同，因此采用该型气体流量计时需进行灵敏度调节。建议使用200ppmC0、1000ppmLPG、5000ppm甲烷校正传感器。设报警点装传感器，一定要考虑温度、湿度等。同时，也需要注意其灵敏度较高，使用时要避免误操作和误判。适用于一氧化碳，气体，液化石油气等气体的检测。该传感器在探测气体燃气泄漏后，其电导率随空气中气体浓度升高而升高，传感器上安装有可把电导率变化转化为对应气体浓度输出信号的电路。表3.2MQ-9气体传感器部件说明表序号部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍洛合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝（AL2O3）6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）3.2.1传感器模块电路设计该系统选择MQ-9型传感器为燃气信号采集装置，其第一管脚接电源正极（+5V），第二管脚接地，当传感器探测到有燃气存在于空中信号通过第4管脚与STM32F103C6T6A单片机的PA0口连接REF_Ref29452\r\h[16]。具体电路连接如图3.2所示：图3.2气体传感器模块电路3.3蜂鸣器模块蜂鸣器模块是一种用于发出声音信号的电子模块。它是由振荡器、驱动器和音腔等部分组成的。通过外部信号控制它发出不同的频率和持续时间的声音。本设计选用了有源蜂鸣器，具有内置电路和振荡器来产生声音。有源蜂鸣器需要外部的信号控制以发出声音，其控制方式包括不同的频率、占空比和时间等。有源蜂鸣器的优点包括：1.发声时声音较大，音频输出比被动式蜂鸣器更高。2.有源蜂鸣器可以直接使用微控制器或其他数字电路控制，简单易用。3.有源蜂鸣器的体积相对被动式蜂鸣器较小，可以适应更多的应用场景。有源蜂鸣器的缺点是：1.需要外部的控制信号，不能独立工作。2.由于声音较大，需要一些控制电路进行保护，以避免损坏电路。3.有源蜂鸣器的稳定性可以受到外界干扰的影响，需要一些噪声抑制电路来保持稳定的输出信号。3.3.1蜂鸣器模块电路设计蜂鸣器的Q1与电源正极（+5V）相连，P1与STM32F103C6T6A单片机的PB13口连接。当空气中存在燃气时，5V电压产生的电流通过蜂鸣器流向地端，蜂鸣器响。具体电路连接如图3.3所示：图3.3蜂鸣器模块电路图3.4蓝牙模块系统使用蓝牙模块BT04-E采用了上海博通BK3432芯片，支持SPPV3.0+BLEV4.2蓝牙协议。在AT指令支持下，用户可以按需改变串口波特率，设备名称和其他参数，用法较为便捷。模块支持UART、SPI、I2C等接口，支持IO口控制和ADC的采集，模块优点是成本低、功耗低、接收灵敏度高等，把设备以极低的成本、极快的速度加入物联网，使设备更具有灵活性。3.4.1蓝牙模块电路设计蓝牙模块的第一管脚与电源正极（+5V）相连，第2管脚接地，第3管脚与第4管脚分别连接STM32F103C6T6A单片机的PA10口与PA9口。打开手机APP进行搜索连接，连接上模块后可以进行数据传输。具体电路连接如图3.4所示：图3.4蓝牙模块电路图3.5锂电池充电模块锂离子电池的主要功能是通过调节电源电压和电流来为锂电池充电，并在充电完成后停止充电。锂电池充电模块通常由一个充电管理芯片、电流限制电路、电压稳压电路等部分组成。锂电池充电模块的主要用途是为锂离子电池、锂聚合物电池等类型的锂电池充电。它可以根据锂电池的特定参数来调节充电电流和电压，以保证充电效率和安全性。同时，锂电池充电模块还可以提供过流、过压和欠压保护，防止电池在充电过程中受到损坏。首先，充电管理芯片会读取锂电池的参数并计算出合适的充电电流和电压。然后将充电电流通过电流限制电路限制到合适的电流值，并通过电压稳压电路来获得合适的充电电压。充电完成后，充电管理芯片会自动停止充电以保证电池安全。系统采用锂电池充电模块TP4056,可以通过调节充电电流和充电电压来为锂电池充电，并提供过充和过充电保护等安全措施。TP4056芯片有小巧的封装、高充电效率和稳定性高等特点，非常适合用于智能手表、智能穿戴设备、智能家居等小型的电子设备中。TP4056芯片通常与一些外部元件一起配合使用，形成一种完整的锂电池充电模块。这些外部元件可能包括一个锂电池保护芯片、一个二极管、一个电感元件等等。锂电池充电模块的输出端接有一些负载电路和电压指示电路，以便实现对锂电池的充电和使用。TP4056芯片具有一些有用的功能，包括：1.可对充电电流进行调节，具有0.1A、0.2A、0.3A的充电电流输出选择。2.具有过充和过充电保护功能，可防止电池充电过程中受到过电荷的损害。3.具有自动停止充电保护功能，可防止电池充满后仍然继续充电。4.具有短路保护功能，可在输出端短路时保护电池充电电路。TP4056芯片具有操作简单、维护方便等优点，在小型电子设备中得到了广泛应用。3.5.1锂电池充电模块电路设计TP4056是一种常用的锂电池充放电管理芯片，通常用于手机、平板电脑、数码相机、电子烟等小型电子设备中。下面是TP4056芯片的引脚介绍：1.BAT+：正极接口，连接锂电池的正极。2.BAT-：负极接口，连接锂电池的负极。3.IN+：电源输入正极接口，可接入5V至8VDC电源输入。4.IN-：电源输入负极接口。5.OUT+：输出正极接口，可用于输出电流小于或等于1A的电流。6.OUT-：输出负极接口。7.PROG：充电电流调节引脚，通过连接一个电阻器实现对充电电流的调整。8.GND：接地引脚。TP4056芯片的电源输入电压范围为5V至8V，充电电流可通过连接一个设置电阻器来调整，通常充电电流选择值为1A或其他小于1A的值。在使用TP4056芯片时，需要在BAT+和BAT-连接锂电池，并在IN+和IN-接入外部电源，通过接入一个电阻器来调整电流。然后再将OUT+和OUT-连接到需要供电的负载设备上即可。图3.5锂电池充电模块电路图3.6显示模块系统采用SSD1306-OLED显示屏，SSD1306是一种单色（一般为白色或蓝色），驱动电压低（3V或5V），内置控制器并适合用于小型物联网设备或便携设备的OLED显示屏模块。SSD1306-OLED显示屏通常采用I2C通信协议，其分辨率较低（通常是128x64或128x32），但能够实现图形和文字的快速呈现，且既能够在室内又能够在室外使用。SSD1306-OLED显示屏模块具有功耗低、响应速度快、颜色和亮度良好等优点，常被用于产品原型设计、DIY电子、家居自动化和智能家居等领域。3.6.1显示模块电路设计显示模块OLED显示屏有四个引脚，VDD与电源正极（+3.3V）相连，GND为接地SDA(数据线)和SCK(时钟线)与STM32F103C6T6A单片机的PB8口与PB9口连接。单片机传递信号到显示模块可实时显示燃气浓度与窗户的开关状态REF_Ref29576\r\h[17]。具体电路连接如图3.6所示：图3.6显示模块电路图3.7继电器模块继电器模块是一种电子模块，通常是由一个继电器和相关电路元件组成。继电器是一种可以控制高电压、高电流电路的电子开关，通常用于控制电机、灯光、电器等之间的开关或转换。继电器模块主要组成部分包括继电器、触发电路、稳压电路、滤波电路、电源电路等。其中继电器模块的核心就是继电器，它通常由一个线圈、一个触点组成。线圈可以通过在其上施加一段时间的电流来引起其电磁场的产生，使得触点的开关状态发生变化。继电器模块的触发电路负责对继电器进行控制，通常使用信号输入触发器，例如晶体管、电阻、电容等。继电器模块通常用于高电压、高电流的应用中，例如控制家庭电器开关、控制工业制造机械等。其可靠性和安全性都要高于普通的电子开关，因为继电器的触点是隔离的，可以将高、低电压电路进行隔离来防止电路之间的干扰和交叉污染。继电器模块的优点包括控制精度高、稳定性好、安全性高、可靠性强、适用范围广，可广泛应用于各种电气控制系统中。其缺点是需要占用较大的空间，成本也较高。一些新型的继电器模块正逐渐发展，如固态继电器、MOSFET控制器等，这些模块具有更小巧的尺寸、更高的集成度、更低的功耗和更高的可靠性，正逐渐取代传统的继电器模块。3.7.1继电器模块电路设计继电器模块的结构由控制电路和继电器以及外部接口组成，主要作用就是可以通过小电流来控制大电流，第1管脚与PB12相连最后接地，第2管脚和电源正极（+5V）相连，在系统中选择继电器来模拟燃气泄漏时，窗户的打开与关闭状态。图3.7继电器模块电路

第4章系统软件设计及分析4.1系统软件设计流程图初始化初始化开始打开窗户关闭窗户打开蜂鸣器串口输出关闭蜂鸣器浓度超标否是图4.1系统主程序流程图从上面可以看出总流程包括每个子模块，调试程序过程中可以先对每个子模块进行调试，整体调试时。本论文主要实现了对燃气检测报警器的硬件电路和软件编程两部分内容的研究与开发。整个软件系统设计思想是：在系统启动后，先初始化各个功能模块，然后气体传感器启动对燃气浓度信号进行采集，并通过单片机输入到LED液晶显示屏上。随后根据检测到的信息计算出需要调节的参数和对应的电压电流等数值后送至单片机中。主程序运行过程中单片机将做出判断，判断结果为“是”,系统将进入浓度检测值的设置状态，并持续读取气体传感器所采集到的信息，如果达到或者大于设定值则窗户将自动开启，也就是继电器开始工作，系统发出警报同时手机APP中蓝牙显示出来，断电后锂电池开始充电，从而完成了整个设计需求REF_Ref29690\r\h[18]。4.2传感器软件设计程序的执行过程中收到信号单片机将做出判断，判断结果为“是”,系统将进入浓度检测值的设置状态。当设定值满足设定要求时将其保存起来，否则需要重设，设定值有效区间是3位。具体流程如下：初始化初始化开始保存结束是否接收到信号输入是否正确否是是否图4.2传感器软件流程图4.3继电器软件设计继电器软件设计如图所示：开始开始初始化继电器吸合是否有低电平信号二极管点亮结束是否图4.3继电器软件流程图4.4蜂鸣器软件设计蜂鸣器软件设计如图所示：开始开始结束初始化直流电压发出警报图4.4蜂鸣器软件流程图4.5锂电池软件设计锂电池软件设计如图所示：开始开始结束是否有断电信号初始化否是电池上电指示灯点亮图4.5锂电池软件流程图4.6显示屏系统软件设计显示屏软件设计如图所示：结束结束延时液晶初始化化发送数据发送指令图4.6显示屏软件流程图4.7系统软件调试分析在Keil环境下，对该系统进行了软件编写与调试。Keil调试是一种非常常用的嵌入式系统调试工具，在开发嵌入式软件时，Keil调试具有以下优点：1.全面且深入：Keil调试工具可在编译后生成非常详细的调试信息，使开发人员能够针对每一行代码进行调试和优化，找到潜在的程序错误。2.低级的硬件访问：Keil调试工具可以通过调试端口与微处理器进行连接，并以最佳方式检测芯片中的每个寄存器、内存单元和IO口，以帮助开发者了解微处理器中的硬件特性。3.强大的跟踪能力：Keil调试工具可以设置断点，监视变量、内存和寄存器，以了解程序执行的每个阶段，并能够对程序执行过程中的内存单元和寄存器进行跟踪。4.模拟器支持：Keil调试工具自带仿真器支持，可以在计算机上进行仿真和调试，无需硬件设备即可完成嵌入式系统的调试和开发。5.良好的集成：Keil调试工具与KeilMDK整合度高，支持在KeilMDK的环境中进行调试，在程序开发过程中无需切换多个工具即可完成各项任务。综上所述，Keil调试工具具有全面、深入、低级的硬件访问、强大的函数跟踪能力、模拟器支持和良好的集成等优点，可以大大提高嵌入式软件的开发效率和程序的质量，普及率也比较广泛。先根据各模块功能需求及工作流程绘制出程序流程图，再按照流程图与系统硬件连接情况进行各功能模块进程程序的编制，要合理分配单片机的引脚；系统中断时不能调用子程序；为了提高系统运行的可靠性可采用必要的软件抗干扰措施；然后调试和运行每个子程序模块，看能否实现它的功能。最后，完成了各子程序模块的总体软件调试工作。子程序被调用后寄存器组无法复用；对内存变量的修改必须与系统无关等。各项参数应保持一致；对程序运行中出现的错误，可以通过修改或重新编写代码来避免。在输入中断时，需要注意入栈保护寄存器的内容和参数；通过对软件的分析，可以发现该系统具有良好的可扩展性和稳定性，并能有效地防止误操作，从而保证了程序的安全性。当程序编译正确时，推荐采用单步执行功能来完成整个程序的编译。同时可以根据数据窗口来观察每个步骤实施后的数据变化情况，以及是否按系统设计要求实施。4.8系统硬件调试分析首先对整个装置各个部分分别进行调试，最后再进行整体的调试，在装置调试中要注意各个细节，一个小错误可能导致整个装置出现运行错误。（1）传感器调试将传感器按产品说明正确安装在合适位置，首先检查传感器模块是否正确连接到主控板，确保连接稳固，检查电源是否稳定，电源过低或过高都可能导致传感器模块无法正常工作。图4.7传感器实物图（2）继电器调试由于制作条件限制，用继电器的打开与吸合来代替窗户的闭合状态。首先确认继电器模块的连接方式是否正确。确保所有线缆插头都插紧，避免松动。检查是否存在短路或开路现象。检查电路中是否有问题，必要时使用万用表等工具进行测试。检查继电器模块的供电电压。确认使用的电源电压是否与模块所需电压匹配，电压不匹配容易导致模块无法正常工作。电路连接完成后投入低电平看继电器吸合情况二极管是否点亮。图4.8继电器实物图（3）蜂鸣器调试检查蜂鸣器与控制器之间的接线是否正确，蜂鸣器一般有三个引脚分别为VCC、GND和DATA，VCC为正极，GND为负极，DATA为信号输入口。有源蜂鸣器内装有多谐振荡器，观测两端加额定直流电压时它是否发声。图4.9蜂鸣器实物图（4）锂电池调试首先根据电路进行连接，无误后，装置通电时电池不会启动，在装置断发声电后启动电池进行上电，在断电情况下查看装置是否处于工作状态电池模块的充电指示灯是否亮起过程中需要检查电池模块的温度，以确保温度不超标。图4.10电池模块实物图（5）显示屏调试首先要保证电路正确，电压是否稳定以及电流是否足够，程序必须与电路相符，在工作开始之前显示器会基于工作的要求对其进行初始化设定，然后进行串口调试并通过串口通信的方式，把调试信息送至计算机端，计算机利用串口助手把调试信息显示出来，并把显示屏与单片机相连，把调试信息显示在显示屏上面。图4.11显示屏实物图（6）电源调试该设备在上电之前先检查各芯片电源线和地线是否接通。将各芯片分别安装在相应的插座内，使每个插头都能接入到对应的电路中，且所有插头都能够正常工作。检查结束时接通电源，测试各芯片处的电压，还要用满足安全条件的电源模块及适配器，若芯片异常发热应立即断电，对设备进行再检查。

第5章研究成果展示5.1实物功能展示5.1.1燃气监测系统MQ-9传感器功能实现如下图所示：图5.1燃气浓度正常接通电源后等待传感器运行加热两分钟，然后开始进入测试环节，为了安全操作，使用打火机中的燃料气体也可以进行测试，并满足同样的测试条件。燃气浓度警告值设定为60%，达到或超过该值后系统会自动警告。在检测期间，打火机没有开启，空气里没有泄漏的气体，液晶显示屏显示出气体浓度“y：000”，窗户关闭“window：off”。同时传感器对一氧化碳敏感度也比较高。具体情况如图5-1。图5.2燃气泄露浓度异常当打火机点火时，明火被吹灭后，开关继续按下，这时燃气呈泄漏状，打火机置于MQ-9型传感器旁，打火机燃气泄露被传感器检测到，浓度上升的过程会在液晶显示屏上显示，当浓度达到或超过60%时开始进行报警。具体情况如图5-2所示，此时显示燃气浓度“y：100”，窗户打开“window：ON”，蜂鸣器发出报警。图5.3停电时燃气浓度正常装置停电时，启动备用电池，锂电池开始运行供电，整个装置运行正常。图5.4停电时燃气泄露浓度异常装置停电时，启动备用电池，检测到燃气泄露，装置发出报警。5.1.2蓝牙传输功能图5.5蓝牙显示连接蓝牙后，实时显示燃气的浓度和窗户的状态，当燃气浓度到达或者大于60%时，就会自动发出警报。在检测期间，打火机没有开启，不会有燃气泄漏到空气里，燃气浓度会在手机APP上显示“Y：0”，窗户关闭“W：off”。具体情况如图5-5。图5.6浓度异常时蓝牙显示连接蓝牙后，实时显示燃气的浓度和窗户的状态，燃气浓度达到并超过60%装置自动报警，手机APP上会显示燃气浓度“y：100”，窗户打开“w：ON”，和“LEAKAGE”提示。具体情况如图5-6。

第6章结论从最初的设计构思，通过广泛的文献研究了解所需硬件设备的细节，到获取相关知识，再到确定设计思路，最后到制作实际装置完成论文，每个过程都要亲身经历才能体会到其中的苦与乐。在本设计中，基本完成了室内智能燃气防护装置的设计。主题选择的是新疆,新疆是西气东输管道的起点，该管道为中国许多城市提供环保和便利的天然气。而天然气这一燃料之所以能够引起人们极大的兴趣，是因为其为人们生活提供了方便，并且对环境的破坏性较小。然而，在这些好处的背后是依然存在隐患，研究表明，由燃气泄漏引起的事故仍然很常见。在这个毕业设计的整个过程中，清楚认识到，减少事故的发生必须及时有效地检测和发出气体泄漏警告。该装置的操作始于传感器检测到气体泄漏，当气体泄漏浓度超过设定值时，单片机的LCD显示当前浓度值和窗户打开状态，并以声音通知用户。为了不仅确保可行性，而且确保安全性，使用打火机气体代替真正的气体进行了测试，并取得了测试结果。本论文项目取得的成果如下。(1)能够自动通知和处理的气体保护装置的设计和构造，以及对其硬件配置和软件的详细说明。(2)与设计有关知识的系统学习，包括单片机控制的原理、接口和应用。选择STM32F103C6T6A作为主控制器。(3)使用Keil软件编写和调试软件设计，加载到STM32F103C6T6A单片机中并进行测试。由于各种原因，包括时间和知识的缺乏，这个装置的设计的某些方面值得进行更详细的研究。设计达到了预期的设计目标，该设备能够发出自动警报并处理气体泄漏，在功能方面可对控制燃气开关方向进行研究，使装置功能将得到改善。参考文献余江,耿其东,耿凡昌.机械式自动关火器设计[J].科技风,2018(34):6,8.MatteoRossini,FedericaCosta,AlbertoPortioli,etal.Industry4.0andLeanProduction:anempiricalstudy[J].IFACPapersOnLine,2019,52(13):42-47.张梦辉，姜红，明平寿，等.钢铁企业煤气管网传感器数据采集服务设计与实现［J］．数字技术与应用，2020，38(11):100－102．李鹏举，王海洋．冶金企业煤气事故原因分析及应急措施研究［J］．河南科技，2018(07):91－92．张义伟，李孟娇，刘宝元.基于STM32和GSM的煤矿瓦斯报警系统的设计[J].煤炭技术,2019,38（6）：130-132.Farhani,Fethi,Zaafouri,Abderrahmen,Chaaari,Abdelkader.Realtimeinductionmotorefficiencyoptimization[J].JournaloftheFrannklinInstitute,2017,354(8):3289-3304.伍荣璋，金国平.燃气行业生产安全事故案例分析与预防［M］．北京:中国建筑工业出版社，2022:287－290.严铭卿．燃气工程设计手册［Ｍ］中国建筑工业出版社．2019；614－631吴宪，闫继明，梁国福，等.住宅天然气泄漏扩散规律研究［J］.消防科学与技术，2021(7):971－976.NLahouasnia,MFRachediandTDeghboudj.DetectionofBrokenRotorBarDefectinSquirrelCageInductionMachine[C].2019InternationalConferenceonAdvancedElect