摘要：本裝置以單片機AT89C51芯片為核心，結合含有esp8266的ESP-12芯片，搭建出可遠程控制電磁閥的電路系統，同時可實現手機APP軟件遠程監控報警和遠程關閉功能，解決天然氣泄漏問題。
語說“民以食為天”，我們的生活離不開三餐飲食。在當下的廚房，燃氣灶更是必不可少的做飯工具。比如，當我們在做飯時，需要處理緊急事件，忘了關閉燃氣灶，如果沒有漏氣檢測和自動關閉功能，可能會導致火災或更嚴重的后果。 對于大多數老式燃氣灶來說，沒有天然氣漏氣檢測和自動關閉天然氣輸出功能，這樣就會存在一定的安全隱患。因此，為老式燃氣灶安裝天然氣漏氣檢測和自動關閉裝置是必須的。
1 裝置結構框圖 在本裝置的設計中，為了保證安全，采用了雙保險報警電路。通過天然氣檢測傳感器對室內氣體濃度進行實時監測，一旦檢測到氣體濃度超過安全閾值，將會觸發報警裝置，及時提醒用戶有危險情況，注意安全。
此外，本裝置還具備遠程手機APP軟件監控報警和關閉功能。用戶只需要通過手機APP軟件，就可以隨時隨地對室內氣體濃度和煙霧情況進行監控，一旦檢測到異常情況，手機APP軟件會發出報警提示，提醒用戶及時采取措施。同時，用戶還可以通過手機APP軟件對電磁閥進行遠程關閉，以避免氣體泄漏和安全事故的發生。
綜上所述，本裝置不僅可以有效解決忘記關燃氣灶的問題，還可以通過雙檢測報警電路和遠程手機APP軟件監控報警和關閉功能，提高室內氣體安全性，為用戶帶來更多的便利和安全保障。其裝置框圖如圖1所示。
2 工作原理
（1）天然氣監測傳感模塊檢測到的天然氣濃度轉化為電信號，一路信號傳遞給比較模塊，輸出信號傳遞給單片機控制系統，單片機程序判斷輸入的信號是否達到天然氣泄漏標準； （2）天然氣監測傳感模塊的另一路信號輸入ADC轉換模塊產生數字量值，數字信號輸入單片機，由單片機程序判斷是否達到泄露標準。
圖1 裝置結構框圖
之后，單片機程序邏輯判斷這兩路信號，得出是否需要發出關閉天然氣閥門的指令。如果需要關閉，輸出控制信號控制常開型磁保持式電磁閥的供電單元，使其斷電，此時電磁閥就處于關閉狀態。
另外，將輸出關閉天然氣閥門信號發送給WiFi模塊，通過互聯網傳送到個人手機APP上，手機向主人發出聲音警報，要求關閉天然氣閥門，此時，主人可以手動關閉或通過手機APP遠程關閉天然氣閥門。
為了檢測是否關閉成功，加裝電流檢測電路來檢測閥門是否關閉，同時回傳檢測結果信號到手機APP。 總之，該裝置通過多重檢測和控制，實現了對天然氣泄漏的及時監測和處理，同時還具備遠程控制和監控功能，提高了室內天然氣的安全性和便利性。 3 各部分框圖設計 3.1 天然氣監測傳感模塊和電壓比較模塊 采用可燃氣體傳感器MQ-4和電壓比較芯片LM393D作為主要器件，搭接外圍電路。在這個系統中，可燃氣體傳感器MQ-4扮演著重要的角色，它能夠對環境中的可燃氣體進行檢測，并將檢測得到的氣體濃度值轉化為電信號傳遞給主控芯片。MQ-4傳感器具有高靈敏度和較好的穩定性，在檢測到天然氣泄漏后會快速反應，并將信號傳遞給電壓比較芯片LM393D。
電壓比較芯片LM393D通過比較輸入電壓與參考電壓的大小關系來輸出邏輯高電平或邏輯低電平。在這個系統中，LM393D被用作比較模塊，它的輸入端接收來自MQ-4傳感器的信號，而輸出端則接入了微控制器單元。如果檢測到的天然氣濃度超過設定閾值，LM393D的輸出端就會發出邏輯低電平信號，觸發微控制器單元采取控制措施，同時，LED1也會發光，提示用戶有天然氣泄漏。
圖2天然氣監測傳感模塊和電壓比較模塊
MQ-4傳感器和LM393D作為主要器件，搭配外圍電路，用于檢測和處理天然氣泄漏問題，成為這個系統的核心部之一。經過多次測試和實驗，這個系統具有高效、準確的特點，并能夠及時檢測和處理天然氣泄漏問題，提高了室內氣體安全性。如圖2所示。 3.2 ADC模塊（包含前置保護電路） 在ADC芯片選用ADS8320，在輸入ADC芯片之前，需要做保護電路，其中二極管選用的是MUR805，此二極管具有快速恢復特性，防止電位被鉗住。為了保證ADC芯片具有正確數字量輸出，Vref端口采用穩定輸出2.5V電壓的REF3025芯片。對于CS、DCLOCK和DOUT端分別接單片機的P1.2、P1.1和P1.2端口。其電路圖如圖3所示。 3.3 單片機控制模塊 該系統的核心主控芯片采用的是AT89C51單片機，它是由Atmel公司生產的一種低功耗、高性能的8位單片機，具有較高的數據處理能力和運行速度。AT89C51單片機的外圍電路連接采用了標準的8位總線連接方式，其連接方式如圖4所示。
在外圍電路中，AT89C51單片機的各個端口通過連接電阻、電容等元器件的方式與其他器件相互連接，從而實現單片機的輸入輸出功能。其中，輸入端口主要是用于接收外部信號，包括MQ-4傳感器檢測到的天然氣濃度信號，傳送工作信號等；而輸出端口則主要是用于向外界輸出控制信號，控制磁保持式電磁閥開關，為手機APP傳遞報警信號等。
在系統運行中，AT89C51單片機的程序會對這些輸入輸出端口進行控制，從而實現自動監測、處理和報警等功能。整個系統的運行流程由AT89C51單片機來控制，為了保證系統運行的正常和穩定，需要對單片機的電源和時鐘信號進行嚴格的管理。 AT89C51單片機作為該系統的核心主控芯片，具有高效、準確、低功耗、高性能等特點，通過外圍電路連接實現與其他器件的互聯互通。它的穩定性和可靠性為整個系統的功能實現奠定了堅實的基礎。 3.4 常開型磁保持式電磁閥及供電電路
該系統采用了常開型磁保持式電磁閥MLV20，其優點是在維持兩種穩定工作狀態時不需要維持供電。這是因為該電磁閥的結構設計采用了特殊的保持機構，當電磁鐵通電時，保持機構會將閥門保持在開啟狀態，即使電磁鐵斷電，閥門也會一直保持開啟狀態。這可以很大程度上降低電路功耗并提高系統穩定性。該電磁閥的供電部分還加入了電流檢測電路，用于判斷電磁閥的狀態是否為打開或關閉。為了設計出高精度、高可靠性的電流檢測電路，我們選用了OP37運算放大器作為主要芯片，并通過外圍電路連接實現各組件之間的協同工作。
圖4 單片機控制模塊
在電流檢測電路中，OP37運算放大器可以通過測量輸入端的電壓差并將其放大，進而轉換為對應的輸出電壓。當常開型磁保持式電磁閥MLV20處于正常工作狀態時，電路中會有一定的電流通過，并產生一定的電壓差，這時OP37運算放大器的輸出電壓會在一定范圍內波動，反映電流的強弱。而當電磁閥被關閉時，通過電路的電流幾乎為零，OP37運算放大器的輸出電壓也會降到接近于零的水平，以便隨時準備發出報警。這種電路設計方式可以很好地實現電流檢測和報警功能，保證了系統的穩定性和安全性。
為了充分發揮電路的檢測作用，該電流檢測電路還需通過外圍電路與AT89C51單片機相連接，從而可以實現電路的自動檢測和控制。AT89C51單片機通過從OP37運算放大器讀取的電壓值來判斷電磁閥的狀態，并可以控制常開型保持式電磁閥MLV20的開啟和關閉。該系統通過電流檢測電路的加入，可以及時發現電磁閥的異常狀態，保證了整個系統的穩定性和安全性。其設計電路如圖5所示
圖5 電流檢測電路 3.5 WiFi模塊 Wi Fi模塊是一種可以實現無線網絡連接的設備，其核心部件是ESP-12芯片，采用了ESP8266作為其核心芯片。ESP-12芯片作為一種高度集成的Wi Fi模塊，具有體積小、功耗低、性能穩定等優點。在實際應用中，為了保證模塊的正常工作，需要正確連接外圍電路。其外圍電路連接圖如圖6所示。
其中，ESP-12芯片通過串口與單片機進行通信，以實現數據傳輸和控制。WiFi模塊還需要連接電源，以提供工作所需的電能。為了保證電源的穩定性，需要加入電源濾波電路，以濾除電源中的噪聲和干擾。此外，WiFi模塊還需要連接天線，以實現無線信號的收發。
圖6 ESP-12芯片外圍電路
將ESP-12芯片的“Tx”和“Rx”端口分別與單片機P2.2和P2.1連接，實現串口通信。單片機AT89C51依據AT指令控制WiFi模塊，使其與互聯網連接，實現遠程通信。
3.6 手機APP設計過程 設計過程： （1）確定需求：首先，需要明確手機APP的功能需求，控制常開型磁保持式電磁閥的開關、監測電流狀態、顯示實時數據等。 （2）界面設計：根據需求，設計手機APP的界面布局。可以使用界面設計工具，如Adobe Photoshop、Sketch、Figma、Adobe XD等，創建各個界面的原型圖。界面設計要考慮用戶友好性和易用性，確保用戶能方便地操作和獲取所需信息。 （3）SDK集成和功能實現：根據機智云平臺提供的開發工具包SDK，將其集成到手機APP中。根據SDK提供的文檔和示例代碼，了解如何使用SDK進行設備連接、數據傳輸等操作。可以按照下面步驟實現SDK的集成和功能現。在設計過程中，要注意合理使用SDK提供的API，處理可能出現的錯誤情況，并進行調試和測試，確保APP的穩定性和功能完善性。
具體實現過程如下： ①SDK集成： a.下載機智云平臺提供的開發工具包SDK，并解壓縮到項目目錄中。 b.在項目中添加SDK的依賴庫文件，例如將SDK提供的庫文件添加到項目的編譯路徑中。 c.在項目的配置文件中，添加SDK所需的配置項，例如添加SDK的API密鑰和設備ID等信息。
②設備連接： a.在手機APP的主界面中添加設備連接的相關控件，例如一個輸入框用于輸入設備ID，一個按鈕用于觸發連接操作。 b.在APP的代碼中，使用SDK提供的API實現設備連接的邏輯。當用戶點擊連接按鈕時，獲取輸入的設備ID，并調用SDK的連接函數，將設備ID作為參數傳遞給SDK。 c.監聽SDK返回的連接結果回調，在回調函數中更新界面顯示連接成功或失敗的提示信息。如果連接成功，可以跳轉到下一個界面。
③數據傳輸： a.在下一個界面中，添加一個文本框用于顯示設備數據。 b.在APP的代碼中，使用SDK提供的API實現數據傳輸的邏輯。注冊一個數據接收的回調函數，當SDK接收到設備數據時，回調該函數，并將數據作為參數傳遞給回調函數。 c.在回調函數中，處理接收到的設備數據，例如解析數據、格式化等操作。將處理后的數據顯示在文本框中，實現實時顯示設備數據的功能。
④控制設備： a.在下一個界面中，添加一個按鈕用于控制設備。 b.在APP的代碼中，使用SDK提供的API實現設備控制的邏輯。當用戶點擊控制按鈕時，調用SDK的控制函數，發送相應的指令或參數給設備。 c.監聽SDK返回的控制結果回調，在回調函數中更新界面顯示控制成功或失敗的提示信息。
⑤錯誤處理： 在APP的代碼中，根據SDK提供的錯誤處理API，處理可能出現的錯誤情況。例如，在設備連接時，如果網絡連接失敗，可以給用戶一個提示信息；在設備控制時，如果設備斷開連接，可以嘗試重新連接或給予用戶相應的提示。
⑥調試和測試： 在集成和功能實現的過程中，進行調試和測試。可以使用機智云平臺提供的調試工具、模擬器或真實設備進行測試，確保連接、數據傳輸和設備控制等功能的正常運行。
（4）修改UI和程序代碼：根據界面設計的原型圖，對手機APP的UI進行修改。通過修改布局、顏色、字體等方式，使得界面符合設計要求。同時，根據需求修改程序代碼，實現功能邏輯和數據處理。 （5）調試和測試：在修改UI和程序代碼后，進行調試和測試。可以使用模擬器或真實設備進行測試，確保手機APP的功能正常運行，并與設備進行正確的通信和交互。 （6）優化和改進：根據測試結果，對手機APP進行優化和改進。可以通過性能優化、界面優化等方式，提升操作體驗和系統穩定性。 通過以上設計過程，結合機智云平臺和技術支持，設計出符合本裝置使用的手機APP。在設計過程中，要合理利用SDK和開發工具包進行開發和調試，最終實現穩定、易用的手機APP。其中，APP程序流程如圖7所示。
圖7 遠程控制電磁閥流程
4 總結
本裝置是以單片機AT89C51芯片為核心，結合含有ESP8266的ESP-12芯片，搭建出遠程控制電磁閥的電路系統。該電路系統設計仿真基本實現了燃氣灶漏氣智能檢測功能，但由于一些芯片和器件價格偏高，電路的生產成本還有待降低。
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