本實(shí)用新型涉及智能家居技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能的可燃?xì)怏w濃度檢測裝置。

背景技術(shù)：

目前很多家用燃?xì)庑孤妒鹿适且蛱幚聿患皶r(shí)造成，人們外出或睡眠時(shí)，戶主無法第一時(shí)間對報(bào)警信息做出響應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致了一系列的人員安全財(cái)產(chǎn)損失，本設(shè)計(jì)采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對甲烷濃度信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將家用天然氣檢測報(bào)警器智能化，天然氣檢測報(bào)警器會(huì)將數(shù)據(jù)通過WIFI傳至云服務(wù)器，用戶通過聯(lián)網(wǎng)設(shè)備均可實(shí)時(shí)查看濃度信息，當(dāng)甲烷濃度超過報(bào)警限時(shí)，服務(wù)器會(huì)主動(dòng)向用戶手機(jī)推送報(bào)警信息，對燃?xì)庑孤┦鹿始皶r(shí)做出預(yù)警，即使出現(xiàn)人不在家等情況，戶主也可以對家中險(xiǎn)情提前進(jìn)行應(yīng)對，防患于未然，最大程度減小損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)解決的技術(shù)問題

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供了一種具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能的可燃?xì)怏w濃度檢測裝置，以解決家中無人情況下因發(fā)生燃?xì)庑孤┒鴮?dǎo)致的一系列危險(xiǎn)事件，在測量過程中，超聲波作為傳感器不會(huì)與甲烷發(fā)生任何反應(yīng)，相比于催化燃燒式傳感器有催化劑中毒等缺點(diǎn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他類型的傳感器，具有非常廣泛的應(yīng)用前景，其次，超聲波傳感器利用雙通道相位差法測量可燃?xì)怏w濃度，不受傳感器起振和余振限制，通過高速邏輯電路設(shè)計(jì)的檢相模塊，實(shí)現(xiàn)了高速、穩(wěn)定的時(shí)間差檢測，提高了測量精度。

(二)技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：一種具有遠(yuǎn)程報(bào)警功能的可燃?xì)怏w濃度檢測裝置，包括氣體測量腔(1)，超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)，信號(hào)處理電路(3)，檢相電路(4)，單片機(jī)系統(tǒng)(5)，聲光報(bào)警裝置(6)，溫度傳感器(7)，wifi通信模塊(8)，云平臺(tái)(9)，手機(jī)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(gè)進(jìn)氣孔和一個(gè)出氣孔，所述超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)包含超聲波驅(qū)動(dòng)電路(202)和超聲波發(fā)射探頭(201)，所述信號(hào)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(qū)動(dòng)裝置(2)以及信號(hào)處理電路(3)，超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)與單片機(jī)系統(tǒng)(5)相連，信號(hào)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(jī)的PSMC模塊對兩路經(jīng)過整形的信號(hào)進(jìn)行檢相，所述單片機(jī)系統(tǒng)(5)主要接收處理檢相電路(4)傳來的信號(hào)，當(dāng)收到異常信號(hào)時(shí)向聲光報(bào)警裝置(6)發(fā)出報(bào)警命令同時(shí)將檢測到濃度值數(shù)據(jù)傳送給wifi通信模塊(8)，報(bào)警裝置接收命令后發(fā)出警報(bào)，所述wifi通信模塊(8)將單片機(jī)系統(tǒng)(5)處理后的所有數(shù)據(jù)無改動(dòng)的通過透傳模式發(fā)送給云平臺(tái)(9)，云平臺(tái)(9)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送給手機(jī)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(jìn)行溫度測量，便于對測量結(jié)果溫度補(bǔ)償，所述電源裝置(11)為單片機(jī)系統(tǒng)(5)供電。

進(jìn)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(shè)計(jì)，巧妙地將超聲波速度差轉(zhuǎn)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(nèi)部密封純凈的空氣，測量通道(102)則時(shí)刻與外界環(huán)境相通，兩個(gè)通道內(nèi)各安裝有一對相同的超聲波探頭，發(fā)射探頭(201)由同一個(gè)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)。由于兩個(gè)通道內(nèi)傳播介質(zhì)不同引起超聲波傳播速度不同，因此通過比較兩個(gè)通道超聲波傳播時(shí)間的差異，即兩路通道接收端(301)得到的正弦波信號(hào)的相位差以及信號(hào)處理電路對這兩路信號(hào)的處理就可以獲取待測環(huán)境中甲烷的濃度值。

進(jìn)一步的，本專利所述的超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)采用方波驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)定時(shí)器A的PWM方式輸出40KHz、0-3.3V的方波信號(hào)，經(jīng)放大電路處理后，獲得峰值為+5V，頻率為40KHz的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)采用的驅(qū)動(dòng)芯片能夠提供1.5A峰值電流的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)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(shí)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(yīng)用，在開和關(guān)的狀態(tài)下，它提供了足夠低的阻抗，從而確保即使在發(fā)生大的瞬態(tài)事件時(shí)，MOSFET的預(yù)期狀態(tài)也不會(huì)有影響。

進(jìn)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(hào)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(hào)的雜波干擾濾除并對其放大，以方便后續(xù)電路的處理，信號(hào)整形放大電路(3-4)是把接收探頭(301)接收到的正弦波信號(hào)再變換成為方波信號(hào)并放大，為檢測兩路信號(hào)的相位差做準(zhǔn)備，檢相電路(4)直接關(guān)系到最后的測量結(jié)果，這里將相位差變?yōu)殡妷褐?，輸出到單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，通過把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)來進(jìn)行濃度值的計(jì)算。

進(jìn)一步的，本專利所述的檢相電路(4)主要使用單片機(jī)的PSMC模塊對兩路經(jīng)過整形的信號(hào)進(jìn)行檢相，可編程開關(guān)模式控制器(PSMC)是一種高性能的脈寬調(diào)制器，經(jīng)過處理后的兩路信號(hào)分別接入單片機(jī)中作為觸發(fā)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(jìn)一步的，本專利所述的云平臺(tái)(9)選擇氦氪云提供的免費(fèi)云平臺(tái)，其響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳送方便，同時(shí)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(shù)將數(shù)據(jù)無改動(dòng)的傳至云平臺(tái)。

進(jìn)一步的，本專利所述的手機(jī)app(10)使用E4A中文編輯軟件編寫，其編寫語言相比于當(dāng)下流行的java及C語言更為簡潔便于開發(fā)，同時(shí)app具有狀態(tài)欄報(bào)警提示以及wifi登錄功能，在發(fā)生異常時(shí)手機(jī)只要連接到wifi網(wǎng)絡(luò)便可接收到狀態(tài)欄發(fā)出的報(bào)警信息。

(三)有益效果

本檢測儀的成功研制，解決了傳統(tǒng)檢測方法的普遍存在的問題，實(shí)現(xiàn)了甲烷高精度、低功耗、低成本檢測，同時(shí)，檢測模塊與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控，符合人們對智能化生活的要求，此外，由于本系統(tǒng)的敏感元件工作于常溫狀態(tài)，具有可達(dá)1年連續(xù)工作的長期穩(wěn)定性，在市場上具有極大的競爭力和廣闊的發(fā)展前景。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的工作流程示意圖；

圖2為本實(shí)用新型氣體測量腔的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本實(shí)用新型信號(hào)處理電路；

圖4為本實(shí)用新型PSMC模塊工作波形。

具體實(shí)施方式

為使本實(shí)用新型實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例，對本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚，完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例，基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

如圖1～圖4所示，其結(jié)構(gòu)關(guān)系為：氣體測量腔(1)，超聲波驅(qū)動(dòng)裝置(2)，信號(hào)處理電路(3)，檢相電路(4)，單片機(jī)系統(tǒng)(5)，聲光報(bào)警裝置(6)，溫度傳感器(7)，wifi通信模塊(8)，云平臺(tái)(9)，手機(jī)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(nèi)部密封純凈的空氣，測量通道(102)則時(shí)刻與外界環(huán)境相通，兩個(gè)通道內(nèi)各安裝有一對相同的超聲波發(fā)射探頭(201)，發(fā)射探頭(201)由同一個(gè)方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)，由于兩個(gè)通道內(nèi)傳播介質(zhì)不同引起超聲波傳播速度不同，因此通過比較兩個(gè)通道超聲波傳播時(shí)間的差異，即兩路通道接收端得到的正弦波信號(hào)的相位差就可以獲取待測環(huán)境中可燃?xì)怏w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(chǔ)是時(shí)間差法，具體的是當(dāng)超聲波在一定濃度中的氣體傳播時(shí)與超聲波在空氣中傳播時(shí)的速度不同，當(dāng)傳播的距離相同，則兩者的傳播時(shí)間不同，時(shí)間差就反映為被測氣體的濃度，由于對于時(shí)間差的直接測量的精度不夠高，這里將時(shí)間差轉(zhuǎn)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(shí)影響其傳播速度的因素進(jìn)行分析，確立聲速，相位差，溫度和氣體濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，配置兩組完全相同的超聲波發(fā)射和接收傳感探頭，且兩組接發(fā)探頭的間距都為L，但在這里的間距L會(huì)因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)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(hào)的處理有較大影響，所以此誤差不能忽略，

設(shè)環(huán)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(shí)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(shù)，K₂為待測氣體的濃度比例系數(shù)，數(shù)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(shí)間，L為發(fā)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(jù)其中為兩路接收信號(hào)的相位差，f為超聲波發(fā)射的中心頻率，依據(jù)測量得到的相位差計(jì)算出氣體的濃度x，

令則有：

即推出氣體濃度：

氣體濃度進(jìn)行標(biāo)定時(shí)：

當(dāng)標(biāo)定0點(diǎn)濃度時(shí)，即x＝0，T＝T₀，θ＝θ₀則：

ΔL＝-θ₀C₀(1+K₁T₀) (1-6)

當(dāng)標(biāo)定濃度為x₁時(shí)，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(huán)境溫度T有關(guān)，只需測量得出當(dāng)前的環(huán)境溫度T，并由設(shè)計(jì)的檢相電路得到相位差就可通過代入公式(1-8)計(jì)算出當(dāng)前待測氣體濃度值x，這種計(jì)算方法計(jì)算簡便，數(shù)據(jù)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(qū)動(dòng)裝置(2)包含超聲波驅(qū)動(dòng)電路(202)和發(fā)射探頭(201)，對于超聲波發(fā)射探頭(201)可以采取方波信號(hào)或正弦波信號(hào)方式驅(qū)動(dòng)，經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)用MCP1415驅(qū)動(dòng)時(shí)，接收端信號(hào)更穩(wěn)定，MCP1415器件是能夠提供1.5A峰值電流的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)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(shí)間以及短傳播延遲也是這一器件的特色，非常適合高開關(guān)頻率應(yīng)用，在開和關(guān)的狀態(tài)下，它提供了足夠低的阻抗，從而確保即使在發(fā)生大的瞬態(tài)事件時(shí)，MOSFET的預(yù)期狀態(tài)也不會(huì)有影響，本專利采用方波驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)定時(shí)器A的PWM方式輸出40KHz，0-3.3V的方波信號(hào)，經(jīng)MCP1415芯片后獲得峰值為+5V頻率為40KHz的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

所述的信號(hào)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(qū)動(dòng)裝置(2)通電后由發(fā)射探頭(201)發(fā)出方波信號(hào)經(jīng)氣體測量腔(1)后由接收探頭(301)接收信號(hào)，由于超聲波接收探頭(301)接收到的信號(hào)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(hào)的雜波干擾濾除，以方便后續(xù)電路的處理，如圖3所示，高通濾波電路由C₄和R₃構(gòu)成，低通濾波電路由R₄和C₅構(gòu)成，放大整形電路由放大器、R₆和C₆構(gòu)成，信號(hào)整形放大電路(304)是把傳輸來的正弦波信號(hào)再變換成為方波信號(hào)并放大，為檢測兩路信號(hào)的相位差做準(zhǔn)備，由于超聲波探頭屬于容抗器件，會(huì)存儲(chǔ)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(jī)的PSMC模塊對兩路經(jīng)過整形的信號(hào)進(jìn)行檢相，可編程開關(guān)模式控制器(PSMC)是一種高性能的脈寬調(diào)制器，經(jīng)過處理后的兩路信號(hào)分別接入單片機(jī)中作為觸發(fā)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(bào)警裝置(6)與單片機(jī)系統(tǒng)(5)連接，當(dāng)有異常信號(hào)時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)(5)向聲光報(bào)警裝置(6)發(fā)出報(bào)警命令，聲光報(bào)警裝置(6)接收到命令后發(fā)出警報(bào)，提示用戶有一場情況發(fā)生。

所述溫度傳感器(7)主要對當(dāng)前環(huán)境的溫度進(jìn)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(jìn)行溫度測量，便于對測量結(jié)果做溫度補(bǔ)償。

所述的云平臺(tái)(9)選擇氦氪云提供的免費(fèi)云平臺(tái)，其響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳送方便，同時(shí)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(shù)將數(shù)據(jù)無改動(dòng)的傳至云平臺(tái)。

所述的手機(jī)app(10)使用E4A中文編輯軟件編寫，其編寫語言相比于當(dāng)下流行的java及C語言更為簡潔便于開發(fā)，同時(shí)app具有狀態(tài)欄報(bào)警提示以及wifi登錄功能，在發(fā)生異常時(shí)手機(jī)只要連接到wifi網(wǎng)絡(luò)便可及時(shí)發(fā)出收到報(bào)警。

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