智能水电气开关.doc

2014年重庆地区第7届“合泰杯”大学生单片机应用设计竞赛
作品创意书

( 20140136 )
智能水电气控制装置

重庆大学城市科技学院
电气信息学院

指导教师： 张红梅

参赛学生 1：程 莉
参赛学生 2：王俊棣
参赛学生 3：伍海波
参赛学生 4：蔡国伟

公元 20 1 3 年 12 月 25 日
作 品 创 意 书

一、 摘要
因为水、电、煤气开阀泄漏无人管理而造成的资源浪费和危险事故不胜枚举，时时监测自动管理的智能水电气控制装置可以解决这一问题，本设计方案以HOLTEK MCU作为主控芯片，加上LCD、GSM芯片、ADC、无线WIFI等外围装置，实现对煤气监测和开关的自动控制以及智能收发短信的功能。利用LCD显示监测信息，并可进行功能设置；利用GSM芯片收发短信；ADC实现模/数信息的转换。本设计实现对水、电、煤气的时时监测及自动控制，以防止漏水无人关造成浪费，煤气泄漏无人管造成危险的情况发生。本智能水电气控制装置监测稳定，性价比高，是现代家庭的可靠选择。

二、 作品介绍
（一）、创作动机:
大多数家用水电气开关，都是采用手动方式，操作起来十分不便。煤气看不见摸不着，当发生煤气泄漏时，在一定浓度内，人体因为没有察觉出泄漏的煤气而过多吸入一氧化碳等有毒气体便会发生中毒现象。市面上虽有很多煤气检测报警装置，但在报警后等待人来处理的过程中煤气依然在泄漏，所以只是简单的报警还远远不够，在某些特殊情况下危险得不到及时处理也会酿成大祸。
基于上述的原因，我们设计了这套方便、安全、节能的智能水电气控制装置。

（二）、创作目的：
我们设计这套多功能的装置，可以在危险、浪费等情况发生的第一时间自动检测并关闭总阀。
与市面上的煤气检测、报警、手动处理这种功能单一的煤气检测报警器相比，本作品的创新点在于它不仅能灵敏地探测出煤气的浓度，还能在断定其是否发生了煤气泄漏之后自动去处理这类安全事故，从而有效地避免了危险事故的发生；本装置还具备自动控制水阀和电源的功能。使手动开关天然气、自来水泄漏无人处理、电资源待机浪费等问题得到很好的解决
表1 现有水电气控制装置与智能水电气装置功能对比
比较项目
水控制
气控制
电控制

现有控制装置

不能自动关水。
检测、报警、等待处理时煤气继续泄漏。
断路器。多用手动（电动）合闸。
出现危险才跳闸。

智能水电气控制装置

检测到室内无人，
自动关水。
煤气浓度实时监测，发现危险，自动报警，自动控制处理。
室内无人自动关闭部分电源，节约电资源、降低危险系数。

三、 工作原理
(一)、装置示意图细述：
图1 装置示意图

如图1所示是智能水电气控制装置的示意图：通过红外传感器检测室内有无人。有人时煤气传感器采集家里煤气浓度信息并将信息送到HOLTEK MCU辅助芯片，如果煤气浓度超过安全阈值时，HOLTEK MCU辅助芯片关断电控气阀，同时通过无线收发模块向HOLTEK MCU主控芯片发出危险提示信息。HOLTEK MCU主控芯片用智能短信收发功能GSM告知用户，同时在LCD触屏显示器上显示相关信息。当家里没人时，主控芯片向辅助芯片发送无线信息，关闭电控水阀、电控气阀和部分电源，同时断开信号采集模块电源。
若用户超过一天没回家，主控芯片将自动关闭智能水电气控制装置。
若智能水电气控制装置已关闭，用户也可发送短信给主控芯片远程开机。
（二）、功能部件详细分述：
1.信号的采集：
由红外传感器、煤气传感器和ADC模数转换器组成。红外传感器检测家里人口流动情况，煤气传感器实时采集室内煤气浓度信息，并由ADC模数转换器转换成数字信号传递给HOLTEK MCU辅助芯片分析其浓度值。
2.开关控制：
电控水阀门、部分电源电阀门和电控气阀门，受HOLTEK辅助芯片控制。
3.HOLTEK MCU主控芯片：
1.接收红外传感器采集的信息，对家里是否有人作出判断。
2.主控芯片和辅助芯片通过无线WIFI相互传输信息和控制。
3.完成系统与人的交互，用户通过输入装置向主控芯片发出指令从而达到控制整个系统运作的目的。
4.HOLTEK MCU辅助芯片：
接收关于煤气浓度的数字信息，判断是否达到危险浓度阈值，根据相应情况作出相应处理。若超过安全浓度范围，自动关闭电控气阀门。同时接受主控芯片发送来的无线信息,并根据信息的内容去执行相关操作。
5.LCD触控显示屏：
用户可以进行手动档和自动挡的切换，也可在显示屏上查看各个开关的状态信息，若出现危险情况自动关闭阀门后会显示相关信息例如时间、浓度等情况，也可以查看系统记录的安全日志。
6.GSM智能短信收发功能：
一旦出现煤气泄漏等事故单片机将关闭电控气阀门并通过GSM发送短信告知用户。同时也能接收用户远程短信，并传递给主控芯片进行分析处理。

四、 作品功能、特色
本作品有自动和手动两种工作模式。
1、自动工作模式：
第一功能：当检测家里没人时，本装置将自动关闭水、天然气总阀和部分电源，这时，即使煤气管道老化，也不会发生管道煤气泄露。如果主人忘记关闭水龙头，也不会造水资源浪费。这个功能的重要之处在于，家里没人的时候发生了煤气泄漏，此功能将自动关闭总阀并发送短信给用户，从而有效防止了用户因不知情而进入充满煤气的房屋的危险发生，本装置自动关闭总阀的功能显得既紧要又方便实用。
第二功能：当家里有人的时候，系统会将所有的总阀(水电气)打开。省去了主人频繁开启总阀的麻烦。在自动工作模式下,系统将实时地检测空气中煤气的浓度，仅当浓度达到某一阈值时，才判定为煤气泄露，这个时候，系统就会自动关闭煤气总阀，并在液晶显示屏上显示提示信息和相应的声光报警，从而达到从根源上杜绝煤气中毒事故发生的现象。
第三功能：假若关闭了自动控制而又不在家，那么短信控制就成为另一个控制方法，用户可以根据自己的选择发送不同短信来控制水电气的开关，避免了回家控制开关的麻烦。除了发送短信，用户也会接收短信。比如发生了天然气泄漏事故，装置将会自动发送短信通知用户，让用户回家之前有所准备。如果超过一天无人在家，系统会自动关机，此时装置也会自动发送短信提示用户。
2、手动工作模式：
手动挡只针对于气阀的控制。当有需要的时候可以手动开启或关掉煤气总阀。手动开启一般用于某次用户处理完煤气泄露事故之后，需要将煤气总阀开启的时候。使用本套装置的家庭，完全不用用户第一时间去处理煤气泄露事故，取而代之的是本装置的高效实时处理。
本套装置人性化，自动化，工作效率高，使用的硬件价格低廉，便于安装，功能操作起来方便快捷，实用性强，适用任何一个家庭，市场前景好。

五、 作品结构
本作品由硬件部分和软件部分组成。
硬件结构中包括HOLTEK MCU主控芯片和HOLTEK MCU辅助芯片两大部分。
（一）、主控芯片和其他外部装置构成的主系统框图如图2所示。
HOLTEK MCU主控芯片通过安装在门上的红外传感器检测人的出入进行计数并判断家里是否有人，同时通过无线收发模块接收从HOLTEK MCU辅助芯片发送来的工作行为信息；并由无线收发模块向HOLTEK MCU辅助芯片发送操作信息。电源模块为HOLTEK MCU主控芯片提供电能；用户通过输入模块对HOLTEK MCU主控芯片发出指令再由芯片去发送相关操作命令；显示模块将显示当前开关状态

图2 主系统框图
及发生某事故后的相关信息，如发生煤气泄漏HOLTEK MCU辅助芯片将自动关闭总阀并同时向HOLTEK MCU主控芯片发送时间和煤气泄漏等信息同时通过报警模块报警并显示在主屏幕上；GSM模块用来发送开关状态以及事故发生时间等信息和接收用户发送的命令。

（二）、主控芯片和其他外部装置构成的检测执行系统框图如图3所示。

图3 检测执行系统框图

电源模块为HOLTEK MCU辅助芯片提供工作电能；煤气检测模块检测煤气浓度值并与阈值进行比较，假如超过设定值系统将自动关闭煤气阀，同时向HOLTEK MCU主控芯片发送相关信息，没有有超过设定值系统将会持续检测。

（二）软件部分
1、主控制芯片系统
（1）主程序流程图

图4 主程序流程图

（2）煤气中断服务程序( 处理辅助芯片检测到煤气泄露时无线模块发来的信息 )

图5 煤气中断服务程序流程图
（3）来人中断(处理人员出入房子问题)

图6 来人中断程序流程图

2、辅助芯片系统
(1) 主程序流程

图7 辅助控制芯片主程序流程图

（2）无线中断服务程序(处理中控芯片发送过来的信息)

图8 无线中断服务程序流程图