第 1 章 绪 论
1.1 课题研究背景及意义
近 10 几年来，清洁安全高效的能源经国家重点推广扶持，在国家西气东输工程投资大量人力物力财力的基础上[1]，天然气管道输送技术日趋成熟，城市民用以及工商业用户使用天然气的成本大幅降低。传统的煤、瓦斯、液化气等等能源逐渐被天然气这种清洁能源所取代[2]。天然气中甲烷含量高达 94%以上[3]，它是一种高效、洁净的能源。同样前提下，燃烧天然气所产生的硫氧化物、氮氧化物等严重有害气体量比燃烧油或煤都少得多，环保无污染。我国是原煤生产大国，但国内发现的天然气资源相对贫乏。追溯中国的天然气使用发展历史，可概括为以下三点：发现早，起步晚，利用率低。直到 10多年前国家开始围绕西部大开发、新丝绸之路、一带一路建设[4]，加强了与西部接壤国家的合作，从邻国大量进口液化天然气，并且加强了国内西部的基础资源建设，燃气输送站、燃气管道横穿了整个中国。
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1.2 课题相关领域发展状况
在日常天然气使用过程中，为预防燃气泄漏以及做到及时预警，要求甲烷浓度测量有实时，准确的特点，能够第一时间通知户主报警信息。目前国内外市场上甲烷传感器主要基于以下几种原理：占据半壁江山的催化燃烧法；走高端精密路线的红外吸收检测法以及超声波检测法[15-16]。催化燃烧式方法是依据可燃气体在高温催化敏感元件上“燃烧”所产生的热量来反映气体浓度。高温条件下，甲烷会与敏感元件发生反应，进行无焰燃烧，敏感元件的温度会伴随着燃烧产生的热量进一步上升。温度的变化进一步带来原件电阻的改变[17-18]。
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第 2 章 无线甲烷报警器设计方案及原理
2.1 设计要求
民用天然气安全中甲烷泄漏预警是防患于未然的关键。区别于传统的家用燃气报警器，本设计依据超声波在不同气体成分和浓度中传播速度不同，两路在不同介质中传输相同距离的超声波所产生的时间差信号，通过相位差转换后，甲烷气体的浓度值会体现在被测信号与参考信号的相位差中。相位差经数学算法处理，最后表现为能够反馈出浓度值的电信号。电信号数值在温度补偿作用下数据进一步优化，实现了浓度数据的可靠检测。为保证实时预警，第一时间户主能收到泄漏信息，设计另采用 WiFi 无线通信技术，预警信息通过网络传输至服务器，智能手机上打开设计的燃气报警 APP 后每间隔一段时间就会推送浓度信息。技术指标如表 2-1 所示[32]。
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2.2 总体设计方案
WIFI 模块启用透传模式直接将检测模块发送的浓度值传送至服务器显示；智能设备端的安防应用 APP 会在甲烷浓度值处于非正常情形下发出预警消息。本报警器由超声波传感器构成的检测模块及无线通信模块组成。检测模块是报警器的核心，包括有电源电路、传感器驱动电路、信号接收处理电路以及其他外围电路等，以单片机 PIC16F1783 为微型控制单元，实现对超声波传感器信号处理的功能并对传感器输出信号进行了温度补偿，减少了温度对检测结果的影响。无线通信模块选择了 WiFi 技术进行无线传输，并通过无线 AP 连接网络，实现检测模块数据的实时联网。
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第 3 章 无线甲烷报警器硬件电路设计...............17
3.1 检测模块设计...............17
3.2 无线通信模块设计...............27
第 4 章 无线甲烷报警器软件设计...............30
4.1 软件设计概述...............30
4.2 主程序设计...............30
第 5 章 系统调试与测试...............41
5.1 系统调试...............41
5.2 测试实验及结果分析...............43
第 5 章 系统调试与测试
5.1 系统调试
报警器在设计完成之后，必须对报警器整机进行系统调试。首先需要对硬件电路做全方位的检查：检查电路设计电源问题，有无短路断路情况，芯片电容电阻等元器件是否存在虚焊、漏焊、引脚位置颠倒焊反、过孔寄生电容电感是否会严重影响信号处理、电路板检测模块与无线通信模块接口电路是否稳定、UART 串口接线同向阻塞等问题。确认无相关错误后进行上电，测量各测试点电压是否正常，晶振是否起振，无误后对检测模块以及无线通信模块下载对应的程序以实现甲烷浓度值的检测。
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5.2 测试实验及结果分析
报警器在调试完之后进行实验测试以验证甲烷浓度测量的准确性。具体操作是在实验室环境下，在报警器接通电源后，稳定 3~5min，放置在纯净的空气中进行浓度测量，相当于出厂前的 0 点校准。同理再将报警器放置在标准 2.5%甲烷气体中，进行量程灵敏度标定，标定重复 2~3 次。检验报警器的准确性选择了 5 组标准浓度的甲烷气体。实验室环境下仅有100%标准甲烷气体，需要与纯净的空气按照一定的体积比混合，由于 100%浓度甲烷气体属于高危易燃易爆气体，配置低浓度甲烷气体时需要在通风良好的环境下进行体积分配，并且杜绝一切明火火源。配气过程如下：如配置1%浓度的甲烷气体，则将 10 毫升的甲烷气体混合 90ml 空气注入标准密封性良好的气袋中，等待 3-5 分钟，待气体混合均匀。由于混合气体的装置输气口较小，气体混合过程中经管壁摩擦可能会带来温度的变化，因此需要缓慢注射气体，并经历一段时间的等候，使气体温度重新降至室温。
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结论
本文在分析了当前基于不同原理的甲烷气体传感器后，分析对比其检测精度、可靠性、市场成本等因素，最终完成了基于超声波相位差法的无线甲烷报警器设计。超声波无线甲烷报警器设计时选择了模块化设计，主要分为了检测模块以及无线通信模块。检测模块中围绕建立的超声波相差法甲烷浓度值测量数学算法，进行了报警器的软硬件设计。报警器以 PIC 系列单片机为核心 CPU，超声波传感器接收信号经滤波放大之后进行检相，检相后的信号输入至单片机的模数转换器，经数据处理后，最终完成了浓度信息从模拟量至浓度百分比的转变。无线通信模块实现了与检测模块的信息交互，完成了浓度值信息的联网。浓度值信息通过 WiFi 模块联网后传输至氦氪云服务器，并向手机端实时推送报警信息。主要完成的内容具体如下：1. 对超声波气体传感器作了深入分析，了解了超声波传感器的性能指标，确保了超声波相位差法气体浓度测量的可行性。参考声速公式，结合温度补偿，提出了甲烷气体浓度关于相位差与温度的数学算法。
参考文献（略）
