基于單片機的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)的設(shè)計

1、基于單片機的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)的設(shè)計摘 要：本文介紹了一種基于單片機的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)，可對煤氣濃度進行實 時檢測和監(jiān)控、報警，而且還能實現(xiàn)自動開啟和關(guān)閉排氣裝置和煤氣管道閥門。具有結(jié)構(gòu)簡 單、價格低廉、易于操作等特點。主要闡述了控制系統(tǒng)、信號檢測系統(tǒng)、功能執(zhí)行部件的硬 件設(shè)計，給出了程序的設(shè)計方法，并對程序進行了簡要的分析。關(guān)鍵詞：單片機；煤氣泄漏；聲光報警；氣敏傳感器Abstract:This paper introduces a novel intelligent gas monitoring and controlling system based on the single

2、-chip computer technology. It can provide us with the following functions: dynamic measurements, monitoring and controlling, and also alarms for the on-the-spot gas concentration. Besides, this system can automatically open and shut off the gas-pipe valve. It is simple in structure, low cost and eas

3、y to operate and so on. It briefly introduces the control systems, signal sensing systems, hardware design of the functional components. The process design methodology and a brief analysis of procedures were given.Keywords:single-chip computer; gas leak; sound-light alarm;gas sensor一、概述隨著國民經(jīng)濟的日益發(fā)展，人

4、民生活水平、生活質(zhì)量的不斷提高，公寓式客房、高級住 宅小區(qū)越來越多，使煤氣的使用更為普遍。煤氣的開發(fā)利用大大造福于家庭生活，同時也帶來了更多的爆炸或火災(zāi)隱患。由于使用 不當(dāng)或設(shè)備不完善、老化等問題引起煤氣泄漏、爆炸的事故也在增多，極大地威脅著人們的 生命財產(chǎn)安全。根據(jù)一氧化碳的性質(zhì)，人體暴露在濃度為 2510-6 的一氧化碳中，人即會有 輕度頭痛、惡心等中毒癥狀。若持續(xù)兩個小時或當(dāng)一氧化碳濃度為 150010-6 時，一氧化碳- 血紅蛋白的結(jié)合率就會升高，人就會產(chǎn)生昏迷、抽搐等重度中毒的癥狀，給人體造成不可逆 轉(zhuǎn)的傷害，直至死亡。雖然人們對煤氣泄漏事件有了一定的防范意識，但是，煤氣泄漏事件造成

5、的家庭悲劇時 有發(fā)生，不僅帶來了人員傷亡，而且還造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。為了確保家庭用氣的安全， 防止煤氣泄漏引起的中毒和爆炸事件的發(fā)生，煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)也就應(yīng)運而生了。煤 氣泄漏檢測報警系統(tǒng)能夠檢測室內(nèi)煤氣濃度，當(dāng)煤氣泄漏時產(chǎn)生報警，在減少人員傷亡和經(jīng) 濟損失方面起到至關(guān)重要的作用。一般的煤氣報警器功能單一，或是必須手動復(fù)位閥門系統(tǒng)，性能穩(wěn)定性低，而大型的監(jiān)控系統(tǒng)又價格不菲，需專門的技術(shù)人員來管理，不適用于中小企業(yè)和家庭。本文設(shè)計了一種基于單片機的煤氣泄漏與報警系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、易于操作等特點，適于家庭 使用。本系統(tǒng)采用單片機作為核心控制部件，氣敏傳感器作為信息提取部件。實現(xiàn)

6、的功能如下： 氣敏傳感器實時檢測室內(nèi)煤氣濃度信號，濃度信號經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后，送入單片機中，單片機 對此信號進行處理后，送入顯示電路，實時顯示室內(nèi)煤氣濃度，當(dāng)室內(nèi)煤氣濃度超限（即達 到危險濃度）時，實現(xiàn)聲光報警，并關(guān)閉氣源、開啟排氣裝置，待室內(nèi)煤氣濃度恢復(fù)到安全濃度后，停止報警及排氣，并打開氣源。本設(shè)計的原理框圖如下圖 1 所示：檢測電路A/D 轉(zhuǎn) 換單片機聲光報警驅(qū)動電路開/關(guān)氣源顯示電路執(zhí)行電路開啟/關(guān)閉排氣裝置圖 1 總體框圖整個系統(tǒng)的工作原理是利用半導(dǎo)體氣敏傳感器將煤氣濃度變換成模擬電壓信號，此電壓 信號經(jīng)放大后送到 A/D 轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字量送入單片機進行數(shù)據(jù)分析。單片機將數(shù)據(jù)處

7、理后，送顯示電路顯示濃度信息。當(dāng)空氣中的煤氣濃度達到設(shè)定值時，將煤氣管道關(guān)閉并打 開排氣裝置，并輸出數(shù)字信號驅(qū)動聲光報警。二、煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)的實現(xiàn)2.1 檢測模塊的實現(xiàn) 本系統(tǒng)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器的氣體檢測部件。檢測氣體濃度時，用恒定電流對氣敏傳感器進行間接加熱，由于其氣體濃度等效電阻RS隨著氣體濃度增加而成非線性減少，需要對 電路進行線性化校正。AD538是美國ADI公司出品的實時模擬計算器件，能提供精確的模擬 乘、除和冪運算功能。該集成電路有三個輸入電壓VX，VY，VZ，轉(zhuǎn)換函數(shù)為VOUT = VY（VZ/ VX）m可以通過連接特定管腳來實現(xiàn)特定函數(shù)。通過外接 12 個電阻可以實現(xiàn)

8、不同的 m 值的 指數(shù)運算，利用芯片上的對數(shù)比例和輸出部分可以直接實現(xiàn)對書比例運算。半導(dǎo)體氣敏傳感器將煤氣濃度轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，然后經(jīng)線性化電路，將濃度與電壓成比例。這一與煤氣濃度成比例，且經(jīng)放大后的模擬電壓信號送入后面的 A/D 轉(zhuǎn)換中。這樣就完成了煤氣泄漏的檢測。2.2 控制模塊的實現(xiàn) 控制部分首先完成濃度信息的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，然后，將數(shù)據(jù)進行分析去控制各部分電路工作。1、 A/D 轉(zhuǎn)換A/D 轉(zhuǎn)換采用 AD0809 逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，它具有 8 個模擬量輸入通道。本設(shè)計 采用程序查詢方式，需要將 EOC 通過三態(tài)門接至系統(tǒng)的一根數(shù)據(jù)總線上。CPU 查詢該總線 的位是否為低電平，

9、若為低電平，則再查詢它是否為高電平，若是，則表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，CPU 再執(zhí)行讀 ADC0809 端口的指令即可。在設(shè)計中僅僅用到一個模擬量輸入通道，則只需將模擬量輸入通道地址選擇線 A、B、C 端接地，選擇通道 IN0。P2.1 與 SC 連接，用來控制 A/D 轉(zhuǎn)換的啟停。P2.2 與 OE 端相連， 用來打開輸出鎖存器緩沖器，將其中的數(shù)據(jù)放到外部的數(shù)據(jù)線上。P2.0 與 EOC 相連，采用 查詢方式，通過 P2.0 接收到的數(shù)據(jù)來判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束。2、系統(tǒng)的核心控制部件AT89C51 是一種低功耗、高性能的 8 位單片機，片內(nèi)帶有一個 4K 字節(jié)的 Flash 可編程 可擦除只讀存儲器，它采用

10、了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 兼容。片內(nèi)的 Flash 存儲器允 許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此 AT89C51 是一種功能 強、靈活性高且價格合理的單片機，它可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。經(jīng)過分析比較，根據(jù) 本課題的特點，選用 ATMEL 公司的 89 系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機 AT89C51。我們將P0 口作為A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)輸入端，P2.1 和P2.2 控制A/D 轉(zhuǎn)換的啟停，P2.0 與ADC0809的EOC相連，判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。P2.6控制聲光報警，P2.7控

11、制執(zhí)行電路。P1口接數(shù)碼管顯示電路，P3.0、P3.1、P3.2為數(shù)碼管的片選信號輸出。I/O口分配如下圖2所示：數(shù)碼管顯示電路LED 位選線AT89C51P1P0P3.0P2.0P3.1P3.2P2.1P2.2RESETP2.6A/D 轉(zhuǎn)換后數(shù) 字信號輸入A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號ADC0809 啟?？刂茝?fù)位電路XTAL1XTAL2P2.7聲光報警時鐘電路執(zhí)行電路圖2 單片機接口配置2.3 顯示、報警與執(zhí)行電路的實現(xiàn)1、顯示電路的實現(xiàn)LED顯示器具有耗電少、成本低廉、配置簡單靈活、安裝方便、耐振動、使用壽命長等 優(yōu)點，本著經(jīng)濟、實用的原則，系統(tǒng)采用LED顯示器。本設(shè)計采用共陰極七段數(shù)碼管顯示室 內(nèi)

12、煤氣濃度，采用動態(tài)顯示方法，這種方法中所有數(shù)碼管共用同一個段碼輸出口，分時輪流 通電，從而大大簡化硬件線路，降低成本。由單片機的P1口向LED數(shù)碼管送入顯示碼，由P3.0、 P3.1、P3.2用來片選數(shù)碼管。當(dāng)P3.2為“0”時，選通第一片數(shù)碼管，然后單片機將要顯示數(shù) 送至P1口，則顯示出要顯示的數(shù)字；同樣，當(dāng)?shù)诙瑪?shù)碼管被選通后，顯示另外數(shù)字。2、 聲光報警的實現(xiàn)在該設(shè)計中，光報警電路采用發(fā)光二極管LED（Lighting Emitting Diode）來實現(xiàn)。聲音 報警電路是采用蜂鳴器來實現(xiàn)的。當(dāng)單片機檢測到煤氣泄漏信號后，將通過軟件使LED點亮， 同時使蜂鳴器發(fā)出報警信號。設(shè)計中是由單片

13、機的P2.6口完成聲光報警的，當(dāng)報警時，將該 位置位，打開三極管接通電路，使發(fā)光二極管發(fā)光，蜂鳴器發(fā)出報警信號。3、 執(zhí)行電路的實現(xiàn) 該部分電路包括開啟排氣裝置和關(guān)閉氣源兩個部分，關(guān)閉氣源防止煤氣繼續(xù)泄漏，排氣裝置排出氣體，能徹底解決煤氣泄漏問題。單片機完成控制處理總是以數(shù)字信號通過 I/O 口或數(shù)據(jù)總線送給控制對象，這些數(shù)字信號形態(tài)主要有開關(guān)量、二進制數(shù)字量和頻率量。這 里是以開關(guān)量形態(tài)的數(shù)字信號通過 I/O 口送給控制對象，這些信號須經(jīng)功率放大后才能用來 驅(qū)動被控對象，并且在單片機和功率放大電路之間需使用光電隔離技術(shù)。光電耦合器由發(fā)光 二極管和光敏晶體管組成，當(dāng)在發(fā)光二極管兩端加正向電壓時

14、，發(fā)光二極管點亮，照射光敏 晶體管使之導(dǎo)通，產(chǎn)生輸出信號。因為開關(guān)量輸入、輸出通道是干擾竄入的渠道，要切斷這 條渠道就要去掉被控對象與輸入、輸出通道之間的公共地線，實現(xiàn)彼此電隔離以抑制干擾脈 沖。電磁閥是工業(yè)過程控制系統(tǒng)常用的開關(guān)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)介質(zhì)的遙控或程控，是以電磁力 轉(zhuǎn)化為機械力來實現(xiàn)開關(guān)目的的，由于電磁閥具有體積小、重量輕、操作容易、維護方便等 優(yōu)點，應(yīng)用已日趨廣泛。本設(shè)計的執(zhí)行電路的工作電壓是交流 220V，所以首先采用光電隔 離，然后使繼電器動作，驅(qū)動電磁閥工作，完成煤氣管道的開關(guān)和排氣裝置的開關(guān)。系統(tǒng)總體電路圖如下圖 3 所示：D0 1D1 2D2 3D3 4D4 5D5 6D6

15、 7D7 81011121314151617393837363534333217141581819202126P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07D0D1D2D3D4D5D6D7IN-0+Ucc27IN-1DPYa28IN-2R3215c f g bREF-03118de e cIN-3Rp1 10Kd2217f g dpIN-4ADC0809IN-5IN-6dp21222324252627287P30P31P32P33P34P35P36P37P20P21P22P23P24P25P26P27EOC3315252423ADD-A ADD

16、-B ADD-CAT89C514414AD53855U+ 613IN-72269OP77ALE SC OE1212ref(+)U-+Ucc31711EA/VP10167805CLKref(-)19188Rp210X1X22930PSEN ALE/P9RESET1F5K1F26CDQ35CLKQR620KR530.1K+5V+5V+12VR4IKLEDRR排氣裝置R電磁閥BUZZERVV交流220VK+5V1a b2a b3a bD01D12D23D34D45D56D67D78D01D12D23D34D45D56D67D78D01DPYaDPYaD12D23D34c f g bc f g bde

17、 e cdD45e e cdD56 dp D67D78df g dpf g dpdp30pF30pF+5VRs圖 3 系統(tǒng)總體硬件電路圖三、軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用匯編語言編制，包括系統(tǒng)主程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序等。 系統(tǒng)主程序的功能是完成系統(tǒng)的初始化、信號采集及處理、濃度信息顯示、濃度超限報警、閥門關(guān)閉和啟動排氣裝置等，根據(jù)系統(tǒng)工作特點，程序采用結(jié)構(gòu)化的軟件設(shè)計方法。A/D轉(zhuǎn)換子程序完成對A/D轉(zhuǎn)換器的查詢，首先啟動A/D轉(zhuǎn)換器，然后通過查詢方式， 檢測是否A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，如果沒有結(jié)束，則延時后再次查詢，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，如果轉(zhuǎn)換結(jié)束， 則將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)單元。顯示子程序完成濃度信號的顯示，

18、首先將從A/D轉(zhuǎn)換器中得到的二進制轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成要顯示的十進制數(shù)據(jù)，然后控制顯示電路，選通相應(yīng)的數(shù)碼管，完成動態(tài)顯示。四、結(jié)束語本文設(shè)計的煤氣泄漏檢測與報警系統(tǒng)，也可作為家庭智能化系統(tǒng)里的一部分，為保護 人們生命財產(chǎn)安全起著重要的作用。結(jié)合了單片機、檢測、工控等知識，總的來說，本設(shè)計 已經(jīng)在原理上實現(xiàn)了要求的功能。在智能控制方面，選用了技術(shù)成熟的ATMEL公司推出的 AT89C51單片機作為主控單元，最大限度的將其具備的資源應(yīng)用到設(shè)計中，既體現(xiàn)了單片機 系統(tǒng)的應(yīng)用的靈活性，又實現(xiàn)功能多樣的智能控制。半導(dǎo)體氣敏傳感器作為煤氣泄漏檢測部 件，具有很高的靈敏度，使用方便、費用低。在系統(tǒng)的硬件設(shè)計上，充分借鑒了已有的、經(jīng) 典的電路設(shè)計，并做了適當(dāng)?shù)男薷模卉浖O(shè)計上，編程盡可能模塊化；為了降低功耗，在選 用器件時盡量采用低功耗的元件。參考資料1康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).模擬部分.北京:高等教育出版社,20032余發(fā)山.單片機原理及應(yīng)用技術(shù).徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,20033何立民.單片機實驗與實踐教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,20034戴佳