基于單片機的家庭C O和甲烷泄漏的檢測、報警與排氣

劉睿鑫 張 云 曹貫強

(中國礦業大學〈北京〉機電與信息工程學院，中國 北京 100000)

0 引言

由于使用液化氣做飯比較方便，好多家庭在使用，但是同時液化氣泄漏帶來的危害是致命的。而且在北方的冬天，因為人們取暖的需要，好多家庭生火爐來取暖。但是煤炭不完全燃燒產生的CO卻是致命的無色無味氣體，當其在空氣中含量達到200ppm時會出現頭痛、頭暈、惡心等癥狀，達到400ppm時兩小時內時會出現前額通而三小時后會有生命危險，達到800ppm時在四十五分鐘內出現頭痛和惡心而兩小時后有生命危險，達到1600ppm時會在一小時內死亡。而且CO易與空氣混合發生爆炸，其混合爆炸極限為12.5%～74%。一次次煤氣中毒帶來的血的教訓讓我們必須重視這個安全問題。

本文設計一種系統，該系統能夠隨時的檢測空氣中的CO和甲烷的含量，同時顯示在LED上，并且在一定濃度能夠實現報警功能，而這個濃度是可以人為設定的。而且當CO濃度達到危害人身體的濃度時，可以驅動排氣機部分工作來實現迅速通風從而排除險情，這樣就可以避免事故的發生。

1 系統的硬件電路設計

1.1 單片機硬件系統的組成框圖（圖1）

圖1 單片機硬件系統的組成框圖

1.2 單片機微控制器

由于本系統要實現的功能并不是很復雜，故采用Intel公司MCS-51系列單片機的80C51單片機，該單片機有體積小、價格低、耗電小、電源單一、抗干擾能力強、可靠性高、控制功能強、運行速度快、開發應用方便等優點。80C51內部有128字節的RAM容量和4K的ROM。并且有兩個16位定時計數器，兩個外中斷，兩個定時計數中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。而且在內部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調電容外接，本系統中采用6MHz的晶振頻率。由于80C51的系統性能滿足系統數據采集及時間精度的要求，而且由于出現較早故應用也很成熟，符合本系統的要求，故采用來作為本系統的控制核心。

1.3 低濃度氣體傳感器

由于CO和甲烷在低濃度下就對人體產生危害，故本系統用的是在低濃度下誤差小精度高的催化燃燒式氣體傳感器，該傳感器選擇性地檢測可燃性氣體凡是可以燃燒的，都能夠檢測，凡是不能燃燒的，傳感器都沒有任何響應，故不會與其他非可燃性氣體發生交叉感染。由于本系統檢測的CO和甲烷都是可燃氣體故該傳感器符合要求。催化燃燒式氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應原理，由檢測元件和補償元件配對構成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃氣體在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發生無焰燃燒，載體溫度就升高，通過它內部的鉑絲電阻也相應升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃氣體濃度成正比的電信號，再通過信號調理電路的放大、有源濾波電路的濾波以及經過A/D轉換就可將數字量輸入單片機進行處理。催化燃燒式氣體傳感器具有輸出信號線性好、指數可靠、價格便宜、計量準確，響應快速，壽命較長的優點。

1.4 信號調理電路

由于催化燃燒式氣體傳感器輸出的是微弱的電壓信號，不利于AD采樣，故通過信號調理電路將其放大得到較強的模擬電壓信號。

1.5 有源濾波電路

濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中無用頻率，即抑制無用信號的電子裝置。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應的放大器。它是在無源濾波器的基礎上增加運算放大器而構成的。有源濾波器可以實現信號的放大同時克服了無源濾波加負載時對濾波效果的影響。由于該系統AD轉化的是直流信號，故該系統使用二階壓控型低通濾波器（如圖2）。設置截止頻率為500Hz。

圖2 二階壓控型低通濾波器結構圖

1.6 A/D轉換芯片ADC0809

經過濾波后的信號是模擬信號，不能被單片機識別，故必須通過A/D轉換芯片對其進行轉換才能輸入到單片機進行處理。該系統用到的AD芯片是ADC0809。濾波器的輸出端接到芯片的IN0。輸出接到單片機的全雙工并行口上。

1.7 報警部分

由于是家庭簡易裝置，故使用簡單蜂鳴器系統（如圖3）即可。當AD裝換過來的數值即可燃氣體濃度接近危害人身體的數值時即通過單片機控制其中三極管導通從而發聲報警。

圖3 蜂鳴器系統原理圖

1.8 電源部分

由于家庭都使用220V交流電，然而整個系統用的是5V的直流電。故需要通過單向橋式整流電路得到直流電壓，再通過7805三端穩壓集成電路使輸出電壓穩定為5V，從而給系統供電。（如圖4）

圖4 整流和穩壓電路示意圖

1.9 鍵盤和顯示部分

為了減輕單片機的負擔，該系統在按鍵和顯示部分使用7279芯片來讀入按鍵值和控制LED的點亮。按鍵是由0～9數字鍵和確認鍵構成，用來設定報警的濃度下限值。鍵盤以中斷方式運行。顯示器用兩個LED數碼管，一個用來顯示當前的CO和甲烷的濃度，一個用來顯示設定的報警濃度。（如圖5）

圖5 HD7279芯片控制鍵盤和LED原理圖

1.10 控制排風部分

為了提高抗干擾性，這里使用MGA607光耦、驅動管和繼電器構成對排風機的控制部分。當CO或甲烷濃度到達危害人體的數值時，單片機與光耦連接管腳置高電平，控制MGA607工作，從而使驅動管工作，使得繼電器帶電而閉合，這樣就接通了控制排風機的電路，使得排風機開始工作將房間內CO和甲烷濃度降低而排除危險。一旦危險氣體濃度降低到設定濃度以下后則單片機相應管腳置低電平從而最終控制排風機停止工作。

1.11 程序運行監控部分看門狗電路

單片機運行過程中經常會出現程序“跑飛”或者系統“死機”，但這在該系統中是不允許的，否則可能引發CO或甲烷濃度過高時仍然不報警或者不啟動排風機等事故。該系統使用看門狗芯片中的IMP 813來避免這種現象。看門狗電路是一個定時器電路，有一個輸入輸出到單片機的RST端，單片機正常工作的時候，每隔一端時間輸出一個信號到輸入端，給看門狗清零，如果超過規定的時間不輸入(一般在程序“跑飛”時)，看門狗定時超過，就回給出一個復位信號到單片機，使單片機復位，防止單片機死機。看門狗的作用就是防止程序發生死循環，或者說程序“跑飛”。

2 軟件設計

該系統軟件部分主要包括AD采樣部分、鍵盤中斷處理過程、報警程序設計部分、打開排風機程序部分以及LED顯示器顯示部分等。系統主要流程圖（圖6）。

3 結束語

該系統結構設計的簡單、可靠。既能有效的實現其功能從而保障家庭生活中使用液化氣和火爐時不會發生危險，而且硬件價格便宜，性價比高。故該系統的實用價值很強。

圖6 系統主要軟件流程圖

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