家用煤氣管道氣體泄漏報警器的設計探討

摘 要：煤氣的廣泛使用給居民生活帶來了更多便捷，提高了生活質量和生活效率，并且減少了居民對城市的污染。但是，煤氣具有一定的危險性，一旦發(fā)生不同程度的泄漏，如果處理不及時，就可能引發(fā)人中毒事件，甚至是爆炸事件，給廣大群眾的人身與財產(chǎn)安全帶來威脅。針對煤氣泄漏而帶來的各種安全隱患和威脅，使用家用煤管道氣體泄漏報警器成為對付煤氣泄漏的重要手段。文章以傳感器智能化檢測和單片機處理與控制技術為基礎，探討設計出家用煤氣管道氣體泄漏報警器，當被測場所存在煤氣泄漏時，報警器將氣體模擬信號轉換成數(shù)字信號傳送到數(shù)碼管，顯示煤氣濃度值，并同時實現(xiàn)聲光報警。

關鍵詞：煤氣泄漏；傳感器；報警器；單片機

1 概述

煤氣管道氣體泄漏的威脅以及可能帶來的各種安全事故，需要人們研究出一個切實可行解決措施。煤氣管道氣體泄漏或未完全燃燒的廢氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是煤氣中毒事件的根源，如采用家用煤氣管道氣體泄漏報警器就可以得到及時的警示。

家泄漏報警器是居民住宅中安全使用煤氣時非常重要的保護裝置。由氣敏傳感器、單片機、報警器及其他電子元件組成。報警器由氣敏傳感器實時監(jiān)測環(huán)境中煤氣的濃度，通過氣體信號采集電路，將監(jiān)測的信號通過A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號傳遞給單片機控制電路。當氣體濃度超過單片機控制電路中的標準設定值時，控制器（單片機）通過聲光報警執(zhí)行電路發(fā)出報警用煤氣管道氣體信號，甚至可以執(zhí)行關閉煤氣閥門等動作。氣體報警器的探測氣敏傳感器通過對周圍環(huán)境中的煤氣的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學反應或電化學反應，使得傳感器的電物理特性改變，經(jīng)單片機控制電路處理后報警。該報警器能夠有效避免燃氣泄漏而引發(fā)的中毒、火災和爆炸等安全事故，目前已在世界上許多國家及地區(qū)得到普遍的應用。

近些年，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，在我國的多數(shù)城市居民住宅小區(qū)已鋪設煤氣管道，目前我國使用管道煤氣的人口數(shù)量超過兩億，這決定了管道煤氣泄漏報警器的需求量之巨大。隨著社會的進步和人們安全意識的增強，今后的報警器需求量還會增長。由此可見，煤氣管道氣體泄漏報警器的市場發(fā)展前景較為廣闊。

2 報警器系統(tǒng)的方案設計

2.1 家用煤氣管道氣體泄漏報警器系統(tǒng)的設計構思

該系統(tǒng)能夠檢測環(huán)境中的煤氣濃度，并具有聲光報警功能，系統(tǒng)的基本組成部分包括：傳感器電路、A/D轉換電路、D/A轉換電路、單片機、I/O電路等。

傳感器電路是由半導體氣敏傳感器和信號放大電路組成，將氣體濃度信號轉換為模擬電信號。A/D轉換電路將從模擬電信號轉換為數(shù)字信號后送入單片機。單片機對輸入的數(shù)字信號進行運算處理，判斷其是否達到或超過某規(guī)定值（即報警設定值），若測量值超過規(guī)定值則會自動觸發(fā)報警電路，發(fā)出聲音報警，并讓電磁閥做出反應。若測量值小于規(guī)定值，則為正常狀態(tài)。若處在一個嘈雜的環(huán)境中，為了能更方便引起人員的注意，可在聲音報警基礎上，增加閃光報警功能，實現(xiàn)聲光組合報警。

2.2 氣體傳感器的選型

氣體傳感器作為煤氣管道氣體泄漏報警器的信號采集和輸入部分，是氣-電轉換器，它將空氣中煤氣濃度信號轉換為模擬電壓或電流信號，通過A/D轉換電路，將模擬信號轉換為數(shù)字信號后送入單片機，單片機對接受的信號進行處理并控制報警。

家用煤氣管道氣體泄漏報警器主要應用在家庭，廠房等室內(nèi)易發(fā)生煤氣泄漏的場所，根據(jù)檢測要求，一般選用半導體氣敏傳感器。本設計選用MQ-5型氣敏傳感器。MQ-5氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層、測量電極和加熱器構成，固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。該氣敏元件在封裝后，共有六只針狀的管腳，其中兩個用于提供加熱電流，另四個用于信號輸出。

MQ-5傳感器可以用于對液化氣、丙烷、氫氣、天然氣和其它可燃蒸汽的檢測。具有靈敏度高、抗干擾能力強、響應快、壽命長等優(yōu)點，能適合多種應用，成本低。

2.3 單片機的選型

單片機是整個報警系統(tǒng)的核心，其接收傳感器采集的氣體濃度信號，并對模擬信號進行A/D轉換，然后對數(shù)字信號進行處理，最后控制執(zhí)行器電路工作。在選擇單片機的時候，首先要能滿足報警器設計的計算速度及接口數(shù)的要求，即在保證報警器工作靈敏、精確、可靠的條件下，選擇成本低廉、體積小的產(chǎn)品。

本文選用AT89C52型號單片機，其功耗低，性能高，共有8位數(shù)據(jù)總線，40個外部引腳，32個雙向I/O端口；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率0-24MHz；2個串行中斷，可編程UART串行通道；2個外部中斷源，共8個中斷源；2個讀寫中斷口線，3級加密位；低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能。AT89C52單片機可采用常規(guī)的方法編程，也可實現(xiàn)在線編程。AT89C52其工作電壓范圍為2.7～6V（實際使用+5V供電），內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案。

AT89C52的引腳排列如圖1所示，主要管腳有：XTAL1（19 腳）和XTAL2（18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz 晶振。RST（9 腳）為復位輸入端口，外接電阻電容組成的復位電路。VCC（40 腳）和GND（20 腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。

2.4 總體方案

2.4.1 報警器工作原理

本文所設計的家用煤氣管道氣體泄漏報警器以AT89C52型號單片機為控制核心，選用MQ-5型電阻式半導體傳感器檢測氣體濃度。

傳感器將檢測到的氣體濃度電壓信號送入A/D轉換器ADC0809；ADC0809將傳感器輸入的模擬信號轉換成數(shù)字信號，將數(shù)字信號送入AT98C52單片機內(nèi)，AT89C52單片機對氣體濃度信號進行比較處理；然后判斷氣體濃度值是否超出報警設定的規(guī)定值，當氣體濃度值處在正常范圍內(nèi)時，聲音報警器不發(fā)出報警聲，燈光報警器不會閃亮；當氣體濃度值超出設定值時，報警器發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。由于傳感器要在加熱條件下才能正常工作，響應和恢復速度隨著溫度的升高而加快。為保證傳感器可靠工作并提高其相應特性，報警器需要向傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓，提供給加熱電路工作。

2.4.2 報警器系統(tǒng)的結構

該系統(tǒng)結構框圖如圖2所示，系統(tǒng)以AT89C52單片機為控制核心，配合外圍電路共同完成信號采集、傳輸、計算處理、聲光報警等功能。

3 報警器系統(tǒng)的硬件部分設計

3.1外圍接口電路

該系統(tǒng)的外圍接口電路設計包括A/D轉換器的設計、ADC與AT89C52單片機的接口電路、聲音報警電路、燈光報警電路、單片機與PC的通信電路、數(shù)碼管顯示濃度電路、D/A轉換器的設計、DAC與單片機的接口電路等設計等。

3.2 紅外遙控系統(tǒng)

本文中采用的氣體傳感器屬于半導體型氣體傳感器，其穩(wěn)定性相對較好，但零點容易漂移，需要間斷調零和校準，因此必須每隔一段時間對敏感元件進行調校，才能保證測量的準確性保證工作環(huán)境的安全。若其具有遙控調校功能將提高產(chǎn)品的市場競爭力。而紅外遙控方式具有體積小、功耗低、成本低、功能強、可靠性高、發(fā)射和接收方便等特點，故本文采用紅外遙控系統(tǒng)。紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射電路和接收電路組成。紅外發(fā)射電路即遙控器包括：按鍵電路、編碼調制電路、紅外二極管；紅外接收部分包括：紅外接收頭、解碼電路。

3.3 總體電路設計

將主控電路和外圍接口電路（AT89C52與A/D轉換器的接口電路、AT89C52與聲光報警電路）連接起來，就得到了基于AT89C52的氣體報警總電路圖。

當環(huán)境的氣體濃度達到規(guī)定值時，氣體濃度傳感器就會產(chǎn)生模擬電壓信號，經(jīng)ADC0809轉換器轉換為單片機所能識別的數(shù)字信號。當輸入值達到設定值時，經(jīng)過處理就會驅動AT89C52單片機的相應引腳輸出，最后驅動聲光報警電路工作。因此可以得出該系統(tǒng)的總電路圖，如圖3所示。

4 報警器系統(tǒng)的軟件設計

4.1 主程序設計流程

本設計采用C語言進行軟件設計。C語言是一種編譯型計算機程序設計語言，它具有高級語言和匯編語言的特點，是一門廣泛應用于單片機與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的高級程序設計語言。C語言簡潔靈活、庫函數(shù)豐富、運算速度快、程序執(zhí)行效率高、可移植性好，可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的操作。C語言是一種結構化程序設計語言，它支持目前廣泛采用的由上而下結構化程序設計技術。此外，C語言程序具有完善的模塊程序結構，可以為軟件開發(fā)中采用模塊化程序設計方法提供有力的保障。本設計的主程序流程圖如圖4 所示。

4.2 程序調試

本設計使用Keil軟件對程序進行設計并調試。Keil C51軟件為美國Keil Software公司的產(chǎn)品，是51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編語言相比，C在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，適合各階段的學習和使用者。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。

5 結束語

本文設計的家用煤氣管道氣體泄漏報警器由兩大部分構成：氣體濃度檢測電路和單片機控制電路。選用MQ-5型半導體電阻式氣體傳感器，它的靈敏度適中，具有響應快、恢復特性好、長期工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在單片機控制電路的設計時，選用了AT89C52單片機，充分利用了其高速運算處理能力和豐富的片內(nèi)外設，實現(xiàn)了報警器的小型化和智能化。使報警器具有結構簡單、穩(wěn)定性好、體積小巧、成本低廉等優(yōu)點。

家用煤氣管道氣體泄漏報警器能對氣體濃度進行實時監(jiān)測，當氣體的濃度達到規(guī)定值時，發(fā)出聲音和閃光報警。報警器還可以與PC機進行通信，實時傳輸氣體濃度檢測數(shù)據(jù)，由PC機進行記錄保存，也可以利用PC機實現(xiàn)遠程實監(jiān)控等功能。

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