基于單片機智能化燃氣報警器的設(shè)計

揭懿暉 李天龍 胡梓東 陳旭輝 黃美蓮

摘 要：以單片機和MQ-2傳感器為核心設(shè)計的一款燃氣泄漏報警器，可以實現(xiàn)聲光報警功能。該報警器采用了MQ-2氣敏傳感器和DS18B20溫度傳感器分別監(jiān)測燃氣泄漏情況和現(xiàn)場溫度信息，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過單片機AT89C51處理后送LCD1602顯示。檢測數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閾值，啟動聲光報警，同時觸發(fā)L298N驅(qū)動風扇運行，進行排氣。該報警器系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：MQ-2;單片機AT89C51;DS18B20

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.128

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，煤氣、天然氣、液化氣等燃氣已成為城市居民的主要燃料[1]。隨著人們的生活也在發(fā)展和改善，作為發(fā)動機的“糧食”——燃料，使用范圍也是越來越廣，同時燃料使用不當引起的火災(zāi)也是越來越多，給居民生活和經(jīng)濟帶來很多隱患。針對燃氣泄漏所造成的種種事故，本文設(shè)計了一款在一定范圍內(nèi)對燃氣火災(zāi)進行有效預(yù)警和制動的報警器，從根源上對火災(zāi)險情進行提前預(yù)警。本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單，造價便宜，維護成本低等優(yōu)點。

1 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要包括電源模塊、氣敏傳感器模塊、溫度傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊、單片機處理模塊、電磁閥驅(qū)動模塊等。其工作原理是以AT89C51單片機為核心控制，采用MQ-2傳感器和DS18B20溫度傳感器檢測燃氣泄漏情況和溫度變化信息。檢測數(shù)據(jù)通過AT89C51芯片處理后送LCD1620液晶顯示器顯示。若檢測到的數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)聲光報警，同時繼電器動作關(guān)閉燃氣管道閥門，從而實現(xiàn)報警和安全保護的作用。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.1 單片機模塊

該報警系統(tǒng)采用了AT89C51單片機智能芯片，選用該芯片主要是考慮經(jīng)濟性和可靠性，采用簡單的電阻電容構(gòu)成的按鍵電平復(fù)位方式[2]。復(fù)位電路和時鐘電路構(gòu)成了單片機的最小系統(tǒng)。復(fù)位電路由10μF電容和10KΩ電阻構(gòu)成，在上電瞬間實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位，也可以利用復(fù)位按鍵實現(xiàn)復(fù)位。外連接時鐘電路采用了11.0592MHZ的晶振和2個30PF的電容組成，這兩種器件在布局上要盡量靠近單片機。單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.2 傳感器模塊

本報警系統(tǒng)采用了MQ-2氣敏傳感器和DS18B20溫度傳感器模塊。MQ-2氣敏傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)快，穩(wěn)定性好、抗干擾等優(yōu)點，可以檢測液化氣、天然氣、酒精等可燃氣體。MQ-2傳感器由二氧化錫半導(dǎo)體材料制成的N型半導(dǎo)體器件，本設(shè)計利用MQ-2傳感器對可燃氣體濃度進行檢測，檢測到的模擬信號通過A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送入單片機AT89C51與預(yù)設(shè)閾值進行對比，判斷是否啟動報警器。為了提高檢測系統(tǒng)的可靠性，同時利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測周圍環(huán)境的溫度，將檢測的溫度信號也一并送入單片機與預(yù)設(shè)閾值對比[3]。傳感器檢測轉(zhuǎn)換模塊電路如圖3所示。

1.3 顯示模塊

顯示模塊采用液晶顯示器LCD1602來實現(xiàn)。由傳感器采集到的模擬信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，輸送到液晶顯示器LCD1602顯示。該顯示器既可以顯示采集到信號，也可以顯示預(yù)設(shè)的溫度值和可燃氣體的濃度值。其電路如圖4所示。

1.4 按鍵模塊

在單片機按鍵模塊中，一般可以分為獨立按鍵與矩陣按鍵兩種形式，根據(jù)設(shè)計功能所需的按鍵并不多，所以本次設(shè)計選擇獨立按鍵即可。其工作原理是按鍵的一端都接地，另外一端對應(yīng)連接單片機的IO口，由于單片機端口得電處于高電平，在按鍵沒按下的情況下，單片機端口一直處于高電平，當按下按鍵時，單片機IO口直接與地相連，單片機IO口就會檢測到低電平，單片機檢測到低電平的時候，就會執(zhí)行相對應(yīng)的程序。所以單片機只要根據(jù)IO高低電平變化，即可知道是否有按鍵按下。在本次設(shè)計中采用了4個獨立按鍵，按鍵SW1為功能設(shè)置選擇鍵，按鍵SW2為加功能，按鍵SW3為減功能，SW4為復(fù)位功能。其按鍵電路如圖5所示。

1.5 聲光報警模塊

聲光報警部分由蜂鳴器和led燈兩個模塊組成，蜂鳴器模塊的驅(qū)動采用的是PNP型三極管，只要單片機的I/O口輸入低電平，這個三極管導(dǎo)通，蜂鳴器得電發(fā)出聲音。而led燈模塊即由P3.6和P3.7兩個I/O口輸出，當溫度過高P3.6口發(fā)出信號，使得紅燈得電報警;當煙霧濃度過高P3.7口發(fā)出信號，使得黃燈得電報警。其電路如圖6所示。

1.6 驅(qū)動電路模塊

根據(jù)AT89C5151單片機的工作特性可知，51單片機IO口輸出電流在20mA左右，由于電流過小，使單片機IO口無法直接與電機相連去驅(qū)動電機運行，所以51單片機需要設(shè)計驅(qū)動電路模塊。L298N是常用于驅(qū)動電路，它可同時驅(qū)動兩臺電機，但是根據(jù)設(shè)計功能，只需要驅(qū)動一個電機即可。根據(jù)其功能使用說明，通過在輸入端IN1和IN2輸入信號，經(jīng)過邏輯運算后，在輸出端OUT1和OUT2輸出對應(yīng)信號與電機相連，即電機由IN1和IN2控制，在輸入端任意一個端口輸入低電平，其輸出端對應(yīng)輸出高電平，從而在輸出端口形成電位差，產(chǎn)生電流去驅(qū)動電機運行。其電路如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

溫度傳感器的溫度信號檢測和氣敏傳感器的濃度信號檢測由軟件編程實現(xiàn)。采集到的信號通過軟件進行處理和顯示，并判斷采集的信號是否超出預(yù)設(shè)的報警值，若溫度超出預(yù)設(shè)的報警值則啟動紅燈和聲音報警;若燃氣濃度值超出預(yù)設(shè)的報警值則啟動黃燈和聲音報警，同時啟動排氣扇進行排氣。主程序中包括了初始化、中斷功能、輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定等，其工作流程圖如圖8所示，系統(tǒng)的總電路原理圖如圖9所示。

3 結(jié)語

該報警系統(tǒng)通過檢測氣體的濃度和環(huán)境的溫度共同來實現(xiàn)是否發(fā)生火災(zāi)或是否有燃氣氣體泄漏，提高了報警的可靠性。該報警系統(tǒng)不僅性能穩(wěn)定、可靠，而且電路簡單，維護成本低等優(yōu)點。

參考文獻：

[1]李曉明.淺析提高計量檢定工作質(zhì)量的有限措施[J].民營科技，2017（01）：58.

[2]馬鵬飛.基于單片機的燃氣報警器的設(shè)計[J].科技展望，2015（16）：78.

[3]張群強，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計[J].價值工程，2015（05）：96.

作者簡介：揭懿暉（1995-），男，廣東廉江人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。