家用天然氣濃度監控裝置設計

李志偉，劉紅江，趙戰國

(河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042)

0 引言

天然氣管道鋪設覆蓋了大部分城市的居民小區，并且在很多地方都建立了天然氣加氣站，既可以給出租車提供燃氣，也可以給鄉鎮等沒有集中居住的居民提供天然氣。我們在肯定天然氣給人們的生活帶來極大便利的同時，也要承認在天然氣使用過程中的泄漏問題也是一個極大的安全隱患[1-4]。可燃氣體在智能創新型的居家設計中是被重點檢測的，它是直接影響人們生活的危險源，設計一種價格便宜、性能穩定、檢測精度高的天然氣檢測裝置具有很大的意義[5-8]。

本文選用MQ-5作為氣體檢測傳感器檢測環境天然氣濃度，通過ADC0809把檢測到的模擬信號轉換為數字信號傳送給控制芯片STC89C52RC單片機進行運算比較，然后通過液晶屏LCD1602進行檢測濃度實時顯示，如果濃度超限可以啟動聲光報警，并啟動執行裝置切斷燃氣閥門[9-11]。

1 監控系統硬件設計

監控系統由AT89C52單片機最小系統電路、MQ-5天然氣濃度檢測電路、蜂鳴器報警電路、狀態指示燈電路及天然氣濃度執行調節電路組成。

1.1 AT89C52單片機最小系統電路設計

AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機，具有體積小、價格便宜、運行穩定等優點[12-15]，其最小系統電路如圖1所示，主要由晶振電路和復位電路構成。晶振電路產生單片機所必需的時鐘頻率，為12 MHz，單片機的復位可以通過上電復位也可以通過上電之后按鍵key1復位，系統直接采用直流5 V電源供電。

圖1 AT89C52單片機最小系統

1.2 天然氣濃度測量電路設計

MQ-5氣體傳感器內部使用的是氣敏材料二氧化錫，SnO2在清潔空氣中電導率較低，而對甲烷、煤氣等可燃性氣體有很高的靈敏度。傳感器的電導率會隨著檢測環境中可燃氣體濃度的增大而增大，并且抗外界干擾能力強，設計一個簡單的轉換電路就可以將電導率的變化轉換為與氣體濃度相對應的輸出信號，所以被選用來檢測本次設計中天然氣的濃度。MQ-5的主要作用是根據空氣中可燃氣體濃度的不同轉換成不同的電壓信號，其具有以下特點：①大的探測范圍；②單電源供電，功耗小；③靈敏度高，所以響應恢復快；④使用時間長，穩定性好；⑤驅動簡單方便。MQ-5的主要參數如表1所示。

表1 MQ-5主要參數

在氣體檢測電路中，MQ-5是一個可燃氣體采集元件，它的1、2、3引腳分別接上+5 V的電源，給傳感器提供一個電壓，5號引腳和R7串聯，R7是一個5.1 Ω的保護電阻，也可以直接接地，4號、6號引腳相連后與R8串聯。在實際的測量電路中，MQ-5相當于一個電阻，左端接入VCC，右端又連接了一個1 kΩ的電阻，然后再接地，這兩個電阻串聯連接形成一個分壓電路，輸出為IN腳，接到ADC0809的I/O口上。在檢測到的氣體濃度升高時，MQ-5的阻值減小，并且濃度越高，阻值越小，在IN端輸出的電壓值就會越大。圖2為氣體傳感器檢測電路，C4是一個濾波電容，MQ-5和1 kΩ電阻串聯后中間經過IN端口會輸出一個電壓，電壓信號傳送到ADC0809中，0809采集的模擬信號會被轉化成數字信號，該數字量信號通過接線端子被送入單片機P1口，圖3為A/D轉換電路。

圖2 氣體傳感器檢測電路

圖3 A/D轉換電路

1.3 LCD1602液晶顯示電路設計

液晶顯示電路主要由LCD1602和外圍電路組成，如圖4所示。液晶屏的3腳連接一個電位器,如果想改變屏幕的對比度，可以適當轉動電位器的轉軸使屏幕顯示更加清晰。

圖4 LCD液晶顯示電路

1.4 報警電路設計

報警電路由聲報警電路和光報警電路兩部分組成。

聲報警電路由一個2.2 kΩ的上拉電阻、一個9012PNP型三極管和一個蜂鳴器組成,三極管的作用是充當開關和將電流放大來驅動蜂鳴器，電阻的作用是降低接入單片機的電流以保護I/O口，所以這是一個限流電阻。在報警電路中，三極管的基極與電阻串聯，與單片機P2.5端口相連接，當P2.5端口輸出低電平時，三極管導通，蜂鳴器得電響應。聲報警電路如圖5所示。

圖5 聲報警電路圖6 光報警電路

光報警電路是一個2.2 kΩ的電阻串聯一個LED燈(紅燈)和一個220 Ω的電阻串聯一個LED燈(綠燈)。由于單片機供電電壓是5 V，LED工作電壓是3 V，因此需要電阻串聯分壓；而且綠燈驅動電流大，紅燈驅動電流小，所以綠燈串聯一個阻值小的電阻。綠燈和紅燈分別指示濃度值高低的正常信號和報警信號，光報警電路如圖6所示。

1.5 控制執行電路設計

控制執行電路如圖7所示。在控制執行電路中，一個1 kΩ的電阻和一個9012PNP型三極管串聯，它被連接到單片機的P3.4端口。9012三極管起一個開關作用，當P3.4口輸出高電平時，三極管截止，繼電器失電；當P3.4口輸出低電平時，三極管導通，繼電器吸合供電，排風扇M1轉動，并切斷天然氣閥門。繼電器并聯有一個黃色發光二極管D2，黃燈亮是表示繼電器吸合的一個信號。

圖7 控制執行電路

2 系統軟件設計

整個系統功能是由軟件程序配合硬件電路共同實現的，軟件程序主要由主程序和子程序組成。主程序是整個軟件的核心，用來協調執行模塊和操作者的聯系，子程序用來完成檢測、計算、顯示等實質性工作，溫濕度監控程序流程如圖8所示，數據采集子程序與LCD1602顯示子程序分別如圖9和圖10所示。

圖8 溫濕度監控系統主程序圖9 數據采集子程序圖10 LCD1602顯示子程序

3 系統仿真與實物測試

3.1 系統仿真

系統仿真采用Proteus軟件結合Keil C51共同完成，在Keil C51軟件中加載C語言代碼，生成HEX文件，在Proteus軟件中制作系統電路，仿真界面如圖11所示。

圖11 系統仿真界面

3.2 實物測試

按照原理圖選取電子元件進行電路焊接，如圖12所示，并對單片機加載運行程序。天然氣濃度未超過設定報警值時，綠燈閃亮；天然氣濃度超過報警值時，紅燈閃亮，蜂鳴器發聲，同時風扇啟動；液晶屏實時顯示當前天然氣濃度；報警濃度閾值可以通過按鍵設定。經測試靈敏度能夠達到檢測要求，運行可靠。

4 結語

本文結合AT89C52單片機、MQ-5傳感器、LCD1602液晶顯示器及相應調節裝置構成的天然氣監控系統具有結構簡單、運行穩定、價格便宜等優點，具有一定的推廣應用價值。