陳軍統(tǒng)，潘再平，楊舒捷

CHEN Jun-tong1, PAN Zai-ping2, YANG Shu-jie1

（1. 浙江科技學(xué)院，杭州 310023；2.浙江大學(xué)，杭州 310027）

0 引言

隨著我國(guó)燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天燃?xì)庖殉蔀槎鄶?shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問(wèn)題，造成的煤氣中毒事故，全國(guó)均有不少事例。有甚者，因室內(nèi)煤氣濃度過(guò)高，引起煤氣爆炸的事故也不少見(jiàn)。針對(duì)經(jīng)常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷及一氧化碳等氣體傳感器、單片機(jī)、電磁閥和電鈴，設(shè)計(jì)一套有毒氣體檢測(cè)、報(bào)警電路，顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量（可分優(yōu)、良、中、好、差五級(jí)），用單片機(jī)模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和電鈴以確保人生安全，這也是現(xiàn)代家居智能化的一個(gè)體現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案的選擇

方案一，通過(guò)傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來(lái)增大電流，并且驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。電路簡(jiǎn)單、可靠但是靈活性和實(shí)用性差。

方案二，可以通過(guò)傳感器感知信號(hào)多級(jí)放大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當(dāng)?shù)玫娇扇夹詺怏w信號(hào)時(shí)，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通報(bào)警電路。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復(fù)雜，智能性差。

方案三，通過(guò)單片機(jī)作為主控單元，并且能夠通過(guò)傳感器把模擬信號(hào)通過(guò)A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且讀取和顯示出來(lái)。鍵盤(pán)可以通過(guò)不

同的應(yīng)用場(chǎng)合和針對(duì)不同氣體做出不同的濃度設(shè)定，并且儲(chǔ)存報(bào)警的上限和報(bào)警時(shí)間，方便查詢(xún)和日后的工作調(diào)查。

綜合考慮，由于使用單片機(jī)設(shè)計(jì)靈活性更強(qiáng)、用途更寬廣，所以本設(shè)計(jì)采用方案三。

1.2 系統(tǒng)功能硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是一個(gè)基于單片機(jī)的煤氣報(bào)警系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)AD數(shù)據(jù)的采集和聲光的報(bào)警控制?？刂葡到y(tǒng)主要是由9S12XS128系列單片機(jī)、電源電路、傳感器電路、LED顯示與鍵盤(pán)輸入人機(jī)接口電路、聲光報(bào)警電路等部分組成。單片機(jī)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換8路傳感器來(lái)所得到的信號(hào)，進(jìn)行比較處理，并且能夠存儲(chǔ)各個(gè)通道的報(bào)警上限和報(bào)警時(shí)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，并且在安全值內(nèi)，輪回顯示當(dāng)前通道的測(cè)量值和設(shè)定值，在安全值外，產(chǎn)生聲光報(bào)警，并且輪回顯示報(bào)警通道的當(dāng)前值、設(shè)定值。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源采用直流電源變壓器輸出12V的電壓，其電源電路如圖2所示，并由去耦電容、開(kāi)關(guān)、LM2576穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。直流12V再經(jīng)過(guò)電容濾波，LM2576集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的+5V電源，用一個(gè)發(fā)光二極管指示

燈指示電源狀態(tài)。電路安全穩(wěn)定可靠，測(cè)試電壓為+5V。

圖2 電源電路圖

1.2.2 Nokia5110顯示電路模塊

使用 Nokia5110模塊具有以下特點(diǎn)：84x48的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字；采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號(hào)線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR 單片機(jī)的S P I、MCS51的串口模式0等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間；采用低電壓供電，正

常顯示時(shí)的工作電流在200μA以下，且具有掉電模式；可通過(guò)導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。

Nokia5110的初始化

圖3 5110復(fù)位時(shí)序

接通電源后，內(nèi)部寄存器和RAM的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè)RES低電平脈沖復(fù)位一下。當(dāng)電源引腳VDD變?yōu)楦唠娖?，達(dá)到VDDmin（或更高）之后，最多100ms，RST輸入低電平（電平幅度＜0.3VDD）。

1.2.3 聲光報(bào)警模塊

當(dāng)發(fā)生報(bào)警事件時(shí)，除了液晶顯示外，還要有聲光報(bào)警功能。用聲音或是燈光報(bào)警時(shí)，連續(xù)的聲響或常亮的燈光往往不易被人們的警覺(jué)，只有斷續(xù)的聲音或閃爍的燈光才能取得最佳的報(bào)警效果。利用時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)單片機(jī)的相應(yīng)IO引腳來(lái)產(chǎn)生短促的報(bào)警聲音或閃爍燈光信號(hào)。由于單片機(jī)的引腳的驅(qū)動(dòng)能力不是很強(qiáng)，不能直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED等，所以我在相應(yīng)的引腳上接一個(gè)三極管放大器將信號(hào)做相應(yīng)的放大，再去驅(qū)動(dòng)蜂鳴器和LED燈，同時(shí)這個(gè)電路也能起到保護(hù)單片機(jī)的作用。

圖4 聲光報(bào)警電路

圖4為聲光報(bào)警電路的原理圖，Beer_IO與單片機(jī)的PORTB_PB0引腳相連，LED_IO與單片機(jī)的PORTB_PB1引腳相連。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

2.1 傳感器的選擇

感應(yīng)器是系統(tǒng)重要的組成部分之一，其性能對(duì)于系統(tǒng)的精確度和實(shí)現(xiàn)范圍有這相當(dāng)大的影響，也是體現(xiàn)煤氣監(jiān)控發(fā)展現(xiàn)狀的標(biāo)志?？扇?xì)怏w的危險(xiǎn)性主要視其爆炸極限，爆炸下限數(shù)值越小、爆炸下限與上限之間的范圍越大，越危險(xiǎn)，有許多可燃?xì)怏w同時(shí)具有毒性。主要有碳化氫及其派生物如甲烷、丙烷等和無(wú)機(jī)氣體如一氧化碳、氫氣等，其中CO的氣體毒性是對(duì)人體有非常大的傷害，在設(shè)計(jì)中考慮到的是家庭的情況，是特別對(duì)于一氧化碳會(huì)中毒，所以選用了MQ-7，由于MQ-7電路簡(jiǎn)單而且價(jià)格比較便宜。而工業(yè)級(jí)別的傳感器選擇了NAP-505型電化學(xué)一氧化碳?xì)怏w傳感器，精確度高而且穩(wěn)定，適合工業(yè)上使用。

2.2 MQ-7半導(dǎo)體氣體傳感器

1）基本測(cè)試回路

圖5 傳感器的基本測(cè)試電路

該傳感器需要施加2 個(gè)電壓：傳感器的基本測(cè)試電路如圖5所示，加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC），其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度，VC 則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿(mǎn)足傳感器電性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。

2） 工作原理

傳感器的表面電阻Rs，是對(duì)過(guò)與其它串聯(lián)的負(fù)載電阻RL上的有效電壓信號(hào)VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為：RS/RL＝（VCVRL）VRL。傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧化碳?xì)夥罩袝r(shí)，RL上的信號(hào)輸出變化情況，輸出信號(hào)的測(cè)定是在一個(gè)完整的加熱周期（由高電壓至低電壓2.5分鐘）或在兩個(gè)完整的加熱周期內(nèi)測(cè)得。

2.3 實(shí)驗(yàn)氣體測(cè)試結(jié)果計(jì)算

對(duì)于傳感器的調(diào)整參數(shù)計(jì)算，可按照表1步驟并結(jié)合該傳感器的特性表進(jìn)行調(diào)整。

表1 甲烷測(cè)試計(jì)

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

在靈敏度調(diào)整過(guò)程中，由于MQ-7氣敏元件對(duì)不同種類(lèi)，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類(lèi)型氣敏元件時(shí)，靈敏度的調(diào)整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或200ppm一氧化碳校準(zhǔn)傳感器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要分為：系統(tǒng)初始化模塊、對(duì)煤氣傳感器采集數(shù)的處理模塊、聲光報(bào)警模塊、人機(jī)交互模塊等。為了便于系統(tǒng)的調(diào)試，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相關(guān)的調(diào)試函數(shù)，主要包括串口和定時(shí)模塊。圖6是本系統(tǒng)軟件流程圖。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)可以看到本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但監(jiān)控性能穩(wěn)定可靠，而且實(shí)用，由于體積小成品可以很方便的嵌入各種設(shè)備內(nèi)部，設(shè)計(jì)成本廉價(jià)?；趩纹瑱C(jī)煤氣報(bào)警器只要在軟件上下點(diǎn)功夫，還可以擴(kuò)展其他傳感器，如溫度和濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。并且系統(tǒng)可以擴(kuò)展無(wú)線發(fā)射模塊，將檢測(cè)的信息及時(shí)地發(fā)到安全控制中心，能為保護(hù)人生和財(cái)產(chǎn)安全做到很好的保障。

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