曹冬平，于 衛(wèi)，朱麗娟，彭坤彥，滕 藤，馬興峰

(揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225121)

0 引言

目前家庭、特種氣體廠、高校實(shí)驗(yàn)室和化工企業(yè)等大量使用可燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w泄漏遇明火發(fā)生的失火和爆炸等重大安全責(zé)任事故給人們的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。市面上現(xiàn)有的易燃?xì)怏w泄漏自動(dòng)報(bào)警產(chǎn)品功能比較簡(jiǎn)單，只有現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警；沒(méi)有長(zhǎng)距離無(wú)線遙控報(bào)警功能；也沒(méi)有可靠的自動(dòng)短信通信報(bào)警功能，靈敏度和可靠性也不高。本文設(shè)計(jì)的易燃?xì)怏w泄漏自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的目的正是基于上述需求，克服已有的設(shè)計(jì)和功能缺陷，通過(guò)精心設(shè)計(jì)電路方案、具體的電路硬件和軟件設(shè)計(jì)、精選器件和符合實(shí)際情況的調(diào)試，設(shè)計(jì)出一套適合家庭、相關(guān)單位和高校實(shí)驗(yàn)室使用的穩(wěn)定可靠的集各種報(bào)警技術(shù)為一體的新穎實(shí)用電子報(bào)警裝置。

1 易燃?xì)怏w泄漏自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

1.1 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)

根據(jù)需要，現(xiàn)場(chǎng)可布置一個(gè)或幾個(gè)氣體探頭檢測(cè)器。只要有一個(gè)氣體檢測(cè)器檢測(cè)到易燃?xì)怏w泄漏達(dá)到或超過(guò)設(shè)定閾值就立即發(fā)出低電平報(bào)警信號(hào)，因此本報(bào)警系統(tǒng)靈敏度高和可靠性好。

1.2 能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)漏氣，并在空間內(nèi)達(dá)到一定閾值濃度時(shí)，發(fā)出低電平信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警電路報(bào)警，可以控制TTL電平喇叭報(bào)警；也可以控制交流220 V電鈴報(bào)警。

1.3 能實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控(值班室)報(bào)警

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)易燃?xì)怏w泄漏，并在空間達(dá)到一定濃度時(shí)，發(fā)出低電平信號(hào)控制長(zhǎng)距離(空間直線500 m以上)無(wú)線遙控發(fā)射器工作，裝在值班室的接收器接收到信號(hào)，即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

1.4 能實(shí)現(xiàn)GSM自動(dòng)短信通信報(bào)警

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到有易燃?xì)怏w泄漏時(shí)，發(fā)出低電平信號(hào)給單片機(jī)。對(duì)單片機(jī)事先編程，將發(fā)送的報(bào)警信息內(nèi)容和綁定的電話號(hào)碼、發(fā)射次數(shù)和發(fā)射時(shí)間間隔通過(guò)C語(yǔ)言事先編程到單片機(jī)里，通過(guò)單片機(jī)和GSM短信通信模塊的通信，實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來(lái)控制GSM短信通信模塊，向綁定的電話號(hào)碼自動(dòng)發(fā)送短信信息，還可以群發(fā)。無(wú)論人在何處，都隨時(shí)能收到報(bào)警信息。GSM短信通信模塊在應(yīng)用時(shí)，要插入待發(fā)送短信的經(jīng)過(guò)注冊(cè)的電話號(hào)碼卡。

2 易燃?xì)怏w泄漏自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)的電路方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

當(dāng)氣體檢測(cè)器檢測(cè)到一定濃度的氣體時(shí)，即發(fā)出低電平報(bào)警信號(hào)。設(shè)置氣體檢測(cè)A、B兩種檢測(cè)方案，可以同時(shí)工作，在現(xiàn)場(chǎng)布置4個(gè)氣體檢測(cè)探頭(1個(gè)探頭也可以，可根據(jù)需要設(shè)定，用開(kāi)關(guān)控制)，只要有1個(gè)探頭檢測(cè)到泄漏氣體(空間氣體達(dá)一定濃度:比如0.6～0.8)，氣體檢測(cè)器立即輸出低電平報(bào)警信號(hào)[1]，這樣增強(qiáng)了報(bào)警的可靠性和靈敏度。低電平報(bào)警信號(hào)一方面啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警電路工作報(bào)警；一方面啟動(dòng)長(zhǎng)距離無(wú)線發(fā)送電路工作，使裝在值班室的無(wú)線接收電路報(bào)警；一方面啟動(dòng)單片機(jī)和GSM短信通信系統(tǒng)工作，使GSM短信通信模塊自動(dòng)向主人手機(jī)發(fā)送短信報(bào)警信號(hào)?？傮w方案圖見(jiàn)圖1。

圖1 總體方案圖

2.2 氣體檢測(cè)器[2,3]

氣體傳感器型號(hào)很多，在不同的場(chǎng)合下，使用不同型號(hào)的氣體傳感器，不同型號(hào)的氣體傳感器對(duì)不同的氣體敏感，如QM-N5對(duì)CO、CH4、煤氣、煙霧敏感；QM-8對(duì)H2敏感；QM-NJ9對(duì)酒精氣體特別敏感；TGS2180對(duì)水蒸汽敏感。檢測(cè)不同氣體時(shí)，除了傳感器不同，電路參數(shù)也要根據(jù)實(shí)際要求做相應(yīng)的調(diào)整。

如圖2[4]為氣體檢測(cè)器A 電路，當(dāng)Q1氣體傳感器檢測(cè)到天燃?xì)?、液化氣、煤氣或酒精氣體時(shí)，A、B兩端之間的電導(dǎo)率增加，電阻減少，B點(diǎn)的電位上升，調(diào)節(jié)Rw1，使電壓比較器U1的同相端電位高于反相端電位，其輸出端出高電平，經(jīng)過(guò)反相器U2反相后輸出低電平。平時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到(一定濃度以下的)氣體時(shí)輸出高電平。R3為限流電阻，D2為5 V的穩(wěn)壓管。圖 中U1:LM339,D1:IN41。

如圖3為氣體檢測(cè)器B電路，當(dāng)Q2氣體傳感器檢測(cè)到天燃?xì)?、液化氣、煤氣或酒精氣體時(shí)，A、B兩端之間的電導(dǎo)率增加，電阻減少，B點(diǎn)的電位上升，調(diào)節(jié)Rw2，使三極管T1導(dǎo)通，繼電器吸合，常開(kāi)開(kāi)關(guān)閉合，輸出低電平。平時(shí)沒(méi)有檢測(cè)到(一定濃度以下的)氣體時(shí)輸出高電平。Q2可選用QM-N5、QM-NJ9等，T1:9013 ，D3、D4:IN4148,繼電器J:JRFDC12V。

圖2 氣體檢測(cè)器A

圖3 氣體檢測(cè)器B

2.3 現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警電路[4]

輸入U(xiǎn)i為低電平時(shí)，通過(guò)反相器輸出高電平激發(fā)555定時(shí)器工作，使555定時(shí)器輸出1kHz信號(hào)推動(dòng)喇叭報(bào)警；同時(shí)使交流固態(tài)繼電器工作推動(dòng)電鈴DL發(fā)聲報(bào)警。

2.4 無(wú)線發(fā)射與接收電路[5]

無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)由無(wú)線報(bào)警發(fā)射器和無(wú)線報(bào)警接 收器組成。每個(gè)地方配一個(gè)無(wú)線報(bào)警發(fā)射器，當(dāng)輸入端接收到低電平報(bào)警信號(hào)時(shí)，發(fā)射器即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，安裝在值班室的無(wú)線接收器接收到信號(hào)，即發(fā)出報(bào)警信息，并同時(shí)指示具體位置。

對(duì)無(wú)線遙控距離要求：空間直線距離要長(zhǎng)。針對(duì)長(zhǎng)距離遙控要求，必須用大功率遙控發(fā)射器。如圖4，當(dāng)編碼器U10(MC145026)的接收到來(lái)自延時(shí)定時(shí)電路的低電平報(bào)警信號(hào)時(shí)， U10將其地址碼(A1～A5)和數(shù)據(jù)碼(D6～D9)作脈沖數(shù)碼調(diào)制，送入大功率放大發(fā)射模塊，通過(guò)發(fā)射天線向外發(fā)射無(wú)線電波。當(dāng)接收器(解碼器)的地址碼和發(fā)射器(編碼器)的地址碼一致時(shí)，接收器接收發(fā)射器發(fā)射過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)碼報(bào)警，不同的地方發(fā)送不同的數(shù)據(jù)碼。每對(duì)接收器和發(fā)射器(地址碼一致)可實(shí)現(xiàn)4個(gè)地方報(bào)警。DIP1、DIP2是高、低電平選擇信號(hào)。

圖4 大功率遙控發(fā)射器

由于發(fā)射功率大，因此用電子開(kāi)關(guān)U9控制其接通電源，當(dāng)?shù)碗娖綀?bào)警信號(hào)來(lái)時(shí)，經(jīng)反相后，U9開(kāi)通，將電源接入電路；沒(méi)有報(bào)警信號(hào)時(shí),電路不接電源，電路就不工作，不耗費(fèi)電功率，節(jié)省了電能。安裝時(shí)，將大功率放大模塊部分和發(fā)射天線部分裝到樓頂，并做好機(jī)械牢固和防水工作。U8為反相器74LS04，U9:CD4066,U11為大功率放大發(fā)射模塊,E1為發(fā)射天線。

如圖5，為裝在值班室的無(wú)線遙控接收電路。接收電路在收到無(wú)線電波并解調(diào)后，經(jīng)接收模塊U12輸出串行碼給解碼器(U13：MC145027)的數(shù)據(jù)輸入端DI，當(dāng)編碼與解碼的地址碼一致時(shí)，此時(shí)編碼器中的數(shù)據(jù)從解碼器中的D6～D9數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)輸出，并一直保持到新數(shù)據(jù)到來(lái)。編碼器和解碼器的工作頻率一致。根據(jù)發(fā)光管是否點(diǎn)亮判斷是否有報(bào)警信號(hào)，根據(jù)哪一個(gè)發(fā)光管亮判斷報(bào)警位置，也可只用一只發(fā)光管報(bào)警。實(shí)際使用時(shí)，接收天線(E2)和接收模塊電路部分裝到報(bào)警值班室樓頂，并做好機(jī)械牢固和防水工作。該無(wú)線發(fā)送和接收系統(tǒng)的特點(diǎn)：

1) 沒(méi)有方向性，抗干擾能力強(qiáng)，也不會(huì)對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生干擾；

2) 能夠穿透建筑物、機(jī)箱、金屬設(shè)備等阻隔；

3) 遙控距離遠(yuǎn)，空間直線距離長(zhǎng)達(dá)300 m～1 000 m。

2.5 GSM自動(dòng)短信通信系統(tǒng)[6-9]

GSM即為全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global System of Mobile communicatio)，圖6為 GSM 自動(dòng)短信通信系統(tǒng)示意圖，分單片機(jī)和GSM模塊兩部分。要實(shí)現(xiàn)GSM短信通信模塊自動(dòng)向主人手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，首先對(duì)單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)編程，將接收信息的電話號(hào)碼(群發(fā)時(shí)有若干號(hào)碼)、待發(fā)送的報(bào)警信息內(nèi)容、發(fā)送次數(shù)和時(shí)間間隔等內(nèi)容事先用C語(yǔ)言編程到單片機(jī)里，再通過(guò)單片機(jī)與GSM通信模塊通信，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制GSM短信通信模塊工作，在單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)的P10口接收到 “0”電平報(bào)警信號(hào)時(shí)，即控制GSM模塊電路自動(dòng)向用戶手機(jī)發(fā)出短信報(bào)警信號(hào)。GSM模塊在應(yīng)用時(shí)，要插入待發(fā)送短信的經(jīng)過(guò)注冊(cè)的電話號(hào)碼卡。

圖5 接收電路

本文使用單片機(jī)型號(hào)：STC12C5A60S2，GSM模塊型號(hào)：SIM808。

圖6 接收電路

實(shí)際編程時(shí)，需要用轉(zhuǎn)換軟件將號(hào)碼和報(bào)警內(nèi)容轉(zhuǎn)換為Unicode碼。

2.6 具體實(shí)施方式

將各部分電路設(shè)計(jì)(包括器件選擇)、安裝、焊接和調(diào)試好。確保每個(gè)氣體檢測(cè)電路正常工作：即在空間氣體達(dá)一定濃度時(shí)，氣體檢測(cè)器就輸出低電平報(bào)警信號(hào)；確保每塊功能電路模塊和三部分報(bào)警正常工作。然后將所有電路連在一起，綜合調(diào)試，確保各部分功能實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)方案設(shè)計(jì)和論證、各部分電路精心設(shè)計(jì)、精選器件、安裝焊接調(diào)試、各部分的功能全部實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的靈敏度高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定可靠性好；通過(guò)更換氣體傳感探頭，微調(diào)氣體檢測(cè)電路的器件參數(shù)，即可用于不同場(chǎng)合，為家庭和各生產(chǎn)使用可燃?xì)怏w企業(yè)防火防爆提供了安全保障。