楊秋賢

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

引言

時(shí)下，采用混合動(dòng)力的公交車十分流行，其相對(duì)低耗環(huán)保的特性使得各大車廠都進(jìn)行了對(duì)應(yīng)改造。然而用于存儲(chǔ)天然氣的氣罐在漏氣時(shí)，不易被相關(guān)人員察覺(jué)，如發(fā)生泄漏時(shí)駕駛，將造成十分嚴(yán)重的事故。所以在車輛改造時(shí)必須為公交車配備危險(xiǎn)物體檢測(cè)裝置[1]。通用的大型檢測(cè)設(shè)備因成本、管理和檢測(cè)耗時(shí)等原因不適合在公交車上安裝[2]。本設(shè)計(jì)利用無(wú)線通訊的方式設(shè)計(jì)了一種以STC89C52單片機(jī)為控制核心的公交車內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，在保證檢測(cè)與報(bào)警功能的前提下，實(shí)現(xiàn)了小體積化和低成本化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)設(shè)備和監(jiān)控報(bào)警設(shè)備兩部分組成，兩部分通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行通信。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，檢測(cè)設(shè)備包括STC89C52主單片機(jī)模塊、可燃?xì)怏w濃度和溫濕度信號(hào)采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、nRF24l01無(wú)線收發(fā)模塊、閥門控制模塊等；監(jiān)控報(bào)警設(shè)備包括STC89C52從單片機(jī)模塊、nRF24l01無(wú)線收發(fā)模塊、聲光報(bào)警模塊、顯示模塊、按鍵模塊等。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

STC89C52主/從單片機(jī)模塊：本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，用來(lái)控制整個(gè)公交車內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的工作時(shí)序和無(wú)線通訊。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路共同組成。

nRF24l01無(wú)線收發(fā)模塊：主機(jī)檢測(cè)到相應(yīng)的標(biāo)志線后發(fā)送數(shù)據(jù)，從機(jī)接收到數(shù)據(jù)后應(yīng)答并反饋回自身信息，并執(zhí)行相應(yīng)程序。電路如下頁(yè)圖1所示，CE引腳功能為使能發(fā)射或接受，由主機(jī)的微處理器P0.0 控制；CSN、SCK、MOSI、MISO 為 SPI引腳端，主機(jī)的微處理器可通過(guò) P0.5、P0.1、P0.4、P0.2 來(lái)配置nRF24l01；IRQ為中斷標(biāo)志位，由主機(jī)的微處理器P0.3控制，每發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)后都會(huì)觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。無(wú)線接收電路與從機(jī)連接的電路和無(wú)線發(fā)射電路與主機(jī)連接電路相同，區(qū)別就是連接的引腳不同。

可燃?xì)怏w濃度、A/D轉(zhuǎn)換模塊：由于STC89C52單片機(jī)中不自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以需要使用ADC0832模塊作為A/D轉(zhuǎn)換。通過(guò)ADC0832模塊和MQ-4模塊的結(jié)合完成可燃?xì)怏w檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

溫濕度信號(hào)采集模塊：DHT22采用3針腳：引腳1接+5 V電壓；引腳2通信端接單片機(jī)的P1.4口，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和傳感器的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)測(cè)量距離小于20 m時(shí)，可以外接5.1 kΩ上拉電阻實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，否則，應(yīng)適當(dāng)減小上拉電阻；引腳3接GND端。

顯示模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)的P0端口與1602的DB0-DB7口相接，P2.5、P2.6、P2.7端口分別接1602控制端的E、R/W、RS端口，用來(lái)顯示可燃?xì)怏w濃度和溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

聲光報(bào)警模塊：采用PNP型三極管對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

按鍵模塊：由2個(gè)普通按鍵組成，用戶可根據(jù)固定的按鍵來(lái)設(shè)置。P2.0口連接的按鍵S1：切換溫濕度顯示，P2.1口連接的按鍵S2：解除聲光報(bào)警。

閥門控制模塊：將電磁繼電器與單片機(jī)的P0.7口相連，單片機(jī)控制引腳輸出高電平，則繼電器控制電磁閥打開(kāi)氣罐閥門；輸出低電平，則繼電器控制電磁閥關(guān)閉氣罐閥門。

圖1 無(wú)線發(fā)射電路與主機(jī)連接電路圖

3 系統(tǒng)工作過(guò)程

當(dāng)主單片機(jī)上電壓時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始初始化nRF24l01無(wú)線發(fā)送模塊（地址、信道、通信頻率等），通過(guò)DHT22溫濕度傳感器讀取當(dāng)前溫濕度，選通 ADC0832的測(cè)量通道0，讀取天然氣濃度傳感器輸出的0～5 V的模擬量電壓值，經(jīng)過(guò)溫濕度補(bǔ)償，計(jì)算出當(dāng)前天然氣濃度，并通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。將該濃度與設(shè)定濃度進(jìn)行比較，若小于后者，則單片機(jī)控制引腳輸出高電平給繼電器，控制電磁閥打開(kāi)氣罐閥門；若大于后者，單片機(jī)控制引腳輸出低電平給繼電器，控制電磁閥關(guān)閉氣罐閥門，并通過(guò)nRF24l01無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送報(bào)警信號(hào)給從單片機(jī)。從單片機(jī)上電后通過(guò)nRF24l01無(wú)線接收模塊將數(shù)據(jù)接收，通過(guò)LCD顯示模塊顯示出實(shí)時(shí)的天然氣濃度和溫濕度，并判斷是否產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。若沒(méi)有產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；若產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，則啟動(dòng)聲光報(bào)警模塊，蜂鳴器響起，報(bào)警燈亮起。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

使用比例調(diào)節(jié)式混合器，將天然氣濃度按照不同的配置從0.1%～1.0%分成若干等份，作為被測(cè)樣本。在溫度25℃、濕度50%RH環(huán)境下，用本設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置測(cè)試各樣本，報(bào)警限定值設(shè)為60×10-6。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)天然氣濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過(guò)60×10-6時(shí)，能夠啟動(dòng)聲光報(bào)警。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度下，該系統(tǒng)的相對(duì)誤差為±2%，在設(shè)計(jì)的精度要求范圍內(nèi)，具有很高的實(shí)用性。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片，對(duì)公交車內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、體積小和高精度等特點(diǎn)，并且安裝簡(jiǎn)單方便，可維護(hù)性好，具有無(wú)線傳輸?shù)墓δ?，可以很好地?shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)。