揭懿暉 李天龍 胡梓東 陳旭輝 黃美蓮

摘 要：以單片機(jī)和MQ-2傳感器為核心設(shè)計(jì)的一款燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，可以實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警功能。該報(bào)警器采用了MQ-2氣敏傳感器和DS18B20溫度傳感器分別監(jiān)測(cè)燃?xì)庑孤┣闆r和現(xiàn)場(chǎng)溫度信息，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)AT89C51處理后送LCD1602顯示。檢測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，啟動(dòng)聲光報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)L298N驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)行，進(jìn)行排氣。該報(bào)警器系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：MQ-2;單片機(jī)AT89C51;DS18B20

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

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，煤氣、天然氣、液化氣等燃?xì)庖殉蔀槌鞘芯用竦闹饕剂蟍1]。隨著人們的生活也在發(fā)展和改善，作為發(fā)動(dòng)機(jī)的“糧食”——燃料，使用范圍也是越來(lái)越廣，同時(shí)燃料使用不當(dāng)引起的火災(zāi)也是越來(lái)越多，給居民生活和經(jīng)濟(jì)帶來(lái)很多隱患。針對(duì)燃?xì)庑孤┧斐傻姆N種事故，本文設(shè)計(jì)了一款在一定范圍內(nèi)對(duì)燃?xì)饣馂?zāi)進(jìn)行有效預(yù)警和制動(dòng)的報(bào)警器，從根源上對(duì)火災(zāi)險(xiǎn)情進(jìn)行提前預(yù)警。本產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)便宜，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)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(jī)處理模塊、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊等。其工作原理是以AT89C51單片機(jī)為核心控制，采用MQ-2傳感器和DS18B20溫度傳感器檢測(cè)燃?xì)庑孤┣闆r和溫度變化信息。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)AT89C51芯片處理后送LCD1620液晶顯示器顯示。若檢測(cè)到的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)聲光報(bào)警，同時(shí)繼電器動(dòng)作關(guān)閉燃?xì)夤艿篱y門(mén)，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)警和安全保護(hù)的作用。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.1 單片機(jī)模塊

該報(bào)警系統(tǒng)采用了AT89C51單片機(jī)智能芯片，選用該芯片主要是考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性，采用簡(jiǎn)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(shí)鐘電路構(gòu)成了單片機(jī)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位，也可以利用復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)復(fù)位。外連接時(shí)鐘電路采用了11.0592MHZ的晶振和2個(gè)30PF的電容組成，這兩種器件在布局上要盡量靠近單片機(jī)。單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

1.2 傳感器模塊

本報(bào)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(diǎn)，可以檢測(cè)液化氣、天然氣、酒精等可燃?xì)怏w。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(jì)利用MQ-2傳感器對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后送入單片機(jī)AT89C51與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行對(duì)比，判斷是否啟動(dòng)報(bào)警器。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)利用數(shù)字溫度傳感器DS18B20檢測(cè)周?chē)h(huán)境的溫度，將檢測(cè)的溫度信號(hào)也一并送入單片機(jī)與預(yù)設(shè)閾值對(duì)比[3]。傳感器檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)。由傳感器采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換芯片ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)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(hào)，也可以顯示預(yù)設(shè)的溫度值和可燃?xì)怏w的濃度值。其電路如圖4所示。

1.4 按鍵模塊

在單片機(jī)按鍵模塊中，一般可以分為獨(dú)立按鍵與矩陣按鍵兩種形式，根據(jù)設(shè)計(jì)功能所需的按鍵并不多，所以本次設(shè)計(jì)選擇獨(dú)立按鍵即可。其工作原理是按鍵的一端都接地，另外一端對(duì)應(yīng)連接單片機(jī)的IO口，由于單片機(jī)端口得電處于高電平，在按鍵沒(méi)按下的情況下，單片機(jī)端口一直處于高電平，當(dāng)按下按鍵時(shí)，單片機(jī)IO口直接與地相連，單片機(jī)IO口就會(huì)檢測(cè)到低電平，單片機(jī)檢測(cè)到低電平的時(shí)候，就會(huì)執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的程序。所以單片機(jī)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(jì)中采用了4個(gè)獨(dú)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(bào)警模塊

聲光報(bào)警部分由蜂鳴器和led燈兩個(gè)模塊組成，蜂鳴器模塊的驅(qū)動(dòng)采用的是PNP型三極管，只要單片機(jī)的I/O口輸入低電平，這個(gè)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(gè)I/O口輸出，當(dāng)溫度過(guò)高P3.6口發(fā)出信號(hào)，使得紅燈得電報(bào)警;當(dāng)煙霧濃度過(guò)高P3.7口發(fā)出信號(hào)，使得黃燈得電報(bào)警。其電路如圖6所示。

1.6 驅(qū)動(dòng)電路模塊

根據(jù)AT89C5151單片機(jī)的工作特性可知，51單片機(jī)IO口輸出電流在20mA左右，由于電流過(guò)小，使單片機(jī)IO口無(wú)法直接與電機(jī)相連去驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，所以51單片機(jī)需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路模塊。L298N是常用于驅(qū)動(dòng)電路，它可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，但是根據(jù)設(shè)計(jì)功能，只需要驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)即可。根據(jù)其功能使用說(shuō)明，通過(guò)在輸入端IN1和IN2輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后，在輸出端OUT1和OUT2輸出對(duì)應(yīng)信號(hào)與電機(jī)相連，即電機(jī)由IN1和IN2控制，在輸入端任意一個(gè)端口輸入低電平，其輸出端對(duì)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(dòng)電機(jī)運(yùn)行。其電路如圖7所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

溫度傳感器的溫度信號(hào)檢測(cè)和氣敏傳感器的濃度信號(hào)檢測(cè)由軟件編程實(shí)現(xiàn)。采集到的信號(hào)通過(guò)軟件進(jìn)行處理和顯示，并判斷采集的信號(hào)是否超出預(yù)設(shè)的報(bào)警值，若溫度超出預(yù)設(shè)的報(bào)警值則啟動(dòng)紅燈和聲音報(bào)警;若燃?xì)鉂舛戎党鲱A(yù)設(shè)的報(bào)警值則啟動(dòng)黃燈和聲音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排氣扇進(jìn)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(yǔ)

該報(bào)警系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)氣體的濃度和環(huán)境的溫度共同來(lái)實(shí)現(xiàn)是否發(fā)生火災(zāi)或是否有燃?xì)鈿怏w泄漏，提高了報(bào)警的可靠性。該報(bào)警系統(tǒng)不僅性能穩(wěn)定、可靠，而且電路簡(jiǎn)單，維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)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(dòng)化。