劉 爽

(天津渤海管理咨詢有限公司 天津 300000)

一、引言

隨著人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，煤氣、電能等能源普及化程度越來越高，但由此也增加了煤氣中毒及爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。煤氣泄漏報(bào)警器的出現(xiàn)使煤氣使用過程中的安全問題得到了緩解。

煤氣泄漏帶來的危害每時(shí)每刻都可能發(fā)生，如果能夠根據(jù)使用環(huán)境的實(shí)際情況來提前做好防護(hù)措施，就可以避免許多悲劇。煤氣泄漏報(bào)警器是安全使用燃?xì)獾淖詈笠坏婪谰€，本文提出了基于51單片機(jī)的煤氣泄漏安全防范系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)對(duì)所在空間內(nèi)煤氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測并通過LCD1602液晶顯示屏顯示。當(dāng)煤氣泄漏濃度達(dá)到或超過設(shè)置值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警裝置。煤氣傳感器為MQ-2煤氣傳感器，主要檢測氣體為甲烷，丁烷及煙霧；一氧化碳?xì)怏w傳感器為MQ-7。此外，本系統(tǒng)加入了按鍵功能及排風(fēng)系統(tǒng)。使用按鍵可修改泄漏氣體濃度設(shè)置值的大小；而排風(fēng)系統(tǒng)與報(bào)警裝置聯(lián)動(dòng)，當(dāng)報(bào)警裝置啟動(dòng)時(shí)，排風(fēng)扇啟動(dòng)，達(dá)到通風(fēng)散氣的功能。

本文主要內(nèi)容如下：第一章從設(shè)計(jì)的研究背景、發(fā)展現(xiàn)狀、研究意義開始展開敘述；第二章提出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行方案；而系統(tǒng)的硬件、軟件在第三章和第四章進(jìn)給出；最后為本文所提出設(shè)計(jì)的總結(jié)。

二、設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)意義上的煤氣泄漏一般指的是可燃?xì)怏w的泄漏。考慮到煤氣中毒是一個(gè)多發(fā)性事件，且危害性極大，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)除了檢測可燃?xì)怏w外，還可檢測一氧化碳?xì)怏w。

系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心。圖2.1給出了系統(tǒng)硬件示意圖。氣體傳感器首先收集有害氣體的濃度，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將氣體濃度信息傳遞給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)設(shè)定程序，將濃度顯示在液晶顯示屏上。若氣體未超出程序設(shè)定值，系統(tǒng)只顯示濃度；若超出濃度設(shè)定值，系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置。

圖2.1 硬件系統(tǒng)圖

煤氣泄漏檢測與報(bào)警系統(tǒng)的重點(diǎn)在于數(shù)模轉(zhuǎn)換、氣體濃度的顯示和報(bào)警排風(fēng)裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，報(bào)警裝置輸出口需要預(yù)留。在滿足以上條件的情況下，本文設(shè)計(jì)使用了易于編程和仿真的STC5189C51單片機(jī)。

ADC0809是8通道、8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

本文設(shè)計(jì)中選定MQ-2氣體傳感器為煤氣檢測傳感器，MQ-7作為檢測一氧化碳的傳感器來完成本系統(tǒng)的氣體收集。

LCD1602是可以顯示兩行字符的顯示屏，通常為16引腳，D0-D7為數(shù)據(jù)總線；VSS為顯示屏的電源地；E端口為LCD執(zhí)行命令的使能引腳；A為背光正極，K為背光負(fù)極。

報(bào)警系統(tǒng)主要需要完成的功能為：(1)氣體傳感器收集氣體濃度信息；(2)將傳感器收集到的信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后傳送給單片機(jī)；(3)通過液晶顯示屏將氣體濃度顯示出來；(4)當(dāng)氣體濃度值超出預(yù)設(shè)值時(shí)聲光報(bào)警，聲光報(bào)警，排風(fēng)扇工作。程序設(shè)計(jì)可按照?qǐng)D2.2給出的流程圖進(jìn)行編程：

圖2.2 系統(tǒng)流程圖

三、系統(tǒng)硬件

時(shí)鐘電路和復(fù)位電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要組成部分。STC89C51單片機(jī)通常產(chǎn)生兩種方式的時(shí)鐘信號(hào)：一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。

MQ-2型氣體傳感器用于檢測以氫氣為主要成分的城市煤氣、天然氣，抗干擾能力很強(qiáng)。MQ-7傳感器的氣敏材料為二氧化錫，檢測氣體為一氧化碳。

ADC0809芯片為雙列直插式芯片，8引腳，數(shù)據(jù)輸入口為雙通道串行輸入，此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)用到兩個(gè)傳感器，所以選擇雙通道輸入。

LCD1602是工業(yè)字符型液晶顯示器，其顯示系統(tǒng)將會(huì)分成上下兩行和左右兩列四個(gè)區(qū)域。當(dāng)檢測到的煤氣濃度正常時(shí)，綠燈亮。當(dāng)可能產(chǎn)生煙霧泄露時(shí)黃燈亮。當(dāng)檢測氣體濃度值過大時(shí)，紅燈亮。本設(shè)計(jì)中聲音報(bào)警裝置采用蜂鳴器。

本設(shè)計(jì)中，通過按鍵可以對(duì)報(bào)警的濃度設(shè)定值上限進(jìn)行修改。按鍵K1用于模式選擇，K2、K3分別用于修改設(shè)定值的大小。排風(fēng)系統(tǒng)主要由繼電器和排風(fēng)扇組成，其主要功能是通風(fēng)散氣。單片機(jī)能夠控制電機(jī)的運(yùn)行與停止。此外，本文設(shè)計(jì)的煤氣檢測與報(bào)警系統(tǒng)需要供給+5V直流電，而日常供電系統(tǒng)為220V交流電，需從其他可供電電源引線至所設(shè)計(jì)的報(bào)警系統(tǒng)。

四、系統(tǒng)軟件

本文利用Proteus ISIS軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單片機(jī)模擬仿真。系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)，模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，按鍵系統(tǒng)，聲光報(bào)警系統(tǒng)，排風(fēng)系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)，以及最主要的單片機(jī)最小系統(tǒng)組成。仿真圖繪制完成后需要編寫程序，才能達(dá)到設(shè)計(jì)的功能。設(shè)計(jì)程序使用Keil C51 μ vision5軟件來編寫C語言。設(shè)計(jì)系統(tǒng)中主要程序包括：主函數(shù)、延時(shí)函數(shù)、轉(zhuǎn)換器相關(guān)函數(shù)、報(bào)警與排風(fēng)系統(tǒng)函數(shù)、液晶顯示屏相關(guān)程序等。仿真與編程工作完成后還需要將程序下載到單片機(jī)芯片中。

五、總結(jié)

本文對(duì)基于單片機(jī)的煤氣泄漏安全防范系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了系統(tǒng)的主體功能設(shè)計(jì)、硬件選型、軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)對(duì)所處空間內(nèi)煤氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)聲光報(bào)警，并聯(lián)動(dòng)排風(fēng)裝置進(jìn)行排氣處理，且設(shè)定閾值可調(diào)，應(yīng)用前景較大。