基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计

基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计摘要：本文介绍了一种基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统，可对煤气浓度进行实时检测和监控、报警，而且还能实现自动开启和关闭排气装置和煤气管道阀门。具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点。主要阐述了控制系统、信号检测系统、功能执行部件的硬件设计，给出了程序的设计方法，并对程序进行了简要的分析。关键词：单片机；煤气泄漏；声光报警；气敏传感器Abstract:Thispaperintroducesanovelintelligentgasmonitoringandcontrollingsystembasedonthesingle-chipcomputertechnology.Itcanprovideuswiththefollowingfunctions:dynamicmeasurements,monitoringandcontrolling,andalsoalarmsfortheon-the-spotgasconcentration.Besides,thissystemcanautomaticallyopenandshutoffthegas-pipevalve.Itissimpleinstructure,lowcostandeasytooperateandsoon.Itbrieflyintroducesthecontrolsystems,signalsensingsystems,hardwaredesignofthefunctionalcomponents.Theprocessdesignmethodologyandabriefanalysisofproceduresweregiven.Keywords:single-chipcomputer;gasleak;sound-lightalarm;gassensor一、概述随着国民经济的日益发展，人民生活水平、生活质量的不断提高，公寓式客房、高级住宅小区越来越多，使煤气的使用更为普遍。煤气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。由于使用不当或设备不完善、老化等问题引起煤气泄漏、爆炸的事故也在增多，极大地威胁着人们的生命财产安全。根据一氧化碳的性质，人体暴露在浓度为25×10-6的一氧化碳中，人即会有轻度头痛、恶心等中毒症状。若持续两个小时或当一氧化碳浓度为1500×10-6时，一氧化碳-血红蛋白的结合率就会升高，人就会产生昏迷、抽搐等重度中毒的症状，给人体造成不可逆转的伤害，直至死亡。虽然人们对煤气泄漏事件有了一定的防范意识，但是，煤气泄漏事件造成的家庭悲剧时有发生，不仅带来了人员伤亡，而且还造成了严重的经济损失。为了确保家庭用气的安全，防止煤气泄漏引起的中毒和爆炸事件的发生，煤气泄漏检测与报警系统也就应运而生了。煤气泄漏检测报警系统能够检测室内煤气浓度，当煤气泄漏时产生报警，在减少人员伤亡和经济损失方面起到至关重要的作用。一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低，而大型的监控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。本文设计了一种基于单片机的煤气泄漏与报警系统，具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点，适于家庭使用。本系统采用单片机作为核心控制部件，气敏传感器作为信息提取部件。实现的功能如下：气敏传感器实时检测室内煤气浓度信号，浓度信号经A/D转换后，送入单片机中，单片机对此信号进行处理后，送入显示电路，实时显示室内煤气浓度，当室内煤气浓度超限（即达到危险浓度）时，实现声光报警，并关闭气源、开启排气装置，待室内煤气浓度恢复到安全浓度后，停止报警及排气，并打开气源。本设计的原理框图如下图1所示：检测电路A/D转换单片机声光报警驱动电路开/关气源显示电路执行电路开启/关闭排气装置图1总体框图整个系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换成模拟电压信号，此电压信号经放大后送到A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。单片机将数据处理后，送显示电路显示浓度信息。当空气中的煤气浓度达到设定值时，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动声光报警。二、煤气泄漏检测与报警系统的实现2.1检测模块的实现本系统采用半导体气敏传感器的气体检测部件。检测气体浓度时，用恒定电流对气敏传感器进行间接加热，由于其气体浓度等效电阻RS随着气体浓度增加而成非线性减少，需要对电路进行线性化校正。AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件，能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。该集成电路有三个输入电压VX，VY，VZ，转换函数为VOUT=VY×（VZ/VX）m可以通过连接特定管脚来实现特定函数。通过外接1～2个电阻可以实现不同的m值的指数运算，利用芯片上的对数比例和输出部分可以直接实现对书比例运算。半导体气敏传感器将煤气浓度转换为模拟电压信号，然后经线性化电路，将浓度与电压成比例。这一与煤气浓度成比例，且经放大后的模拟电压信号送入后面的A/D转换中。这样就完成了煤气泄漏的检测。2.2控制模块的实现控制部分首先完成浓度信息的模拟数字转换，然后，将数据进行分析去控制各部分电路工作。1、A/D转换A/D转换采用AD0809逐次逼近式A/D转换器，它具有8个模拟量输入通道。本设计采用程序查询方式，需要将EOC通过三态门接至系统的一根数据总线上。CPU查询该总线的位是否为低电平，若为低电平，则再查询它是否为高电平，若是，则表明转换结束，CPU再执行读ADC0809端口的指令即可。在设计中仅仅用到一个模拟量输入通道，则只需将模拟量输入通道地址选择线A、B、C端接地，选择通道IN0。P2.1与SC连接，用来控制A/D转换的启停。P2.2与OE端相连，用来打开输出锁存器缓冲器，将其中的数据放到外部的数据线上。P2.0与EOC相连，采用查询方式，通过P2.0接收到的数据来判断是否转换结束。2、系统的核心控制部件AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。经过分析比较，根据本课题的特点，选用ATMEL公司的89系列的标准型单片机AT89C51。我们将P0口作为A/D转换的数据输入端，P2.1和P2.2控制A/D转换的启停，P2.0与ADC0809的EOC相连，判断A/D转换是否结束。P2.6控制声光报警，P2.7控制执行电路。P1口接数码管显示电路，P3.0、P3.1、P3.2为数码管的片选信号输出。I/O口分配如下图2所示：数码管显示电路LED位选线AT89C51P1P0P3.0P2.0P3.1P3.2P2.1P2.2RESETP2.6A/D转换后数字信号输入A/D转换结束信号ADC0809启停控制复位电路XTAL1XTAL2P2.7声光报警时钟电路执行电路图2单片机接口配置2.3显示、报警与执行电路的实现1、显示电路的实现LED显示器具有耗电少、成本低廉、配置简单灵活、安装方便、耐振动、使用寿命长等优点，本着经济、实用的原则，系统采用LED显示器。本设计采用共阴极七段数码管显示室内煤气浓度，采用动态显示方法，这种方法中所有数码管共用同一个段码输出口，分时轮流通电，从而大大简化硬件线路，降低成本。由单片机的P1口向LED数码管送入显示码，由P3.0、P3.1、P3.2用来片选数码管。当P3.2为“0”时，选通第一片数码管，然后单片机将要显示数送至P1口，则显示出要显示的数字；同样，当第二片数码管被选通后，显示另外数字。2、声光报警的实现在该设计中，光报警电路采用发光二极管LED（LightingEmittingDiode）来实现。声音报警电路是采用蜂鸣器来实现的。当单片机检测到煤气泄漏信号后，将通过软件使LED点亮，同时使蜂鸣器发出报警信号。设计中是由单片机的P2.6口完成声光报警的，当报警时，将该位置位，打开三极管接通电路，使发光二极管发光，蜂鸣器发出报警信号。3、执行电路的实现该部分电路包括开启排气装置和关闭气源两个部分，关闭气源防止煤气继续泄漏，排气装置排出气体，能彻底解决煤气泄漏问题。单片机完成控制处理总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象，这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量。这里是以开关量形态的数字信号通过I/O口送给控制对象，这些信号须经功率放大后才能用来驱动被控对象，并且在单片机和功率放大电路之间需使用光电隔离技术。光电耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当在发光二极管两端加正向电压时，发光二极管点亮，照射光敏晶体管使之导通，产生输出信号。因为开关量输入、输出通道是干扰窜入的渠道，要切断这条渠道就要去掉被控对象与输入、输出通道之间的公共地线，实现彼此电隔离以抑制干扰脉冲。电磁阀是工业过程控制系统常用的开关，以实现对系统介质的遥控或程控，是以电磁力转化为机械力来实现开关目的的，由于电磁阀具有体积小、重量轻、操作容易、维护方便等优点，应用已日趋广泛。本设计的执行电路的工作电压是交流220V，所以首先采用光电隔离，然后使继电器动作，驱动电磁阀工作，完成煤气管道的开关和排气装置的开关。系统总体电路图如下图3所示：+5VD01D12D23D34D45D56D67D781011121314151617393837363534333217141581819202126P10P11P12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P07D0D1D2D3D4D5D6D7IN-0+Ucc1ab2ab3ab27IN-1D01D12D23D34D45D56D67D78D01D12D23D34D45D56D67D78D01DPYaDPYDPYaaD1228IN-2R3215ΩD23D34cfgbcfgbcfgbREF-03118deecddeecIN-3D45eecRp110KΩdD56dpD67D78dd2217fgdpfgdpfgdpIN-4ADC0809IN-5IN-6dpdp21222324252627287P30P31P32P33P34P35P36P37P20P21P22P23P24P25P26P27EOC3315252423ADD-AADD-BADD-CAT89C514414AD53855U+613IN-72269OP77ALESCOE1212ref(+)U-+Ucc30pF31711EA/VP10167805CLKref(-)19188Rp210X1X230pF2930PSENALE/P9RESET1μF5KΩ1μF26+5VCDQ35CLKQR620KΩR530.1KΩ+5VRs+5V+12VR4IKΩLEDRR排气装置R电磁阀BUZZERVV交流220VK图3系统总体硬件电路图三、软件设计系统软件采用汇编语言编制，包括系统主程序、A/D转换子程序和显示子程序等。系统主程序的功能是完成系统的初始化、信号采集及处理、浓度信息显示、浓度超限报警、阀门关闭和启动排气装置等，根据系统工作特点，程序采用结构化的软件设计方法。A/D转换子程序完成对A/D转换器的查询，首先启动A/D转换器，然后通过查询方式，检测是否A/D转换结束，如果没有结束，则延时后再次查询，等待转换结束，如果转换结束，则将数据存入数据单元。显示子程序完成浓度信号的显示，首先将从A/D转换器中得到的二进制转换数据转换成要显示的十进制数据，然后控制显示电路，选通相应的数码管，完成动态显示。四、结束语本文设计的煤气泄漏检测与报警系统，也可作为家庭智能化系统里的一部分，为保护人们生命财产安全起着重要的作用。结合了单片机、检测、工控等知识，总的来说，本设计已经在原理上实现了要求的功能。在智能控制方面，选用了技术成熟的ATMEL公司推出的AT