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:This paper introduces a novel intelligent gas monitoring and controlling system based on the single-chip computer technology. It can provide us with the following functions: dynamic measurements, monitoring and controlling, and also alarms for the on-the-spot gas concentration. Besides, this system can automatically open and shut off the gas-pipe valve. It is simple in structure, low cost and easy to operate and so on. It briefly introduces the control systems, signal sensing systems, hardware design of the functional components. The process design methodology and a brief analysis of procedures were given. Keywords:single-chip computer; gas leak; sound-light alarm;gas sensor 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 AT89C51 P1    P0 P3.0    P2.0 P3.1 P3.2    P2.1 P2.2 RESET P2.6 A/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 XTAL1 XTAL2    P2.7 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（Lighting Emitting Diode）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： D0 1 D1 2 D2 3 D3 4 D4 5 D5 6 D6 7 D7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 17 14 15 8 18 19 20 21 26 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 IN-0 +Ucc 27 IN-1 DPY a 28 IN-2 R3 215? c f g b REF-03 1 18 d e e c IN-3 Rp1 10K? d 2 2 17 f g dp IN-4 ADC0809 IN-5 IN-6 dp 21 22 23 24 25 26 27 28 7 P30 P31 P32 P33 P34 P35 P36 P37 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 EOC 3 3 15 25 24 23 ADD-A ADD-B ADD-C AT89C51 4 4 14 AD538 5 5 U+ 6 13 IN-7 22 6 9 OP77 ALE SC OE 12 12 ref(+) U- +Ucc 31 7 11 EA/VP 10 16 7805 CLK ref(-) 19 18 8 Rp2 10 X1 X2 29 30 PSEN ALE/P 9 RESET 1μF 5K? 1μF 2 6 C D Q 3 5 CLK Q R6 20K? R5 30.1K? +5V +5V +12V R4 IK? LED R R 排气装置 R 电磁阀 BUZZER V V 交流 220V K                                                       +5V 1 a b 2 a b 3 a b D01 D12 D23 D34 D45 D56 D67 D78 D01 D12 D23 D34 D45 D56 D67 D78 D01 DPY a DPY a D12 D23 D34 c f g b c f g b d e e c d D45 e e c d D56 dp D67 D78 d f g dp f g dp dp 30pF 30pF +5V Rs 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 AT89C51单片机作为主控单元，最大限度的将其具备的资源应用到设计中，既体现了单片机 系统的应用的灵活性，又实现功能多样的智能控制。半导体气敏传感器作为煤气泄漏检测部 件，具有很高的灵敏度，使用方便、费用低。在系统的硬件设计上，充分借鉴了已有的、经 典的电路设计，并做了适当的修改；软件设计上，编程尽可能模块化；为了降低功耗，在选 用器件时尽量采用低功耗的元件。 参考资料 [1]    康华光.电子技术基础.模拟部分.北京:高等教育出版社,2003 [2]    余发山.单片机原理及应用技术.徐州:中国矿业大学出版社,2003 [3]    何立民.单片机实验与实践教程.北京:北京航空航天大学出版社,2003 [4]    戴佳,苗龙,陈斌.51单片机应用系统开发典型实例.北京:中国电力出版社,2005 [5] 关德兴,冯文全.单片机外围器件实用手册.电源器件分册.北京:北京航空航天大学出 版社,1998 [6]    常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社,2003 [7]    何希才.传感器及其应用.北京:国防工业出版社,2001 [8]    曾建唐.电工电子基础实践教程实习·课程设计.北京:机械工业出版社,2003 [9]    刘修文.实用电子电路设计制作 300 例.北京:中国电力出版社,2005 [10]  杨邦文.实用电子小制作 150 例.北京:人民邮电出版社,1995 [11]  姚丰,刘念聪.一种单片机智能煤气监控系统设计.天津职业大学学报 [12]  曾令国,郑淑清.智能煤气泄漏检测及自动呼救系统.电脑开发及应用,2003 [13]  王化祥.一种新型可燃性气体检测仪.自动化仪表,2001 [14]  徐超汉.住宅小区智能化系统.北京:电子工业出版社,2002 [15]  马鸿雁,李惠升.智能住宅小区.北京:机械工业出版社.2003 [16]  潘忠跃.适用的家用防盗报警器和住宅小区报警系统,当代建设,1999 [17]  吴新民.智能住宅小区的自动控制管理系统,电脑开发与应用,2000 [18]  杨凌宵,李玉玲.微型计算机原理及应用.徐州:中国矿业大学出版社,2004 [19]  楼然苗,李光飞.51 系列单片机设计实例.北京:北京航空航天大学出版社,2003 [20]    刘晓胜,吴乐南,周爽.智能小区系统工程技术导论.电子工业出版社, 2001