家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設計*

姬五勝 ，范新勝 ，劉玉華 ，范培媛

（1.蘭州城市學院 電子信息科學與技術研究所，甘肅 蘭州 730070；2.北京航天萬源煤化工工程技術有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州城市學院 培黎工程技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)以單片機AT89S52為主設計控制模塊，配以氣敏傳感器檢測模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。該報警系統(tǒng)利用MQ-4型半導體可燃氣敏傳感器檢測模塊，用以檢測天然氣的泄漏情況，當有天然氣泄漏時，該模塊將檢測信號傳輸給控制模塊用以決策是否需要發(fā)出報警并啟動危險處置系統(tǒng)。當控制模塊確認發(fā)生天然氣泄漏時，首先通過無線發(fā)射、接收電路發(fā)出報警指令，報警模塊收到指令后發(fā)出報警信號；同時危險處置模塊也會收到報警指令并動作，關閉天然氣閥門，并開啟排氣扇。當泄漏氣體低于報警閾值時，控制單元再發(fā)出指令停止警報和排風扇的運行。設計該系統(tǒng)的工作電壓為+5 V，報警閾值為6 000 ppm，工作溫度范圍 0℃～40℃，反應時間為 1～3 s。其具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)框圖

2 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 元件選取

考慮到系統(tǒng)的兼容性、實用性、低成本和節(jié)能性，選用AT89S52單片機作為控制模塊，用PT2262/2272編碼、解碼的無線收發(fā)模塊實現(xiàn)315 MHz的無線數(shù)據(jù)通信。

AT89S52單片機是ATMEL公司生產的一種非易失性存儲技術制造的低功耗、高密度CMOS 8位單片機，片內含8 KB在線系統(tǒng)可編程的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案[1]。PT2262/PT2272是臺灣普城公司生產的一種CMOS工藝制造的低功耗、低價位通用編碼、解碼電路；PT2262/PT2272 最多可有 12 位（A0～A11）三態(tài)地址端管腳（懸空、接高電平、接低電平），12位（A0～A11）三態(tài)地址端管腳任意組合可提供531441地址碼，PT2262最多可有 6位（D0～D5）數(shù)據(jù)端管腳，設定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出[2]。

氣體采集模塊采用MQ-4型傳感器，其對甲烷、天然氣有很高的靈敏度、良好的選擇性和重復性，且使用壽命長、穩(wěn)定性好，響應時間短，適宜于長時間工作；驅動電路簡單，其電路設計電壓范圍寬，加熱電壓為5±0.2 V。MQ-4傳感器輸出信號比較微弱，需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，以滿足單片機對輸入信號的要求。氣體采集模塊驅動電路如圖2所示。

圖2 氣體采集電路圖

2.2 系統(tǒng)電路

天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。

2.2.1氣體采集濃度檢測模塊設計

氣敏傳感器檢測模塊采集到的氣體信號通過ADC0809轉換成數(shù)字信號傳輸?shù)紸T89S52作為程序判據(jù)，當氣體濃度達到檢測上限濃度值時，AT89S52做出判斷，發(fā)出報警信號，同時在數(shù)碼管上顯示出此時濃度值。圖3是氣體轉換及濃度顯示模塊，具體連接時，將圖2中P1插接件的AOUT管腳接圖3中的AOUT標志管腳。

圖3 氣體轉換及濃度顯示模塊

2.2.2無線收發(fā)模塊系統(tǒng)設計

無線收發(fā)模塊系統(tǒng)由DF超再生接收模塊和DF無線發(fā)射器兩部分組成。DF模塊必須用信號調制才能正常工作，常見的固定碼編碼、解碼器件如專用編碼、解碼芯片PT2262/2272，只要簡單的電路與單片機I/O接口連接即可實現(xiàn)編碼、解碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。另外，編碼、解碼模塊輸出腳在模塊內部通過一個上拉39 kΩ電阻到+5 V，使用的時候需要考慮解碼器件的輸入阻抗。

在本系統(tǒng)中所使用的無線收發(fā)模塊編碼、解碼具體電路如圖4所示。

圖4 無線收發(fā)模塊編碼、解碼電路

DF超再生接收模塊的電路連接及工作原理：模塊工作時，將PT2272的A0～A7管腳與單片機I/O口連接或進行接地或接Vcc，作為接收模塊的地址，進行相應發(fā)射器的數(shù)據(jù)接收。將天線接收到的信號，通過DIN管腳將接收到的數(shù)據(jù)通過串行通信方式傳給PT2272進行解碼，PT2272首先解碼出地址信息，并與自身的地址進行比較一致后，接著解碼出數(shù)據(jù)信息，通過PT2272的D0～D3輸出[2]。 在系統(tǒng)組成中將 PT2272的 D0～D3管腳與單片機的I/O口輸入管腳相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀入，并作為控制功能的執(zhí)行信號，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

DF發(fā)射器模塊的電路連接及工作原理：模塊工作時，將 PT2262的 A0～A7管腳接地或接 Vcc，作為發(fā)射模塊的地址，數(shù)據(jù)口D0～D3分別接 AT89S52的 P0.0～P0.3。系統(tǒng)設計中將報警信號值賦給P0口的低4位，作為芯片PT2262的4位數(shù)據(jù)，經過PT2262編碼后通過Dout管腳將地址和數(shù)據(jù)串行輸出，經過發(fā)射模塊，通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去[2]。

系統(tǒng)組成時要求DF超再生接收模塊地址與DF發(fā)射器模塊地址完全一致，確保系統(tǒng)組網(wǎng)通信的成功。該系統(tǒng)組網(wǎng)可實現(xiàn)一對一通信模式、一對多通信模式和多對一通信模式，使系統(tǒng)設計更具有靈活性。

2.2.3報警模塊設計

當發(fā)生氣體泄漏時，除了顯示濃度外，還要進行聲光報警。單片機通過利用氣敏傳感器采集到的數(shù)據(jù)來判斷是否報警。燃氣濃度大于預報警閾值時，單片機I/O口輸出低電平，可使發(fā)光二極管工作，產生閃爍的燈光。 同時，輸出腳Bell輸出高電平，Q1導通，致使蜂鳴器Bell帶電工作，發(fā)出報警聲[4]。聲光報警電路如圖5所示。

圖5 聲光報警電路

2.2.4危險處置模塊設計

安全氣閥電路主要完成驅動閥門開閉裝置關閉閥門切斷氣源。具體工作原理是：當無線接收模塊接收到報警信號時，隨即發(fā)出一高電平，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作，接收到一負脈沖觸發(fā)后單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便輸出一正單脈沖，然后利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)輸出去控制電動機通電，驅動閥門關閉。排風扇電路也是由三極管與繼電器構成的電路驅動，其原理與安全氣閥電路類似。

3 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)測試與靈敏度調整

天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)是通過調整圖2氣體采集電路中Rp可調電阻來調節(jié)系統(tǒng)的測試范圍和檢測靈敏度，本系統(tǒng)所采用的MQ-4型半導體可燃氣敏傳感器檢測模塊可測試天然氣、甲烷的泄漏濃度范圍為300 ppm～10 000 ppm，本系統(tǒng)設置的報警閾值為6 000 ppm，在實際產品中可以根據(jù)自己的需要調節(jié)泄漏濃度的報警閾值。

本文設計的家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測模塊、控制模塊、無線收發(fā)模塊、報警模塊和危險處置模塊組成。其中無線收發(fā)模塊的使用加強了系統(tǒng)設計的靈活性，擴展了系統(tǒng)的應用范圍，更適合家庭的實際情況。本設計在無線收發(fā)模塊的基礎上增添了由安全氣閥和排風扇組成的危險處置模塊，不僅具有報警功能，而且在無人看守的情況下能夠對發(fā)生的安全隱患及時排除，保證財產的安全，因此更具有實際意義。

在實際應用中與同類報警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)性價比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應用前景。

[1]張毅剛.新編 MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

[2]房明明.四路無線遙控開關的設計[J].電子測試，2009，5（5）：85-89.

[3]陳有卿，張曉東.報警集成電路和報警器制作實例[M].北京：人民郵電出版社，1996.

[4]陳有卿，謝剛.新穎電子模塊應用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.