室內(nèi)煤氣泄漏自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

熊杰

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)技術(shù)的智能型煤氣監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)煤氣濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)閉煤氣管道閥門，精確度、靈敏度和穩(wěn)定性高，造價(jià)低，操作方便，可廣泛作為室內(nèi)煤氣智能監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)使用。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；煤氣泄露；監(jiān)控系統(tǒng)

1.引言

煤氣泄漏具有巨大危害性，因此對(duì)煤氣泄漏實(shí)時(shí)精確監(jiān)控是十分必要而且重要的。 近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，管道煤氣和罐裝煤氣已深入到尋常百姓家。但由于使用不當(dāng)或設(shè)備老化等原因?qū)е碌拿簹庑孤O大地威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。目前，一般的煤氣報(bào)警器功能單一，性能穩(wěn)定性低；而大型的監(jiān)控系統(tǒng)又價(jià)格不菲，并需專門的技術(shù)人員來(lái)管理，不適用于家庭。

本設(shè)計(jì)研制了一種基于單片機(jī)技術(shù)的燃?xì)庑孤﹫?bào)警與應(yīng)急處理器。該系統(tǒng)不僅能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出燃?xì)獾男孤M(jìn)行聲光報(bào)警，還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)應(yīng)急處理（關(guān)閉閥門切斷氣源）；傳感器損壞能自查報(bào)警，用戶可及時(shí)發(fā)現(xiàn)并能自行更換；閥門開閉裝置設(shè)計(jì)獨(dú)特，安裝無(wú)需拆動(dòng)原管路，使用十分方便，因此特別適合于無(wú)條件建立或加入集群監(jiān)控系統(tǒng)的廣大燃?xì)庥脩羰褂谩?/p>

2.總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的氣敏傳感器為半導(dǎo)體式氣敏傳感器，工作原理是隨著探頭附近煤氣濃度上升，通電預(yù)熱后的半導(dǎo)體構(gòu)件對(duì)敏感氣體的吸附作用，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加快，氣敏探頭感應(yīng)體電阻值成指數(shù)下降。這種電阻的變化被信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成可以測(cè)量的電信號(hào)，反映出是否有燃?xì)庑孤┈F(xiàn)象。

設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)電路后級(jí)的單片機(jī)可計(jì)算出所探測(cè)到的燃?xì)鉂舛葏?shù)，當(dāng)檢測(cè)濃度值超過(guò)預(yù)先設(shè)置的危險(xiǎn)門限時(shí)，立刻驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警并應(yīng)急處理電路閥門開閉裝置系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要由單片機(jī)電路、檢測(cè)電路、報(bào)警電路和應(yīng)急處理電路組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)電路系統(tǒng)

加熱電源使氣敏元件工作在200～300℃下，檢測(cè)電路將氣敏元件的電阻值轉(zhuǎn)換為直流電壓并輸入單片機(jī)，電壓高表示可燃性氣體濃度高，單片機(jī)依一定算法判定現(xiàn)場(chǎng)可燃性氣體的濃度情況，以輸出適當(dāng)?shù)膱?bào)警控制信號(hào)和氣源控制信號(hào)。當(dāng)有燃?xì)庑孤r(shí)，其表面會(huì)發(fā)生化學(xué)吸附，使本身電阻下降，且燃?xì)鉂舛仍礁?，電阻下降越多。利用該特性并通過(guò)Q1等元件組成的開關(guān)電路即可獲得“氣—電”信號(hào)，完成燃?xì)庑孤┑臋z測(cè)。

氣敏傳感器在使用中，其熱絲可能燒斷但難以發(fā)現(xiàn)，為能及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器的損壞，本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了氣敏元件自檢電路。

燃?xì)庑孤z測(cè)和氣敏元件損壞檢測(cè)的原理電路如圖2所示。

3.2 單片機(jī)電路系統(tǒng)

單片機(jī)電路是系統(tǒng)控制的核心，單片機(jī)選用ATMEL公司的低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51；A/ D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，可以實(shí)現(xiàn)將連續(xù)采集的煤氣濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，以便系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷和智能化的處理。

圖2 檢測(cè)電路

3.3 聲光報(bào)警電路系統(tǒng)

光報(bào)警由紅、黃、綠發(fā)光二極管完成。當(dāng)燃?xì)鉂舛却笥陬A(yù)報(bào)警限值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)紅色LED點(diǎn)亮；當(dāng)氣敏元件損壞時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)黃色LED工作；當(dāng)正常工作時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)綠色LED點(diǎn)亮。

蜂鳴音報(bào)警的發(fā)音器件采用壓電式蜂鳴器。當(dāng)燃?xì)鉂舛却笥陬A(yù)報(bào)警限值時(shí)，單片機(jī)輸驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。

3.4 應(yīng)急處理電路系統(tǒng)

電磁閥采用二位二通節(jié)能型直動(dòng)式燃?xì)怆姶砰y。當(dāng)正向脈沖供電時(shí)閥門開啟并保持，此時(shí)電源切斷閥門為開啟位置；當(dāng)反向脈沖供電時(shí)閥門關(guān)閉并保持，此時(shí)電源切斷閥門為關(guān)閉位置。由于電磁閥需由脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)采用在單緩沖方式下工作的DAC0832作為波形發(fā)生器以提供正負(fù)脈沖，故其能夠自動(dòng)啟閉實(shí)現(xiàn)安裝位置的可調(diào)性。應(yīng)急處理的原理電路如圖3所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

4.軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要由主程序、外部中斷0和外部中斷1服務(wù)程序組成。主程序設(shè)計(jì)成一死循環(huán)結(jié)構(gòu)，處于隨時(shí)可以響應(yīng)中斷的狀態(tài)，如圖 4所示。

當(dāng)傳感器損壞時(shí)，采樣子程序0服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)完成黃光報(bào)警和關(guān)閥門的功能。

當(dāng)傳感器檢測(cè)到燃?xì)庑孤r(shí)，采樣子程序1服務(wù)程序發(fā)出聲報(bào)警控制信號(hào)；調(diào)用延時(shí)程序后，再次進(jìn)行檢測(cè)以確定之前的信號(hào)是否由于某些干擾或短時(shí)可控泄漏（如燃?xì)庠铧c(diǎn)火時(shí)可能產(chǎn)生的瞬時(shí)泄漏）引起的；如確定為事故泄漏，則即刻發(fā)出紅光報(bào)警、關(guān)閉閥門切斷氣源等指令。其程序流程如圖5所示。

圖4 主程序流程圖

5.結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)煤氣泄露自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能多樣化和智能化，硬件系統(tǒng)簡(jiǎn)單，并可作為集群監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)。

在實(shí)際應(yīng)用中，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、靈敏，可廣泛應(yīng)用于家庭、賓館、公寓等存在可燃?xì)怏w的場(chǎng)所。與同類報(bào)警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)成本低，性價(jià)比高，使用更為方便，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

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圖5 采樣子程序1