易燃氣體泄漏自動遠程報警系統(tǒng)的設計*

曹冬平，于 衛(wèi)，朱麗娟，彭坤彥，滕 藤，馬興峰

(揚州大學，江蘇 揚州 225121)

0 引言

目前家庭、特種氣體廠、高校實驗室和化工企業(yè)等大量使用可燃氣體，可燃氣體泄漏遇明火發(fā)生的失火和爆炸等重大安全責任事故給人們的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的損失。市面上現(xiàn)有的易燃氣體泄漏自動報警產(chǎn)品功能比較簡單，只有現(xiàn)場報警；沒有長距離無線遙控報警功能；也沒有可靠的自動短信通信報警功能，靈敏度和可靠性也不高。本文設計的易燃氣體泄漏自動遠程報警系統(tǒng)的目的正是基于上述需求，克服已有的設計和功能缺陷，通過精心設計電路方案、具體的電路硬件和軟件設計、精選器件和符合實際情況的調試，設計出一套適合家庭、相關單位和高校實驗室使用的穩(wěn)定可靠的集各種報警技術為一體的新穎實用電子報警裝置。

1 易燃氣體泄漏自動遠程報警系統(tǒng)的功能設計

1.1 能實現(xiàn)現(xiàn)場氣體檢測

根據(jù)需要，現(xiàn)場可布置一個或幾個氣體探頭檢測器。只要有一個氣體檢測器檢測到易燃氣體泄漏達到或超過設定閾值就立即發(fā)出低電平報警信號，因此本報警系統(tǒng)靈敏度高和可靠性好。

1.2 能實現(xiàn)現(xiàn)場報警

當現(xiàn)場出現(xiàn)漏氣，并在空間內(nèi)達到一定閾值濃度時，發(fā)出低電平信號控制現(xiàn)場報警電路報警，可以控制TTL電平喇叭報警；也可以控制交流220 V電鈴報警。

1.3 能實現(xiàn)無線遙控(值班室)報警

當現(xiàn)場出現(xiàn)易燃氣體泄漏，并在空間達到一定濃度時，發(fā)出低電平信號控制長距離(空間直線500 m以上)無線遙控發(fā)射器工作，裝在值班室的接收器接收到信號，即發(fā)出報警信號。

1.4 能實現(xiàn)GSM自動短信通信報警

當現(xiàn)場檢測到有易燃氣體泄漏時，發(fā)出低電平信號給單片機。對單片機事先編程，將發(fā)送的報警信息內(nèi)容和綁定的電話號碼、發(fā)射次數(shù)和發(fā)射時間間隔通過C語言事先編程到單片機里，通過單片機和GSM短信通信模塊的通信，實現(xiàn)由單片機來控制GSM短信通信模塊，向綁定的電話號碼自動發(fā)送短信信息，還可以群發(fā)。無論人在何處，都隨時能收到報警信息。GSM短信通信模塊在應用時，要插入待發(fā)送短信的經(jīng)過注冊的電話號碼卡。

2 易燃氣體泄漏自動遠程報警系統(tǒng)的電路方案設計

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

當氣體檢測器檢測到一定濃度的氣體時，即發(fā)出低電平報警信號。設置氣體檢測A、B兩種檢測方案，可以同時工作，在現(xiàn)場布置4個氣體檢測探頭(1個探頭也可以，可根據(jù)需要設定，用開關控制)，只要有1個探頭檢測到泄漏氣體(空間氣體達一定濃度:比如0.6～0.8)，氣體檢測器立即輸出低電平報警信號[1]，這樣增強了報警的可靠性和靈敏度。低電平報警信號一方面啟動現(xiàn)場報警電路工作報警；一方面啟動長距離無線發(fā)送電路工作，使裝在值班室的無線接收電路報警；一方面啟動單片機和GSM短信通信系統(tǒng)工作，使GSM短信通信模塊自動向主人手機發(fā)送短信報警信號。總體方案圖見圖1。

圖1 總體方案圖

2.2 氣體檢測器[2,3]

氣體傳感器型號很多，在不同的場合下，使用不同型號的氣體傳感器，不同型號的氣體傳感器對不同的氣體敏感，如QM-N5對CO、CH4、煤氣、煙霧敏感；QM-8對H2敏感；QM-NJ9對酒精氣體特別敏感；TGS2180對水蒸汽敏感。檢測不同氣體時，除了傳感器不同，電路參數(shù)也要根據(jù)實際要求做相應的調整。

如圖2[4]為氣體檢測器A 電路，當Q1氣體傳感器檢測到天燃氣、液化氣、煤氣或酒精氣體時，A、B兩端之間的電導率增加，電阻減少，B點的電位上升，調節(jié)Rw1，使電壓比較器U1的同相端電位高于反相端電位，其輸出端出高電平，經(jīng)過反相器U2反相后輸出低電平。平時沒有檢測到(一定濃度以下的)氣體時輸出高電平。R3為限流電阻，D2為5 V的穩(wěn)壓管。圖 中U1:LM339,D1:IN41。

如圖3為氣體檢測器B電路，當Q2氣體傳感器檢測到天燃氣、液化氣、煤氣或酒精氣體時，A、B兩端之間的電導率增加，電阻減少，B點的電位上升，調節(jié)Rw2，使三極管T1導通，繼電器吸合，常開開關閉合，輸出低電平。平時沒有檢測到(一定濃度以下的)氣體時輸出高電平。Q2可選用QM-N5、QM-NJ9等，T1:9013 ，D3、D4:IN4148,繼電器J:JRFDC12V。

圖2 氣體檢測器A

圖3 氣體檢測器B

2.3 現(xiàn)場報警電路[4]

輸入Ui為低電平時，通過反相器輸出高電平激發(fā)555定時器工作，使555定時器輸出1kHz信號推動喇叭報警；同時使交流固態(tài)繼電器工作推動電鈴DL發(fā)聲報警。

2.4 無線發(fā)射與接收電路[5]

無線報警系統(tǒng)由無線報警發(fā)射器和無線報警接 收器組成。每個地方配一個無線報警發(fā)射器，當輸入端接收到低電平報警信號時，發(fā)射器即發(fā)出報警信號，安裝在值班室的無線接收器接收到信號，即發(fā)出報警信息，并同時指示具體位置。

對無線遙控距離要求：空間直線距離要長。針對長距離遙控要求，必須用大功率遙控發(fā)射器。如圖4，當編碼器U10(MC145026)的接收到來自延時定時電路的低電平報警信號時， U10將其地址碼(A1～A5)和數(shù)據(jù)碼(D6～D9)作脈沖數(shù)碼調制，送入大功率放大發(fā)射模塊，通過發(fā)射天線向外發(fā)射無線電波。當接收器(解碼器)的地址碼和發(fā)射器(編碼器)的地址碼一致時，接收器接收發(fā)射器發(fā)射過來的數(shù)據(jù)碼報警，不同的地方發(fā)送不同的數(shù)據(jù)碼。每對接收器和發(fā)射器(地址碼一致)可實現(xiàn)4個地方報警。DIP1、DIP2是高、低電平選擇信號。

圖4 大功率遙控發(fā)射器

由于發(fā)射功率大，因此用電子開關U9控制其接通電源，當?shù)碗娖綀缶盘杹頃r，經(jīng)反相后，U9開通，將電源接入電路；沒有報警信號時,電路不接電源，電路就不工作，不耗費電功率，節(jié)省了電能。安裝時，將大功率放大模塊部分和發(fā)射天線部分裝到樓頂，并做好機械牢固和防水工作。U8為反相器74LS04，U9:CD4066,U11為大功率放大發(fā)射模塊,E1為發(fā)射天線。

如圖5，為裝在值班室的無線遙控接收電路。接收電路在收到無線電波并解調后，經(jīng)接收模塊U12輸出串行碼給解碼器(U13：MC145027)的數(shù)據(jù)輸入端DI，當編碼與解碼的地址碼一致時，此時編碼器中的數(shù)據(jù)從解碼器中的D6～D9數(shù)據(jù)端對應輸出，并一直保持到新數(shù)據(jù)到來。編碼器和解碼器的工作頻率一致。根據(jù)發(fā)光管是否點亮判斷是否有報警信號，根據(jù)哪一個發(fā)光管亮判斷報警位置，也可只用一只發(fā)光管報警。實際使用時，接收天線(E2)和接收模塊電路部分裝到報警值班室樓頂，并做好機械牢固和防水工作。該無線發(fā)送和接收系統(tǒng)的特點：

1) 沒有方向性，抗干擾能力強，也不會對其它設備產(chǎn)生干擾；

2) 能夠穿透建筑物、機箱、金屬設備等阻隔；

3) 遙控距離遠，空間直線距離長達300 m～1 000 m。

2.5 GSM自動短信通信系統(tǒng)[6-9]

GSM即為全球移動通信系統(tǒng)(Global System of Mobile communicatio)，圖6為 GSM 自動短信通信系統(tǒng)示意圖，分單片機和GSM模塊兩部分。要實現(xiàn)GSM短信通信模塊自動向主人手機發(fā)送報警信號，首先對單片機最小應用系統(tǒng)編程，將接收信息的電話號碼(群發(fā)時有若干號碼)、待發(fā)送的報警信息內(nèi)容、發(fā)送次數(shù)和時間間隔等內(nèi)容事先用C語言編程到單片機里，再通過單片機與GSM通信模塊通信，實現(xiàn)單片機控制GSM短信通信模塊工作，在單片機最小應用系統(tǒng)的P10口接收到 “0”電平報警信號時，即控制GSM模塊電路自動向用戶手機發(fā)出短信報警信號。GSM模塊在應用時，要插入待發(fā)送短信的經(jīng)過注冊的電話號碼卡。

圖5 接收電路

本文使用單片機型號：STC12C5A60S2，GSM模塊型號：SIM808。

圖6 接收電路

實際編程時，需要用轉換軟件將號碼和報警內(nèi)容轉換為Unicode碼。

2.6 具體實施方式

將各部分電路設計(包括器件選擇)、安裝、焊接和調試好。確保每個氣體檢測電路正常工作：即在空間氣體達一定濃度時，氣體檢測器就輸出低電平報警信號；確保每塊功能電路模塊和三部分報警正常工作。然后將所有電路連在一起，綜合調試，確保各部分功能實現(xiàn)，產(chǎn)品系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。

3 結束語

本系統(tǒng)經(jīng)過方案設計和論證、各部分電路精心設計、精選器件、安裝焊接調試、各部分的功能全部實現(xiàn)。系統(tǒng)的靈敏度高，響應速度快，穩(wěn)定可靠性好；通過更換氣體傳感探頭，微調氣體檢測電路的器件參數(shù)，即可用于不同場合，為家庭和各生產(chǎn)使用可燃氣體企業(yè)防火防爆提供了安全保障。