基于單片機的可燃性氣體報警器的設計

蘭小燕 徐靜 阿如汗 塔拉 汪鵬 袁振磊

摘要：目前，隨著天然氣使用的普及，用于家庭燃氣檢測報警的裝置已經(jīng)存在，但是家庭中使用的燃氣報警器普遍存在濃度測量靈敏度不夠，以及對煙霧和燃氣的區(qū)分辨別不夠靈敏等問題。根據(jù)現(xiàn)有技術的不足，設計用MQ-4氣體傳感器來檢測氣體，并用單片機控制裝置，能夠保證檢測的靈敏性，并隨時顯示室內(nèi)燃氣濃度，以便人們觀察，并且可通過本地區(qū)實際情況調(diào)節(jié)燃氣報警的預設值。該設計大大提高了人們在使用天然氣時的安全性。

關鍵詞：燃氣檢測；單片機；氣體傳感器；燃氣報警器

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0253-03

Abstract： At present， with the popularization of natural gas used， there are many devices used for the detection and alarm of domestic gas. But the gas alarm used in the home is generally not sensitive enough， and the discrimination between smoke and gas is not sensitive enough. According to the shortcomings of the prior art， the MQ-4 gas sensor is designed to detect the gas， and the single-chip microcomputer control device is used to ensure the sensitivity of the detection， and the indoor gas concentration can be displayed at any time， so that people can observe it. The preset value of gas alarm can be adjusted by the actual situation in this area. The safety is greatly improved.

Key words： gas detection； single-chip computer； gas sensor； gas alarm

1 緒論

1.1研究目的及意義

近年來因為人民生活水平不斷地提高以及居民能源消費結構的轉(zhuǎn)變，并且在環(huán)保監(jiān)管日趨嚴格的背景下，燃氣日益替代煤炭來供電供熱，天然氣在人們?nèi)粘Ｉ钪兴嫉谋戎匾苍谌找嫣嵘?，也正是因為天然氣在使用上具有方便?jīng)濟的優(yōu)勢，所以非常受用戶的歡迎，但同時也有一個嚴峻的問題一直困擾著我們，這個問題就是人們在使用天然氣時的安全問題[1]。為此，本設計主要是為使用天然氣的家庭用戶設計出一種可以檢測天然氣是否泄露然后報警的裝置，讓人們在使用天然氣的過程中更安全，更放心。

1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀

國外一些國家，燃氣報警器的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。在日本研發(fā)燃氣報警器已經(jīng)有50多年了，日本也是最先發(fā)明此種報警器的國家，在研制氣體探測器和提升報警器的性能方面都是處于國際領先水平。也正是因為日本對燃氣報警器研究的重視，使燃氣報警器在日本社會中廣泛應用，也使得日本的燃氣泄露和爆炸等事故的發(fā)生率遠遠低于歐美等發(fā)達國家。例如FIGARO、理研等廠家研究、生產(chǎn)的產(chǎn)品采用的都是最先進的氣敏傳感器，并且以性能可靠、使用壽命長、響應速度快而聞名。

我國是在70年代初期進行可燃性氣體報警控制器的研制。與日本等國家相比起步時間稍晚一些，現(xiàn)在大部分還是采用國外先進的傳感器技術和生產(chǎn)工藝。然而我國在其基礎上進行研究和開發(fā)，從而形成了自己的特色。也形成了型號多樣以及品種較齊全等優(yōu)勢。近年來，主要從產(chǎn)品穩(wěn)定性和氣體選擇性上進行了改善。本設計主要通過單片機和半導體氣敏傳感器相結合。半導體氣敏傳感器因為有著靈敏度高、響應時間快以及使用壽命長成本低等優(yōu)勢，所以我們采用它來進行燃氣濃度的檢測。

1.3 本項目主要完成任務

1）對基于單片機的家用燃氣報警器的研究做一個整體規(guī)劃同時設定將要實現(xiàn)完成的功能特性。

2）以STC89C52單片機為中央處理器，設計并改善硬件電路。

3）完成系統(tǒng)的程序設計。在程序的編寫過程中，加入詳細的文字注釋，這將會有利于該系統(tǒng)后期的維護與改進。并且分別對主程序和各子程序繪制流程圖。

2 可燃性氣體報警控制器的設計

2.1 傳感器的選型

對于傳感器的選擇，我們選用氣敏傳感器來完成氣體檢測部分。氣敏傳感器是用來檢測氣體類別、濃度以及成分的傳感裝置。我們按材料的構成將其分為兩大類：半導體和非半導體。目前在此類報警器中使用較多的就是半導體氣敏傳感器。半導體材料的導電能力是由該半導體內(nèi)部載流子數(shù)目決定的。改變半導體內(nèi)載流子數(shù)目，就可構成以半導體材料作為敏感元件的各種傳感器。而使用傳感器的意義就在于把空氣中的可燃氣氣體含量（即氣體濃度）轉(zhuǎn)換成電信號，再由單片機采集電信號然后處理數(shù)據(jù)最終將濃度顯示出來以便于報警的控2]。

2.2 MQ-4傳感器的選用

MQ-4傳感器是一種用于檢測甲烷的傳感器，它對甲烷有著極高的靈敏度，同時也可對丙烷和丁烷進行檢測，選擇此傳感器的優(yōu)勢在于其對多種可燃性氣體均有較好的檢測，尤其是在檢測天然氣方面更為突出，另外它在使用時間上具有壽命長，穩(wěn)定性高等特點，且使用成本也不高，可以滿足大眾的需求。

3 硬件設計與制作

3.1檢測電路的設計

檢測電路中主要是通過傳感器對氣體的檢測，并在其基礎上加入了A/D轉(zhuǎn)換電路，復位電路，以單片機來控制整個裝置。單片機是集接收電壓信號，處理信號，以及控制報警和響應為一體的控制裝置，同時也負責判斷外界接受到的中斷請求，因為本設計是為了檢測燃氣濃度，減少燃氣事故對居民的安全隱患，所以在信號處理方面要求極高，需要單片機的運行速度夠快，才能對氣體的濃度有更精準快速的判斷和及時的處理報警。此設計還考慮到廣大居民生活中，要考慮價格方面。在對各個方面進行對比后，我們決定采用STC89C52系列單片機。

3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路的設計

首先由半導體氣體傳感器檢測天然氣濃度所得的信號送入A/D轉(zhuǎn)換電路，將氣體信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后傳送給STC89C52，如圖1所示。

3.1.2 復位電路的設計

復位操作可以使處于死機狀態(tài)下的單片機重新啟動，同時完成單片機的初始化工作，因此該功能也是本設計中不可或缺的一部分。我們采用了阻容RC上電的復位電路，它是通過電容C給RST端上加一個高電平復位信號，RC電路參數(shù)會直接影響高電平持續(xù)時間。RST端上的高電平信號必須給足夠長的時間，才能保證系統(tǒng)可靠地復位，本設計中的復位電路如圖2所示。

3.1.3 控制及顯示電路的設計

本部分主要由LCD1602液晶顯示器和按鍵組成。LCD1602液晶優(yōu)點是一種字符型液晶顯示器，它在顯示字母和數(shù)字時比較方便、控制簡單、成本較低，缺點是顯示的字體有大小限制、不能顯示圖形等等、它不能顯示曲線，但是在本設計中我們只需要顯示濃度和預設濃度，所以根據(jù)成本以及控制簡單等方面我們選擇LCD1602而不選擇LCD12864，如圖3所示。

3.1.4 聲光報警電路的設計

本設計的聲音報警控制是由STC89C52的11腳（TXD）實現(xiàn)的。該電路主要是由三極管、LED燈以及揚聲器這三部分組成。首先我們通過檢測電路測得空氣中燃氣濃度，并判斷三極管是否導通來確定是否報警，揚聲器和LED燈是否工作。當檢測到的濃度低于預設值時，三極管未能導通，揚聲器、LED燈均不工作；當檢測到濃度等于或者超過預設值時[4]，三極管導通，揚聲器發(fā)出報警聲音，LED燈工作，聲光報警電路如圖4所示。

4 軟件設計

主程序的流程圖如圖5所示。MQ-4型氣敏傳感器如果持續(xù)一段時間不通電，當再次通電時，該元件則不能立刻進入工作，所以需要預熱一段時間，為了解決該問題我們采用了延時程序，以此來對傳感器進行預熱。主程序中不僅包括了延時程序，也有顯示子程序和中斷子程序等，這些程序是用來完善報警器功能的，這樣以便我們檢測觀察。

5 結論

本設計對單片機與氣體傳感器兩大核心器件進行了深入的研究，通過對比其他的天然氣報警技術[5]，設計出一套合理的報警方案，并對各個部分進行詳細的分析。根據(jù)本設計的需求，考慮到使用環(huán)境成本等因素來挑選合適的傳感器，該傳感器對天然氣具有良好的敏感特性，響應速度快，對于克制溫度有穩(wěn)定等優(yōu)點[6]。

在單片機控制電路的設計中，我們以STC89C52單片機作為核心，令其具有了性能穩(wěn)定，靈敏度較高，結構簡單等優(yōu)勢。

天然氣報警裝置能夠?qū)μ烊粴馐欠裥孤哆M行實時檢測，當檢測到的濃度超過設定的范圍時發(fā)出警報，單片機將報警時的濃度顯示在LCD上，在本設計的基礎上可以對報警裝置進行更加完備的功能設計提高穩(wěn)定性和安全性。此設計的可燃性氣體報警器靈敏度較高，適合用于低流速的可燃性氣體的檢測。并且在后期的測量中也得到較理想的成果。

參考文獻：

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[5] 王連馳，徐潔，龐炳海.試論家用燃氣報警器用氣體傳感器的檢定方法[J].傳感器世界，2011，17（01）：9-12+4.

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【通聯(lián)編輯：梁書】