宋志平，葉　柳，楊　名

(安徽大學，安徽 合肥　230601)

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燃氣泄漏報警系統(tǒng)仿真設計與實驗

宋志平，葉柳，楊名

(安徽大學，安徽 合肥230601)

摘 要：給出以單片機為核心的燃氣泄漏報警系統(tǒng)仿真設計與實驗的完整流程：包括設計要求、總體方案、Proteus環(huán)境下的原理圖設計及軟硬件仿真調試實驗等?？梢詾闇囟?、壓力、光強等其它常見物理量測量控制系統(tǒng)仿真設計與實驗提供參考。

關鍵詞：測量系統(tǒng)；仿真設計與實驗；單片機控制；Proteus仿真平臺

物理量自動測量與控制系統(tǒng)的應用領域非常廣泛，小到日常的家用電器，大到航空航天遙感測量設備均能看到這類系統(tǒng)的應用。這類系統(tǒng)通常以單片機等微控制器作為控制中心[1-4]，其電路和軟件設計流程具有一定的通用性，可以相互借鑒。本文以燃氣泄漏報警系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的設計需求出發(fā)，給出了系統(tǒng)的實現方案，并在Proteus仿真軟件平臺上完成了電路原理圖設計、軟件設計及軟硬件仿真調試等全過程。可為實現類似的物理量測量控制系統(tǒng)設計實驗提供有益參考。

1燃氣泄漏報警系統(tǒng)設計

1.1設計要求

燃氣泄漏報警系統(tǒng)可以實時監(jiān)測燃氣泄漏濃度，并在泄漏濃度超出安全范圍時切斷氣源，給出警報信號，以確保用戶的用氣安全。燃氣泄漏報警系統(tǒng)的具體設計要求如下：

※能實時監(jiān)測并顯示燃氣泄漏濃度；

※能準確判斷燃氣泄漏濃度是否超標；

※如果泄漏濃度超標，能及時切斷氣源，并發(fā)出聲光報警信號。

1.2設計方案

根據燃氣泄漏報警器的設計要求，可采用圖1所示的設計方案。

圖1中的傳感器將泄漏的燃氣按濃度不同轉換成不同大小的電信號。通常，傳感器輸出的電信號幅度較低，需經過放大器放大至模數轉換器(ADC)線性度較好的幅值范圍。模數轉換器將放大處理后的模擬量轉換成對應的數字量，供單片機讀寫和進一步處理。單片機是整個燃氣泄漏報警系統(tǒng)的測量控制處理中心，實現數據采集、轉換處理、顯示及報警控制等功能。顯示器模塊可以實時顯示泄漏燃氣的濃度值。當測量得到的泄漏燃氣濃度值高于設定的安全濃度值時，單片機先切斷氣源開關，同時啟動聲光報警模塊工作，報警燈亮，揚聲器發(fā)出警報聲音。

2燃氣泄漏報警系統(tǒng)仿真實驗

Proteus是目前可用來進行軟硬件聯(lián)合仿真調試實驗的最先進的虛擬電子實驗室軟件平臺[5-7]。利用Proteus仿真實驗室平臺軟件，我們開展了燃氣泄漏報警系統(tǒng)電路和程序仿真設計實驗。包括電路原理圖仿真設計、測控程序的編寫及軟硬件聯(lián)調等幾方面工作。

2.1原理圖仿真設計

圖2是在Proteus仿真實驗室軟件環(huán)境下設計的燃氣泄漏報警系統(tǒng)電路原理圖。

圖中利用滑動變阻器對5 V電源分壓模擬燃氣濃度傳感器。Proteus仿真軟件元件庫中，滑動變阻器模型的中間抽頭位置可調節(jié)，通過改變滑動變阻器中間抽頭的位置可改變中間抽頭與滑動變阻器兩端接線柱間的電阻值。因此，當滑動變阻器中間抽頭的位置改變時，中間抽頭與地間的電壓值會隨之改變，其效果等效于燃氣泄漏濃度不同時，傳感器輸出不同的電壓值。

Proteus仿真軟件元件庫中的模數轉換器為理想器件，在整個測量電壓范圍內，可以認為具有良好的線性。因此仿真原理圖設計中可以省去放大器，將滑動變阻器中間抽頭直接連接至模數轉換器的輸入端。原理圖中使用的是8通道、8位模數轉換器ADC0808，利用其中的任一個通道(本原理圖中使用的是IN0)，可將傳感器輸出的模擬電壓轉換成8位的數字量。單片機控制啟動ADC0808工作，讀取轉換結果，并將結果送數碼管顯示。同時，將轉換結果與預設的燃氣泄漏安全閾值濃度進行比較，如果大于閾值濃度則切斷氣源開關，點亮紅色LED燈報警，揚聲器發(fā)出警報聲音。否則，綠色LED燈亮，表示泄漏燃氣濃度處于安全值范圍。

2.2軟件流程

燃氣泄漏報警系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其全部功能均是由CPU執(zhí)行程序控制相關的硬件模塊實現的。仿真實驗時，軟件既可以用匯編語言也可以用C51編寫。其流程如下圖3所示。

2.3仿真調試實驗及結果

在Keil C環(huán)境下，完成燃氣泄漏報警系統(tǒng)程序的編輯、編譯，生成HEX文件。在Proteus原理圖設計環(huán)境下，將生成的HEX文件加載到原理圖的CPU中，按下原理圖仿真運行按鈕，CPU開始執(zhí)行程序，燃氣泄漏報警系統(tǒng)開始工作。調節(jié)滑動變阻器中間抽頭的位置， 模擬不同的燃氣泄漏濃度，分析判斷系統(tǒng)的所有功能模塊是否正常工作。如與設計的功能不符，可利用Proteus仿真實驗平臺提供的虛擬儀器(如萬用表、示波器等)對存在的問題跟蹤定位，

排除硬件和軟件設計中可能存在的錯誤。

(1)燃氣泄漏濃度低于設定的閾值；(2)燃氣泄漏的濃度高于設定的閾值

圖4是經過軟件、硬件調試后的燃氣泄漏報警系統(tǒng)仿真運行效果圖。

當泄漏的燃氣濃度低于設定的安全濃度閾值時(仿真調試時設計的安全濃度閾值為2.00)，綠色LED燈亮，表示處于安全狀態(tài)，藍色的LED燈亮表示燃氣管道閥門是打開的。七段數碼管實時顯示當前燃氣泄漏的濃度(由于仿真實驗，傳感器是模擬的，無法進行燃氣濃度的標定，數碼管顯示的是滑動變阻器中間抽頭對地的電壓值)。系統(tǒng)仿真運行的效果如圖4(1)所示。當泄漏的燃氣濃度高于預先設定的安全閾值時，首先CPU將控制切斷燃氣閥門，繼電器斷開，藍色的LED燈熄滅，接著使紅色LED燈點亮，并通過揚聲器發(fā)出報警聲音，顯示器則顯示發(fā)現泄漏超閾值時刻的燃氣泄漏濃度值(同圖4(1)，實際顯示的是電壓值)。系統(tǒng)仿真運行的效果如圖4(2)所示。

3結論

根據燃氣泄露報警系統(tǒng)的設計要求，在Proteus仿真軟件平臺上完成了燃氣泄露報警系統(tǒng)的仿真設計與調試。最終的仿真調試結果表明燃氣泄露報警系統(tǒng)的電路和軟件設計是正確的，達到了預先的設計要求。燃氣泄露報警系統(tǒng)是典型的物理量測量控制系統(tǒng)，其仿真設計、調試及實驗過程對相關系統(tǒng)的設計具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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Simulation Design and Experiment of Gas Leakage Alarm System

SONG Zhi-ping,YE Liu,YANG Ming

(Anhui University,Anhui Hefei 230601)

Key words：measuring system；simulation design and experiment；control based on SCM；Proteus software

Abstract：The whole process,including the design requirements,design scheme,schematic design and the hardware and software simulation debugging experiment on the Proteus environment,is prevented on the simulation design and experiment of the gas leakage alarm system which is cored by the SCM,which will provide a reference on simulation design and experiment to the other similar physical quantities measuring control system,such as temperature,pressure etc.

收稿日期：2016-01-27

基金項目：安徽大學2014年省級質量工程項目(2014zy007，2014gxk008，2014xnzx002，2014tszy004)；安徽大學本科教育質量提升計劃項目(xjyykc1402，xjtszy1401)

文章編號：1007-2934(2016)03-0027-05

中圖分類號：O 4-33

文獻標志碼：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.009