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?xì)鈾z測(cè)報(bào)警的裝置已經(jīng)存在，但是家庭中使用的燃?xì)鈭?bào)警器普遍存在濃度測(cè)量靈敏度不夠，以及對(duì)煙霧和燃?xì)獾膮^(qū)分辨別不夠靈敏等問題。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)用MQ-4氣體傳感器來檢測(cè)氣體，并用單片機(jī)控制裝置，能夠保證檢測(cè)的靈敏性，并隨時(shí)顯示室內(nèi)燃?xì)鉂舛?，以便人們觀察，并且可通過本地區(qū)實(shí)際情況調(diào)節(jié)燃?xì)鈭?bào)警的預(yù)設(shè)值。該設(shè)計(jì)大大提高了人們?cè)谑褂锰烊粴鈺r(shí)的安全性。

關(guān)鍵詞：燃?xì)鈾z測(cè)；單片機(jī)；氣體傳感器；燃?xì)鈭?bào)警器

中圖分類號(hào)：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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?yàn)槿嗣裆钏讲粩嗟靥岣咭约熬用衲茉聪M(fèi)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，并且在環(huán)保監(jiān)管日趨嚴(yán)格的背景下，燃?xì)馊找嫣娲禾縼砉╇姽?，天然氣在人們?nèi)粘Ｉ钪兴嫉谋戎匾苍谌找嫣嵘?，也正是因?yàn)樘烊粴庠谑褂蒙暇哂蟹奖憬?jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，所以非常受用戶的歡迎，但同時(shí)也有一個(gè)嚴(yán)峻的問題一直困擾著我們，這個(gè)問題就是人們?cè)谑褂锰烊粴鈺r(shí)的安全問題[1]。為此，本設(shè)計(jì)主要是為使用天然氣的家庭用戶設(shè)計(jì)出一種可以檢測(cè)天然氣是否泄露然后報(bào)警的裝置，讓人們?cè)谑褂锰烊粴獾倪^程中更安全，更放心。

1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

國(guó)外一些國(guó)家，燃?xì)鈭?bào)警器的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。在日本研發(fā)燃?xì)鈭?bào)警器已經(jīng)有50多年了，日本也是最先發(fā)明此種報(bào)警器的國(guó)家，在研制氣體探測(cè)器和提升報(bào)警器的性能方面都是處于國(guó)際領(lǐng)先水平。也正是因?yàn)槿毡緦?duì)燃?xì)鈭?bào)警器研究的重視，使燃?xì)鈭?bào)警器在日本社會(huì)中廣泛應(yīng)用，也使得日本的燃?xì)庑孤逗捅ǖ仁鹿实陌l(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)的氣敏傳感器，并且以性能可靠、使用壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快而聞名。

我國(guó)是在70年代初期進(jìn)行可燃性氣體報(bào)警控制器的研制。與日本等國(guó)家相比起步時(shí)間稍晚一些，現(xiàn)在大部分還是采用國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和生產(chǎn)工藝。然而我國(guó)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行研究和開發(fā)，從而形成了自己的特色。也形成了型號(hào)多樣以及品種較齊全等優(yōu)勢(shì)。近年來，主要從產(chǎn)品穩(wěn)定性和氣體選擇性上進(jìn)行了改善。本設(shè)計(jì)主要通過單片機(jī)和半導(dǎo)體氣敏傳感器相結(jié)合。半導(dǎo)體氣敏傳感器因?yàn)橛兄`敏度高、響應(yīng)時(shí)間快以及使用壽命長(zhǎng)成本低等優(yōu)勢(shì)，所以我們采用它來進(jìn)行燃?xì)鉂舛鹊臋z測(cè)。

1.3 本項(xiàng)目主要完成任務(wù)

1）對(duì)基于單片機(jī)的家用燃?xì)鈭?bào)警器的研究做一個(gè)整體規(guī)劃同時(shí)設(shè)定將要實(shí)現(xiàn)完成的功能特性。

2）以STC89C52單片機(jī)為中央處理器，設(shè)計(jì)并改善硬件電路。

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

2 可燃性氣體報(bào)警控制器的設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選型

對(duì)于傳感器的選擇，我們選用氣敏傳感器來完成氣體檢測(cè)部分。氣敏傳感器是用來檢測(cè)氣體類別、濃度以及成分的傳感裝置。我們按材料的構(gòu)成將其分為兩大類：半導(dǎo)體和非半導(dǎo)體。目前在此類報(bào)警器中使用較多的就是半導(dǎo)體氣敏傳感器。半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電能力是由該半導(dǎo)體內(nèi)部載流子數(shù)目決定的。改變半導(dǎo)體內(nèi)載流子數(shù)目，就可構(gòu)成以半導(dǎo)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?xì)鈿怏w含量（即氣體濃度）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由單片機(jī)采集電信號(hào)然后處理數(shù)據(jù)最終將濃度顯示出來以便于報(bào)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(cè)甲烷的傳感器，它對(duì)甲烷有著極高的靈敏度，同時(shí)也可對(duì)丙烷和丁烷進(jìn)行檢測(cè)，選擇此傳感器的優(yōu)勢(shì)在于其對(duì)多種可燃性氣體均有較好的檢測(cè)，尤其是在檢測(cè)天然氣方面更為突出，另外它在使用時(shí)間上具有壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，且使用成本也不高，可以滿足大眾的需求。

3 硬件設(shè)計(jì)與制作

3.1檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

檢測(cè)電路中主要是通過傳感器對(duì)氣體的檢測(cè)，并在其基礎(chǔ)上加入了A/D轉(zhuǎn)換電路，復(fù)位電路，以單片機(jī)來控制整個(gè)裝置。單片機(jī)是集接收電壓信號(hào)，處理信號(hào)，以及控制報(bào)警和響應(yīng)為一體的控制裝置，同時(shí)也負(fù)責(zé)判斷外界接受到的中斷請(qǐng)求，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)是為了檢測(cè)燃?xì)鉂舛龋瑴p少燃?xì)馐鹿蕦?duì)居民的安全隱患，所以在信號(hào)處理方面要求極高，需要單片機(jī)的運(yùn)行速度夠快，才能對(duì)氣體的濃度有更精準(zhǔn)快速的判斷和及時(shí)的處理報(bào)警。此設(shè)計(jì)還考慮到廣大居民生活中，要考慮價(jià)格方面。在對(duì)各個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比后，我們決定采用STC89C52系列單片機(jī)。

3.1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

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

3.1.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

復(fù)位操作可以使處于死機(jī)狀態(tài)下的單片機(jī)重新啟動(dòng)，同時(shí)完成單片機(jī)的初始化工作，因此該功能也是本設(shè)計(jì)中不可或缺的一部分。我們采用了阻容RC上電的復(fù)位電路，它是通過電容C給RST端上加一個(gè)高電平復(fù)位信號(hào)，RC電路參數(shù)會(huì)直接影響高電平持續(xù)時(shí)間。RST端上的高電平信號(hào)必須給足夠長(zhǎng)的時(shí)間，才能保證系統(tǒng)可靠地復(fù)位，本設(shè)計(jì)中的復(fù)位電路如圖2所示。

3.1.3 控制及顯示電路的設(shè)計(jì)

本部分主要由LCD1602液晶顯示器和按鍵組成。LCD1602液晶優(yōu)點(diǎn)是一種字符型液晶顯示器，它在顯示字母和數(shù)字時(shí)比較方便、控制簡(jiǎn)單、成本較低，缺點(diǎn)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(shè)計(jì)中我們只需要顯示濃度和預(yù)設(shè)濃度，所以根據(jù)成本以及控制簡(jiǎn)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(bào)警電路的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的聲音報(bào)警控制是由STC89C52的11腳（TXD）實(shí)現(xiàn)的。該電路主要是由三極管、LED燈以及揚(yáng)聲器這三部分組成。首先我們通過檢測(cè)電路測(cè)得空氣中燃?xì)鉂舛?，并判斷三極管是否導(dǎo)通來確定是否報(bào)警，揚(yáng)聲器和LED燈是否工作。當(dāng)檢測(cè)到的濃度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，三極管未能導(dǎo)通，揚(yáng)聲器、LED燈均不工作；當(dāng)檢測(cè)到濃度等于或者超過預(yù)設(shè)值時(shí)[4]，三極管導(dǎo)通，揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警聲音，LED燈工作，聲光報(bào)警電路如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

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(shí)間不通電，當(dāng)再次通電時(shí)，該元件則不能立刻進(jìn)入工作，所以需要預(yù)熱一段時(shí)間，為了解決該問題我們采用了延時(shí)程序，以此來對(duì)傳感器進(jìn)行預(yù)熱。主程序中不僅包括了延時(shí)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(bào)警器功能的，這樣以便我們檢測(cè)觀察。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)對(duì)單片機(jī)與氣體傳感器兩大核心器件進(jìn)行了深入的研究，通過對(duì)比其他的天然氣報(bào)警技術(shù)[5]，設(shè)計(jì)出一套合理的報(bào)警方案，并對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行詳細(xì)的分析。根據(jù)本設(shè)計(jì)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(duì)天然氣具有良好的敏感特性，響應(yīng)速度快，對(duì)于克制溫度有穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[6]。

在單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)中，我們以STC89C52單片機(jī)作為核心，令其具有了性能穩(wěn)定，靈敏度較高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

天然氣報(bào)警裝置能夠?qū)μ烊粴馐欠裥孤哆M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到的濃度超過設(shè)定的范圍時(shí)發(fā)出警報(bào)，單片機(jī)將報(bào)警時(shí)的濃度顯示在LCD上，在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以對(duì)報(bào)警裝置進(jìn)行更加完備的功能設(shè)計(jì)提高穩(wěn)定性和安全性。此設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警器靈敏度較高，適合用于低流速的可燃性氣體的檢測(cè)。并且在后期的測(cè)量中也得到較理想的成果。

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【通聯(lián)編輯：梁書】