| 标题 | 基于单片机的可燃性气体报警器的设计 |
| 范文 | 兰小燕 徐静 阿如汗 塔拉 汪鹏 袁振磊 摘要：目前，随着天然气使用的普及，用于家庭燃气检测报警的装置已经存在，但是家庭中使用的燃气报警器普遍存在浓度测量灵敏度不够，以及对烟雾和燃气的区分辨别不够灵敏等问题。根据现有技术的不足，设计用MQ-4气体传感器来检测气体，并用单片机控制装置，能够保证检测的灵敏性，并随时显示室内燃气浓度，以便人们观察，并且可通过本地区实际情况调节燃气报警的预设值。该设计大大提高了人们在使用天然气时的安全性。 关键词：燃气检测；单片机；气体传感器；燃气报警器 中图分類号：TP302 文献标识码：A 文章编号：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 绪论 1.1研究目的及意义 近年来因为人民生活水平不断地提高以及居民能源消费结构的转变，并且在环保监管日趋严格的背景下，燃气日益替代煤炭来供电供热，天然气在人们日常生活中所占的比重也在日益提升，也正是因为天然气在使用上具有方便经济的优势，所以非常受用户的欢迎，但同时也有一个严峻的问题一直困扰着我们，这个问题就是人们在使用天然气时的安全问题[1]。为此，本设计主要是为使用天然气的家庭用户设计出一种可以检测天然气是否泄露然后报警的装置，让人们在使用天然气的过程中更安全，更放心。 1.2国内外现状 国外一些国家，燃气报警器的发展已经十分成熟。在日本研发燃气报警器已经有50多年了，日本也是最先发明此种报警器的国家，在研制气体探测器和提升报警器的性能方面都是处于国际领先水平。也正是因为日本对燃气报警器研究的重视，使燃气报警器在日本社会中广泛应用，也使得日本的燃气泄露和爆炸等事故的发生率远远低于欧美等发达国家。例如FIGARO、理研等厂家研究、生产的产品采用的都是最先进的气敏传感器，并且以性能可靠、使用寿命长、响应速度快而闻名。 我国是在70年代初期进行可燃性气体报警控制器的研制。与日本等国家相比起步时间稍晚一些，现在大部分还是采用国外先进的传感器技术和生产工艺。然而我国在其基础上进行研究和开发，从而形成了自己的特色。也形成了型号多样以及品种较齐全等优势。近年来，主要从产品稳定性和气体选择性上进行了改善。本设计主要通过单片机和半导体气敏传感器相结合。半导体气敏传感器因为有着灵敏度高、响应时间快以及使用寿命长成本低等优势，所以我们采用它来进行燃气浓度的检测。 1.3 本项目主要完成任务 1）对基于单片机的家用燃气报警器的研究做一个整体规划同时设定将要实现完成的功能特性。 2）以STC89C52单片机为中央处理器，设计并改善硬件电路。 3）完成系统的程序设计。在程序的编写过程中，加入详细的文字注释，这将会有利于该系统后期的维护与改进。并且分别对主程序和各子程序绘制流程图。 2 可燃性气体报警控制器的设计 2.1 传感器的选型 对于传感器的选择，我们选用气敏传感器来完成气体检测部分。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度以及成分的传感装置。我们按材料的构成将其分为两大类：半导体和非半导体。目前在此类报警器中使用较多的就是半导体气敏传感器。半导体材料的导电能力是由该半导体内部载流子数目决定的。改变半导体内载流子数目，就可构成以半导体材料作为敏感元件的各种传感器。而使用传感器的意义就在于把空气中的可燃气气体含量（即气体浓度）转换成电信号，再由单片机采集电信号然后处理数据最终将浓度显示出来以便于报警的控2]。 2.2 MQ-4传感器的选用 MQ-4传感器是一种用于检测甲烷的传感器，它对甲烷有着极高的灵敏度，同时也可对丙烷和丁烷进行检测，选择此传感器的优势在于其对多种可燃性气体均有较好的检测，尤其是在检测天然气方面更为突出，另外它在使用时间上具有寿命长，稳定性高等特点，且使用成本也不高，可以满足大众的需求。 3 硬件设计与制作 3.1检测电路的设计 检测电路中主要是通过传感器对气体的检测，并在其基础上加入了A/D转换电路，复位电路，以单片机来控制整个装置。单片机是集接收电压信号，处理信号，以及控制报警和响应为一体的控制装置，同时也负责判断外界接受到的中断请求，因为本设计是为了检测燃气浓度，减少燃气事故对居民的安全隐患，所以在信号处理方面要求极高，需要单片机的运行速度够快，才能对气体的浓度有更精准快速的判断和及时的处理报警。此设计还考虑到广大居民生活中，要考虑价格方面。在对各个方面进行对比后，我们决定采用STC89C52系列单片机。 3.1.1 A/D转换电路的设计 首先由半导体气体传感器检测天然气浓度所得的信号送入A/D转换电路，将气体信号转换成电压信号，然后传送给STC89C52，如图1所示。 3.1.2 复位电路的设计 复位操作可以使处于死机状态下的单片机重新启动，同时完成单片机的初始化工作，因此该功能也是本设计中不可或缺的一部分。我们采用了阻容RC上电的复位电路，它是通过电容C给RST端上加一个高电平复位信号，RC电路参数会直接影响高电平持续时间。RST端上的高电平信号必须给足够长的时间，才能保证系统可靠地复位，本设计中的复位电路如图2所示。 3.1.3 控制及显示电路的设计 本部分主要由LCD1602液晶显示器和按键组成。LCD1602液晶优点是一种字符型液晶显示器，它在显示字母和数字时比较方便、控制简单、成本较低，缺点是显示的字体有大小限制、不能显示图形等等、它不能显示曲线，但是在本设计中我们只需要显示浓度和预设浓度，所以根据成本以及控制简单等方面我们选择LCD1602而不选择LCD12864，如图3所示。 3.1.4 声光报警电路的设计 本设计的声音报警控制是由STC89C52的11脚（TXD）实现的。该电路主要是由三极管、LED灯以及扬声器这三部分组成。首先我们通过检测电路测得空气中燃气浓度，并判断三极管是否导通来确定是否报警，扬声器和LED灯是否工作。当检测到的浓度低于预设值时，三极管未能导通，扬声器、LED灯均不工作；当检测到浓度等于或者超过预设值时[4]，三极管导通，扬声器发出报警声音，LED灯工作，声光报警电路如图4所示。 4 软件设计 主程序的流程图如图5所示。MQ-4型气敏传感器如果持续一段时间不通电，当再次通电时，该元件则不能立刻进入工作，所以需要预热一段时间，为了解决该问题我们采用了延时程序，以此来对传感器进行预热。主程序中不仅包括了延时程序，也有显示子程序和中断子程序等，这些程序是用来完善报警器功能的，这样以便我们检测观察。 5 结论 本设计对单片机与气体传感器两大核心器件进行了深入的研究，通过对比其他的天然气报警技术[5]，设计出一套合理的报警方案，并对各个部分进行详细的分析。根据本设计的需求，考虑到使用环境成本等因素来挑选合适的傳感器，该传感器对天然气具有良好的敏感特性，响应速度快，对于克制温度有稳定等优点[6]。 在单片机控制电路的设计中，我们以STC89C52单片机作为核心，令其具有了性能稳定，灵敏度较高，结构简单等优势。 天然气报警装置能够对天然气是否泄露进行实时检测，当检测到的浓度超过设定的范围时发出警报，单片机将报警时的浓度显示在LCD上，在本设计的基础上可以对报警装置进行更加完备的功能设计提高稳定性和安全性。此设计的可燃性气体报警器灵敏度较高，适合用于低流速的可燃性气体的检测。并且在后期的测量中也得到较理想的成果。 参考文献： [1] 傅婧.户内燃气系统安全隐患识别方法[J].煤气与热力，2018，38（11）：58-61. [2] 吴媛媛，陈文柳.家用燃气报警器比选方法研究[J].煤气与热力，2014，34（02）：25-28. [3] 马晓军.家用可燃气体报警器相关问题分析[J].计量与测试技术，2014，41（01）：16. [4] 谢树俊，牛军.大力推广家用燃气报警器减少居民住宅燃气事故[J].消防技术与产品信息，2012（03）：58-60. [5] 王连驰，徐洁，庞炳海.试论家用燃气报警器用气体传感器的检定方法[J].传感器世界，2011，17（01）：9-12+4. [6] 贺一丁，唐静妍.智能家用燃气泄漏报警器[J].硅谷，2010（22）：58-59. 【通联编辑：梁书】 |
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