基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计

　　摘要：为了实现实时监测煤气的浓度并能及时报警，本文研制了一种高性能的煤气监测与报警系统。该系统以单片机为硬件核心，通过实时的数据采集，数据处理能够准确地监测室内煤气的含量，当被测气体中一氧化碳的浓度超过预定数值时，将产生报警并自动关闭煤气阀门。
　　关键词：煤气监测　报警系统　单片机　气体检测　单片机控制
　　中图分类号：TP274　文献标识码：A　文章编号：1672-3791(2012)01(b)-0113-01
　　随着生活水平的提高，煤气已经进入了千家万户，它给人们带来带来便利的，与此同时，也带来了巨大的威胁。煤气的主要成分是一氧化碳，当室内一氧化碳体积达0.06％时，人会感到头晕、头痛、恶心、呕吐、四肢乏力等症；超过0.1％时，只要吸入半小时，人即会昏睡，进而昏迷；达到0.4％时，只要吸入1h就可致人于死亡，而且它易与空气形成爆炸性混合物，所以，它已经成为重要的安全问题。
　　由于煤气本身的危害性以及对人们的生命财产造成的巨大危害。煤气安全已然成为人们关注的热点。因此对煤气的监控是一项必要的工作。国内的许多学者设计了很多的先进的系统，可以有效的监测煤气，保障了人们的生命财产安全。例如：高凌云设计的煤气泄露监测与报警系统可以有效的监测到一氧化碳的浓度，但由于其使用的是89C52的单片机，在速度上有一定的限制，本文在此基础之上，提出一种更快、更准确单片机系统，可以更好的监测到煤气是否发生泄露。当室内气体的浓度达到设定预警值时，该装置能够及时发出报警信号，关闭气源，排除险情，有效避免爆炸、窒息、死亡等恶性事故的发生。
　　1　系统的结构及原理
　　煤气泄漏监测系统能够监测室内煤气的浓度，具有报警功能并及时关闭煤气阀门。本设计完整的煤气监测与报警系统由以下几个部分组成：气体传感器、A／D、报警系统、显示系统、电源系统、D／A组成。
　　本设计为一个监控报警系统，它对煤气浓度进行智能地实时检测和监控、报警，能实现自动关闭煤气管道阀门。系统的气体传感器监测一氧化碳的浓度，将检测到的气体的模拟信号经模数转换变成电信号。电信号经过单片机运算与设定值进行比较，当检测值比设定值低时，煤气管道正常供气；当检测值比设定值高时，系统进行报警，显示浓度，并进行D／A转换控制关闭煤气管道阀门。
　　1.1　气体传感器
　　本系统气体传感器采用的是MQ-7，半导体的气敏元件，其特点是对一氧化碳有很高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。它是适用于家庭、环境的一氧化碳、煤气等的探测装置，它能将与气体种类和浓度有关的信息转换成模拟信号。工作电压时直流5V，具有信号输出指示，双路信号输出(模拟量输出及TTL电平输出)，TTL输出有效信号为低电平(当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机)，模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高。
　　1.2　单片机微控制器
　　本系统采用的是美国SST公司推出的SST89C5 8系列单片机，与52系列资源兼容，内含36Kbyte高性能FLASH，具有编程功能，非常便于现场或远程软件的修改、调试和升级，简化了系统设计，也可用于保存数据。256字节×8bit的内部RAM，3个16位的定时／计数器，2.7V～5.5V的工作电压，工作频率最高可达33MHz。工作温度区间-为-40℃～+85℃，工作范围广，适用于各种复杂的环境。特别的是它集成了仿真功能，配合Keil软件，可使用户的目标板直接具有仿真功能，将单片机的易用性推向一个新的高度。选用该芯片作为本系统的核心控制元件，不需再外扩展任何存储设备，且能高效率、快速运行计算。而且，从经济性的角度来看，SST89C58不但硬件结构简单，而且价格低、功能强、性价比高，符合我国工业设计制造的要求。
　　1.3　看门狗电路
　　单片机控制系统在实际应用时，抗干扰是必须要解决的问题。这个问题比较复杂，一方面要查清干扰的主要来源；另一方面要采取相应措施予以防范。在单片机应用系统中，由于干扰的因素或硬件设备的故障，常常会出现程序“胞飞”或“死机”现象，使系统不能正常工作，为了解决这个问题，在单片机采用看门狗一个很好的办法。
　　1.4　A／D转换电路
　　A／D转换电路采用Texas仪器公司的TLc 542A／D转换器。该转换器是采用CMOS工艺，11路输入，8位输出的串行A／D转换器，与CPU接口简单，转换速度快，而且功耗小，最大功耗只有10MW。
　　1.5　报警电路
　　报警电路采用的是声光报警，模块由光电二极管，蜂鸣器(直流驱动)和一个按键组成。当CO的浓度超出预设的范围时，则灯亮，同时蜂鸣器产生报警。当温度在设置范围内时，灯不亮，蜂鸣器不工作。正常情况下，系统的报警功能开启。产生报警后，若气体浓度在预设值之内，则灯自动熄灭，蜂鸣器停止发出声音。也可以手动按键，则系统报警系统关闭。
　　1.6　显示电路
　　显示电路采用的是LCD显示模块，主要用到了LCD12864字符型液晶显示模块，它可以显示四行，每行16个字符，相当于32个LED数码管，而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比。单片机通过对数字信号的处理与判断，将CO的浓度值送到LCD显示器并显示出来。
　　1.7　电磁阀电路
　　电磁阀电路的主要功能是当检测到的CO浓度超过预设值时，单片机发出指令，电磁阀电路可以自动关闭煤气开关，排除险情。基本原理是：若监测到CO的浓度正常，发出指令为0，通电，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；当监测到CO的浓度异常时，单片机发出指令为1，电磁阀断电，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。电磁阀的再次打开需要人工的开启，这样的设计避免了由于误开启给人们的生命和财产带来的安全隐患。
　　2　结语
　　随着生活水平的提高，煤气已经走进了千家万户，煤气安全也成为了人们关注的热点。而由本系统设计的煤气监测与报警系统，针对家庭中的煤气浓度进行检测，可以节能、方便、快捷、灵敏地检测是否发生煤气泄露，保障了人们的生命与财产的安全，经试验可知：本设计是一种操作方便、测量准确的并且快速的一氧化碳监测设