基于单片机的家庭C O和甲烷泄漏的检测、报警与排气

刘睿鑫 张 云 曹贯强

(中国矿业大学〈北京〉机电与信息工程学院，中国 北京 100000)

0 引言

由于使用液化气做饭比较方便，好多家庭在使用，但是同时液化气泄漏带来的危害是致命的。而且在北方的冬天，因为人们取暖的需要，好多家庭生火炉来取暖。但是煤炭不完全燃烧产生的CO却是致命的无色无味气体，当其在空气中含量达到200ppm时会出现头痛、头晕、恶心等症状，达到400ppm时两小时内时会出现前额通而三小时后会有生命危险，达到800ppm时在四十五分钟内出现头痛和恶心而两小时后有生命危险，达到1600ppm时会在一小时内死亡。而且CO易与空气混合发生爆炸，其混合爆炸极限为12.5%～74%。一次次煤气中毒带来的血的教训让我们必须重视这个安全问题。

本文设计一种系统，该系统能够随时的检测空气中的CO和甲烷的含量，同时显示在LED上，并且在一定浓度能够实现报警功能，而这个浓度是可以人为设定的。而且当CO浓度达到危害人身体的浓度时，可以驱动排气机部分工作来实现迅速通风从而排除险情，这样就可以避免事故的发生。

1 系统的硬件电路设计

1.1 单片机硬件系统的组成框图（图1）

图1 单片机硬件系统的组成框图

1.2 单片机微控制器

由于本系统要实现的功能并不是很复杂，故采用Intel公司MCS-51系列单片机的80C51单片机，该单片机有体积小、价格低、耗电小、电源单一、抗干扰能力强、可靠性高、控制功能强、运行速度快、开发应用方便等优点。80C51内部有128字节的RAM容量和4K的ROM。并且有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。而且在内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用6MHz的晶振频率。由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且由于出现较早故应用也很成熟，符合本系统的要求，故采用来作为本系统的控制核心。

1.3 低浓度气体传感器

由于CO和甲烷在低浓度下就对人体产生危害，故本系统用的是在低浓度下误差小精度高的催化燃烧式气体传感器，该传感器选择性地检测可燃性气体凡是可以燃烧的，都能够检测，凡是不能燃烧的，传感器都没有任何响应，故不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。由于本系统检测的CO和甲烷都是可燃气体故该传感器符合要求。催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号，再通过信号调理电路的放大、有源滤波电路的滤波以及经过A/D转换就可将数字量输入单片机进行处理。催化燃烧式气体传感器具有输出信号线性好、指数可靠、价格便宜、计量准确，响应快速，寿命较长的优点。

1.4 信号调理电路

由于催化燃烧式气体传感器输出的是微弱的电压信号，不利于AD采样，故通过信号调理电路将其放大得到较强的模拟电压信号。

1.5 有源滤波电路

滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率，即抑制无用信号的电子装置。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在无源滤波器的基础上增加运算放大器而构成的。有源滤波器可以实现信号的放大同时克服了无源滤波加负载时对滤波效果的影响。由于该系统AD转化的是直流信号，故该系统使用二阶压控型低通滤波器（如图2）。设置截止频率为500Hz。

图2 二阶压控型低通滤波器结构图

1.6 A/D转换芯片ADC0809

经过滤波后的信号是模拟信号，不能被单片机识别，故必须通过A/D转换芯片对其进行转换才能输入到单片机进行处理。该系统用到的AD芯片是ADC0809。滤波器的输出端接到芯片的IN0。输出接到单片机的全双工并行口上。

1.7 报警部分

由于是家庭简易装置，故使用简单蜂鸣器系统（如图3）即可。当AD装换过来的数值即可燃气体浓度接近危害人身体的数值时即通过单片机控制其中三极管导通从而发声报警。

图3 蜂鸣器系统原理图

1.8 电源部分

由于家庭都使用220V交流电，然而整个系统用的是5V的直流电。故需要通过单向桥式整流电路得到直流电压，再通过7805三端稳压集成电路使输出电压稳定为5V，从而给系统供电。（如图4）

图4 整流和稳压电路示意图

1.9 键盘和显示部分

为了减轻单片机的负担，该系统在按键和显示部分使用7279芯片来读入按键值和控制LED的点亮。按键是由0～9数字键和确认键构成，用来设定报警的浓度下限值。键盘以中断方式运行。显示器用两个LED数码管，一个用来显示当前的CO和甲烷的浓度，一个用来显示设定的报警浓度。（如图5）

图5 HD7279芯片控制键盘和LED原理图

1.10 控制排风部分

为了提高抗干扰性，这里使用MGA607光耦、驱动管和继电器构成对排风机的控制部分。当CO或甲烷浓度到达危害人体的数值时，单片机与光耦连接管脚置高电平，控制MGA607工作，从而使驱动管工作，使得继电器带电而闭合，这样就接通了控制排风机的电路，使得排风机开始工作将房间内CO和甲烷浓度降低而排除危险。一旦危险气体浓度降低到设定浓度以下后则单片机相应管脚置低电平从而最终控制排风机停止工作。

1.11 程序运行监控部分看门狗电路

单片机运行过程中经常会出现程序“跑飞”或者系统“死机”，但这在该系统中是不允许的，否则可能引发CO或甲烷浓度过高时仍然不报警或者不启动排风机等事故。该系统使用看门狗芯片中的IMP 813来避免这种现象。看门狗电路是一个定时器电路，有一个输入输出到单片机的RST端，单片机正常工作的时候，每隔一端时间输出一个信号到输入端，给看门狗清零，如果超过规定的时间不输入(一般在程序“跑飞”时)，看门狗定时超过，就回给出一个复位信号到单片机，使单片机复位，防止单片机死机。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序“跑飞”。

2 软件设计

该系统软件部分主要包括AD采样部分、键盘中断处理过程、报警程序设计部分、打开排风机程序部分以及LED显示器显示部分等。系统主要流程图（图6）。

3 结束语

该系统结构设计的简单、可靠。既能有效的实现其功能从而保障家庭生活中使用液化气和火炉时不会发生危险，而且硬件价格便宜，性价比高。故该系统的实用价值很强。

图6 系统主要软件流程图

［1］张俊谟.单片机中级教程：原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006，10.

［2］郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009，1.

［3］张瑾，张伟，张立宝.电路设计与制版：Protel 99SE入门与提高[M].北京：人民邮电出版社，2007，7.

［4］苏雅莉.基于单片机的火灾自动报警系统[D].河南大学，2010.