室内煤气泄漏自动监控系统的设计

熊杰

【摘 要】本文设计了一种基于单片机技术的智能型煤气监控系统，可对煤气浓度进行实时检测、监控和报警，并能实现自动关闭煤气管道阀门，精确度、灵敏度和稳定性高，造价低，操作方便，可广泛作为室内煤气智能监控系统来使用。

【关键词】单片机；煤气泄露；监控系统

1.引言

煤气泄漏具有巨大危害性，因此对煤气泄漏实时精确监控是十分必要而且重要的。 近年来随着人民生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已深入到寻常百姓家。但由于使用不当或设备老化等原因导致的煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全。目前，一般的煤气报警器功能单一，性能稳定性低；而大型的监控系统又价格不菲，并需专门的技术人员来管理，不适用于家庭。

本设计研制了一种基于单片机技术的燃气泄漏报警与应急处理器。该系统不仅能及时准确地检测出燃气的泄漏，进行声光报警，还能实现自动应急处理（关闭阀门切断气源）；传感器损坏能自查报警，用户可及时发现并能自行更换；阀门开闭装置设计独特，安装无需拆动原管路，使用十分方便，因此特别适合于无条件建立或加入集群监控系统的广大燃气用户使用。

2.总体设计

本系统所采用的气敏传感器为半导体式气敏传感器，工作原理是随着探头附近煤气浓度上升，通电预热后的半导体构件对敏感气体的吸附作用，内部化学反应加快，气敏探头感应体电阻值成指数下降。这种电阻的变化被信号转换电路将其转变成可以测量的电信号，反映出是否有燃气泄漏现象。

设计在监测电路后级的单片机可计算出所探测到的燃气浓度参数，当检测浓度值超过预先设置的危险门限时，立刻驱动声光报警并应急处理电路阀门开闭装置系统。

系统主要由单片机电路、检测电路、报警电路和应急处理电路组成，其基本结构如图1所示。

图1 系统硬件框图

3.硬件设计

3.1 检测电路系统

加热电源使气敏元件工作在200～300℃下，检测电路将气敏元件的电阻值转换为直流电压并输入单片机，电压高表示可燃性气体浓度高，单片机依一定算法判定现场可燃性气体的浓度情况，以输出适当的报警控制信号和气源控制信号。当有燃气泄漏时，其表面会发生化学吸附，使本身电阻下降，且燃气浓度越高，电阻下降越多。利用该特性并通过Q1等元件组成的开关电路即可获得“气—电”信号，完成燃气泄漏的检测。

气敏传感器在使用中，其热丝可能烧断但难以发现，为能及时发现传感器的损坏，本系统特别设计了气敏元件自检电路。

燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测的原理电路如图2所示。

3.2 单片机电路系统

单片机电路是系统控制的核心，单片机选用ATMEL公司的低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51；A/ D转换芯片采用ADC0809，可以实现将连续采集的煤气浓度信号转换成离散的数字量，以便系统进行实时的判断和智能化的处理。

图2 检测电路

3.3 声光报警电路系统

光报警由红、黄、绿发光二极管完成。当燃气浓度大于预报警限值时，单片机驱动红色LED点亮；当气敏元件损坏时，单片机驱动黄色LED工作；当正常工作时，单片机驱动绿色LED点亮。

蜂鸣音报警的发音器件采用压电式蜂鸣器。当燃气浓度大于预报警限值时，单片机输驱动蜂鸣器报警。

3.4 应急处理电路系统

电磁阀采用二位二通节能型直动式燃气电磁阀。当正向脉冲供电时阀门开启并保持，此时电源切断阀门为开启位置；当反向脉冲供电时阀门关闭并保持，此时电源切断阀门为关闭位置。由于电磁阀需由脉冲信号驱动，系统采用在单缓冲方式下工作的DAC0832作为波形发生器以提供正负脉冲，故其能够自动启闭实现安装位置的可调性。应急处理的原理电路如图3所示。

图3 电磁阀驱动电路

4.软件设计

系统软件程序主要由主程序、外部中断0和外部中断1服务程序组成。主程序设计成一死循环结构，处于随时可以响应中断的状态，如图 4所示。

当传感器损坏时，采样子程序0服务程序实现完成黄光报警和关阀门的功能。

当传感器检测到燃气泄漏时，采样子程序1服务程序发出声报警控制信号；调用延时程序后，再次进行检测以确定之前的信号是否由于某些干扰或短时可控泄漏（如燃气灶点火时可能产生的瞬时泄漏）引起的；如确定为事故泄漏，则即刻发出红光报警、关闭阀门切断气源等指令。其程序流程如图5所示。

图4 主程序流程图

5.结论

本设计实现了室内煤气泄露自动监控系统的功能多样化和智能化，硬件系统简单，并可作为集群监控系统中的下位机和现场执行机。

在实际应用中，本系统运行稳定、可靠、灵敏，可广泛应用于家庭、宾馆、公寓等存在可燃气体的场所。与同类报警系统相比，本系统成本低，性价比高，使用更为方便，因此具有广泛的应用前景。

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图5 采样子程序1