基于无线WiFi的煤气报警器的设计

李 红，屈泽明

(湖南湘潭钢铁集团公司，湖南 湘潭 411101)



基于无线WiFi的煤气报警器的设计

李 红，屈泽明

(湖南湘潭钢铁集团公司，湖南 湘潭 411101)

针对传统的煤气报警器的缺陷，设计了一种基于WiFi的煤气报警控制器。通过传感器对煤气浓度的检测，实现了对浓度的显示、语音报警，并具有LED点阵屏显示功能。利用RS232/WiFi模块实现了控制器与智能手机或PC之间通过WiFi的方便连接和数据传输。该控制器具有成本低、运行可靠、显示醒目、通信方便等优点，从而使得控制器具有较好的推广意义。

单片机；RS485总线；远程监控；WiFi

0 引言

钢铁企业使用的煤气主要包括焦炉煤气、高炉煤气以及转炉煤气。由于这些煤气的存在，增加了煤气中毒的风险。为了降低煤气中毒的风险，各个钢铁公司在预防煤气中毒的工作方面做了大量的工作，但是钢铁行业煤气泄漏造成人员伤亡的事故仍然时有发生，说明钢铁行业预防煤气中毒方面仍有大量的工作需要进一步改善[1]。

目前湖南湘潭钢铁集团有限公司主要有两种报警装置，一种是固定式煤气报警仪，一种是便携式煤气报警仪。固定式煤气报警仪安装时，一般把探头安装在煤气区域，把带有显示功能的主控制器安装在操作室。因为每个煤气区域都可能作业，故每个煤气区域都需要安装一套煤气报警装置。这种方案存在两种缺陷：一是在煤气区域的人员不能观察到煤气实时浓度和变化趋势；二是只需要关注有人员在煤气区域作业时的煤气浓度，其他时间不必关心煤气浓度，这样造成了投资和资源的浪费。便携式煤气报警仪可以携带在身上，煤气超标时发出报警声音。这种方案克服了安装固定式煤气报警仪现场作业人员不知道煤气浓度的缺陷及应用灵活的优点，但是又有新的问题出现，一是操作室的人员不知道现在煤气浓度的情况；二是由于煤气区域作业的人员需要每人携带一部煤气报警仪，需要备用的数量较多，成本仍然较高。

1 控制器方案设计及其硬件设计

系统主要由检测电路、LED数码管显示电路、LED点阵屏显示电路、RS232/WiFi模块及通过WiFi网路连接的PC、智能手机等智能终端设备组成，本系统硬件设计框图如图1所示。传感器MQ-5检测气体中的可燃气体的浓度，经过AD转换，采集进入MCU中。MCU根据煤气的实时浓度，判断是否应给出声音报警，并在LED数码管上显示实时浓度，同时MCU发出数据及控制信号到LED点阵显示屏，使LED点阵显示屏显示相应的提示文字。通过RS232/WiFi模块，实现与远程PC的WiFi网路连接，从而解决了便携式煤气报警仪远程不能监控的缺陷，同时就地与煤气区域的智能手机等智能设备连接，通过APP实现了在智能手机上实时显示，相当于可以便捷地实现每人携带一部煤气报警仪。这样的设计即解决了远程和本地目前不可兼顾显示煤气浓度的缺陷。由于设计装置是可移动的，只需要一套设备就可满足作业要求，故也解决了成本问题。

1.1 LED点阵显示屏的设计

在本系统中设计了32×64阵列的LED点阵显示屏，除了发光二极管外，它主要由行驱动电路和列驱动电路组成。行驱动电路主要由74HC138、功率管驱动MOS管4953等元器件组成，对来自LED点阵显示屏接口Jin的地址信息信号A、B、C、D进行译码处理，使单元板其中两行为低电平(这两行在数字上始终相差16)，从而实现了显示两行的数据信息。列驱动电路包括两路，主要利用74HC595来实现，它把从显示屏控制器串口输出的数据进行串进/并出处理，并存储显示屏点阵一行的数据信息。列驱动有两行，其中Jin接口的Da0的列数据用于驱动上面16×64的LED阵列，Jin接口的Da1的列数据用于驱动下面16×64的LED阵列。同时显示两行的行驱动设计及两组列驱动设计，实现了32×64阵列可显示8个16×16点阵的汉字[2]。32×64点阵LED显示原理图如图2所示。

图1 控制器系统硬件结构图

图2 LED点阵显示屏的设计

1.2 主要硬件选型及设计要点

MCU选取STC12C5A60S2作为控制核心，STC12C5A16S2是一种具有低功耗、高性能 CMOS、运行速度快(是普通89C51系列单片机运行速度的12倍)等特点的 8位微控制器。集成的资源也比较丰富，包括：16 KB Flash，1 280 B RAM，32 bit I/O端口，4个16 bit定时器/ 计数器， 8个10 bit ADC，全双工串行口，片内晶振及时钟电路等。由于控制器本身带有ADC，故可以省略ADC电路，从而简化了电路，节约了成本，同时可以降低故障率，提高稳定性。

利用MQ-5气体传感器实现对空气中的可燃气体的检测，MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-5具有探测范围广、灵敏度高、响应恢复快、稳定性能好、寿命长、驱动电路简单等特点，从而被广泛用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、氢气、人工煤气等的探测，其探测范围 为300～10 000 ppm。

RS232/WiFi模块选用HLK-RM04模块，它是海凌科电子新推出的低成本高性能嵌入式UART-ETH-WiFi(串口-以太网-无线网)模块，内置TCP/IP协议栈，能够实现用户串口、以太网、无线网(WiFi)3个接口之间的任意透明转换。利用HLK-RM04模块，可以使传统的串口设备在不需要更改任何配置的情况下，方便快捷地通过Internet 网络传输自己的数据。它支持TCP/UDP/ARP/ICMP/HTTP/DNS/DHCP网络协议，串口速率在1 200～230 400 b/s范围内可调。

相比于LCD液晶屏来说，LED数码管鲜艳的色彩更加醒目，由于在本设计中数码管是用来实时显示可燃气体浓度和设定报警值的，因此醒目是有必要的，故在本系统中选用LED数码管来显示可燃气体浓度。LED数码管显示电路主要由4位共阴极LED数码管及驱动电路组成，采用动态扫描的显示方式，节约了MCU数量有限的I/O资源。通过使用集成的达林顿芯片ULN2008来驱动LED数码管4位LED数码管，相对于传统的三极管驱动电路来说，这样设计既简化了电路，也使得电路板更紧凑、简约和稳定[3]。

考虑到以后与其他串口设备通信，设计了RS485接口电路及RS232接口电路。在接口电路中选用了MAX485及MAX232接口芯片。MAX485接口芯片是MAXIM公司的一种RS-485芯片，通过MAX485实现了TTL电平与RS-485电平之间的转换[4]。

2 系统软件设计

程序设计采用C语言编程，程序主要包括ADC中断服务程序、LED点阵屏显示程序、LED数码管显示程序、通信中断服务程序、数字滤波程序以及用于键盘识别的外部中断服务程序。ADC中断服务程序是用于读取空气中可燃气体浓度，采用中断读取方式，保证了浓度采用等数据的实时性；LED点阵屏显示程序用于显示警示语；LED数码管用于显示可燃气体浓度；通信中断服务程序实现控制器与其他智能设备数据交换；数字滤波程序主要对采样的数据进行处理，达到去伪存真的目的；键盘识别的外部中断服务程序用于键的识别，采用中断方式保证了按键的实时性。本系统主程序框图如图3所示，程序首先对ADC通道、外部中断INT0及串口中断进行了初始化，对于新采样的浓度值进行了数字滤波处理，确保浓度值的真实性。通过LED数码管显示程序，显示出实际浓度。在程序中通过逻辑判断，判别出浓度是否超标，以决定是否给出声音报警信号和显示的何种提示语或警示语。为了提高通信的准确性，需要计算出通信数据校验码后才能给串口发出数据，其他接收设备根据校验码判断本次通信是否正常，如果通信校验码一致，则认为本次通信正常，接收的数据可用于监控，否则抛弃本次接收的数据。

图3 控制器主程序框图

3 实验及展望

通过实验板对装置的显示效果、通信及抗干扰能力等方面进行了测试。

测试结果表明，LED显示稳定、不闪烁、色彩鲜艳，相比于LCD显示器来说更为醒目，由于LED显示器本身是发光体，故非常适合使用在光线昏暗的环境下。

在通信方面，智能手机可自动连接到RS232/WiFi模块，在智能手机APP上可方便地观测到煤气浓度，显示数据与装置LED数码管上的浓度信息一致。通过校验码设计，使手机APP能识别接收数据的错误，保证APP上显示的数据正确无误。

分别把控制器放置在煤气区域、电气室以及具有较强干扰的变频器室环境进行测试，控制器工作正常，通信及显示正常，说明本控制器具有较强的抗干扰能力。

本设计由于克服了传统煤气报警器的缺陷，并具有成本低、使用方便、功能较强等特点，使得本设计具有较好的应用前景。

[1] 赵春辉. 煤气中毒事故案例分析及抽堵盲板作业的安全技术措施[J].冶金动力，2014(5):25-27.

[2] 吴兴中.钢包精炼炉配料控制系统的研究与设计[D].湘潭：湖南科技大学，2010.

[3] 吴兴中，屈泽明.一种基于单片机的液位控制器的设计[J].微型机与应用，2016,35(16):98-100.

[4] 吴兴中，朱松林，彭新良.利用单片机实现对云台的控制[J].四川兵工学报，2011,32(3):71-72.

Design of gas alarm based on wireless WiFi

Li Hong, Qu Zeming

(Hunan Xiangtan Iron and Steel Group Co., Ltd., Hunan Province, Xiangtan 411101, China)

Aiming at the defects of traditional gas alarm, a gas alarm controller based on WiFi is designed.Through the sensor to detect the gas concentration, it realized concentration display and voice alarm, and has the LED lattice screen display function. Using RS232/WiFi module it achieves the controller with smart phones and PC through WiFi convenient connection and data transmission.The controller has the advantages of low cost, reliable operation, conspicuous display and convenient communication, so that the controller has good popularization significance.

MCU; RS485 bus; remote monitoring; WiFi

TP202

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.12.008

李红，屈泽明.基于无线WiFi的煤气报警器的设计[J].微型机与应用，2017,36(12)：26-28.

2016-12-24)

李红(1983-),女，学士，主要研究方向：质量设计、产品开发。

屈泽明(1982-),男，硕士，工程师，主要研究方向：传动与控制、流体控制技术。