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電工電氣(2009 No.5)可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)蘇文靜，文小玲，朱琥 (武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430073) 摘 要： 設(shè)計(jì)了一種可燃?xì)怏w報(bào)警器，介紹了報(bào)警器的工作原理及其軟、硬件的設(shè)計(jì)。該報(bào)警器 以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器，采用 89C51 單片機(jī)進(jìn)行控制，能根據(jù)可燃?xì)怏w檢測濃度進(jìn) 行聲光報(bào)警，并控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)。 關(guān)鍵詞： 89C51 單片機(jī)；氣體檢測；探測報(bào)警器 中圖分類號：TM763；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-3175(2009)05-0008-04Design of Combustible Gas AlarmSU Wen-jing, WEN Xiao-ling, ZHU Hu （School of Electrical and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 3003, China） Abstract: A kind of combustible gas alarm was designed. Introduction was made to the working principle and its software and hardware design. The alarm takes gas sensors with stable performance and parameters as the detector, adopting 89C5 to carry out control, carrying out audio and light alarming based on tested combustible gas density and contolling relevant equipment to work, to realize safety protection. Key words: 89C5; gas test; detecting alarm隨著人們生活水平的提高，越來越多的人對生 活空間的安全和舒適性有了更高的要求。

家用燃?xì)?報(bào)警器能實(shí)時(shí)監(jiān)測可燃?xì)怏w的泄露情況，一旦發(fā)生 泄露，即空氣中可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度，則報(bào)警器 立即進(jìn)行聲、光報(bào)警，有效防止事故的發(fā)生，滿足 人們對燃?xì)獍踩男枰?。本設(shè)計(jì)的任務(wù)就是開發(fā)一 種以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器并采用 89C51單片機(jī)進(jìn)行控制的可燃?xì)怏w探測報(bào)警器。當(dāng) 空氣中有可燃?xì)怏w在揮發(fā)且氣體濃度達(dá)到或超過設(shè) 定值時(shí)，探測器即產(chǎn)生與空氣中被測氣體濃度成線 性關(guān)系的電壓信號，該信號經(jīng)過處理后傳至控制器 并顯示氣體濃度值可燃?xì)怏w報(bào)警器，隨即發(fā)出聲、光報(bào)警信號，還 可以輸入相關(guān)控制信號，啟動相應(yīng)控制裝置，避免 重大事故發(fā)生。路、A/D轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)、數(shù)碼管顯示部分和聲 光報(bào)警部分等組成[1]。檢測電路把泄漏氣體濃度的 變化轉(zhuǎn)變成電信號，根據(jù)氣體濃度和電壓信號之 間的對應(yīng)關(guān)系，再對該模擬信號進(jìn)行分析處理，并 通過A／D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號輸入單片機(jī)，最后由 單片機(jī)驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示和信號顯示燈及蜂鳴 器完成報(bào)警過程。當(dāng)泄漏氣體的濃度達(dá)到一定值 時(shí)，可以啟動通風(fēng)換氣設(shè)備進(jìn)行排氣，同時(shí)通過 電磁閥將氣體管道關(guān)閉，并可以通過RS-485總線 與上位機(jī)進(jìn)行通信(將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)用 戶)。

當(dāng)泄漏氣體的濃度降低到安全點(diǎn)后，關(guān)閉通 風(fēng)換氣設(shè)備，停止報(bào)警，將氣體管道打開，達(dá)到 安全保護(hù)的目的。檢測電路 A/D轉(zhuǎn)換電路 聲光報(bào)警電路 排風(fēng)扇 繼電器 電磁閥 單 片 機(jī) 控 制 電源 LED顯示1硬件設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 該系統(tǒng)組成如圖1所示。它由傳感器檢測電圖1 報(bào)警器系統(tǒng)框圖作者簡介：蘇文靜(1975- )，女，講師，碩士，研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)與嵌入式應(yīng)用。8可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)電工電氣(2009 No.5)該報(bào)警器具有下述功能： (1)當(dāng)被檢測區(qū)域的可燃濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí) 報(bào)警器應(yīng)能發(fā)出聲、 光報(bào)警信號。 (2)報(bào)警器在傳感元件斷路或短路時(shí)應(yīng)發(fā)出報(bào) 警信號，有明顯區(qū)別的聲、光故障信號。 (3)報(bào)警器應(yīng)對聲、光報(bào)警裝置設(shè)置手動自檢功 能。 (4)對于有輸出控制功能的報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器 發(fā)出報(bào)警信號時(shí)，應(yīng)能啟動輸出控制功能。 (5)報(bào)警器的供電電壓必須非常穩(wěn)定，否則，將 會影響報(bào)警的正常工作。 1.2 可燃?xì)怏w檢測電路 1.2.1 氣敏傳感器(探頭) 選用的氣敏傳感器型號為MC-112，它是一種催 化燃燒式傳感器。這種傳感器主要用于檢測可燃性 氣體，它是由4只感應(yīng)電阻構(gòu)成惠斯登檢測橋路。

當(dāng) 含有可燃性的混合氣體擴(kuò)散到檢測元件上時(shí)，在氣 敏元件表面有一層催化劑，催化劑迅速與可燃性氣 體進(jìn)行無焰燃燒，并產(chǎn)生熱量。溫度使感應(yīng)電阻阻 值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生微小的電壓差信 號，此信號與可燃?xì)怏w濃度是成正比的，從而達(dá)到 檢測可燃?xì)怏w濃度的目的。 1.2.2 氣體檢測電路的設(shè)計(jì) 氣體檢測電路原理如圖2所示，由氣敏傳感器 (探頭)MC-112和電阻R W和電阻R 2、R 3組成平衡電橋 檢測電路，電壓信號分別從電阻R W 和探頭的中點(diǎn)取 出，被取出的電壓信號被加到運(yùn)放LM358的2(-)腳 反相輸入端和3(+)腳同相輸入端；此時(shí)被取出的電 壓信號應(yīng)相等。在氣敏傳感器通電的情況下，在未 檢測到一定濃度的可燃?xì)怏w時(shí)，氣敏傳感器的反應(yīng) 電阻不會發(fā)生任何反應(yīng)和變化，這樣從探頭中點(diǎn)取 出的電壓信號也不會發(fā)生變化。當(dāng)在輸入端加上 +5 V電壓時(shí)，經(jīng)過3個(gè)二極管(IN4001)，每個(gè)二極 管的壓降約為0.7 V，最后在探頭兩端的電壓約為 2.7～2.9 V，此時(shí)運(yùn)放反相端2(-)的電壓為1.4 V左 右，同相端3(+)的電壓也應(yīng)為1.4 V左右；未探測 到可燃?xì)怏w時(shí)，差動運(yùn)算放大器反相端和同相端的 輸入信號電壓差幾乎為零，那么此時(shí)差動放大器 的輸出端1，通過調(diào)節(jié)R W 使輸出電壓信號也接近于 零。

當(dāng)氣敏傳感器探測到一定濃度的可燃性氣體泄 漏時(shí)，在傳感器元件上的催化劑使可燃性氣體進(jìn)行 無焰燃燒，產(chǎn)生熱量使感應(yīng)電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產(chǎn)生了微小的電壓差信號，此時(shí)差動 運(yùn)算放大器同相端3(+)的電位V 3+高于反相端2(-) 的電位V 2-，經(jīng)差動運(yùn)算放大器放大后輸出的差模 電壓信號為3.5 V左右，由公式(1)可算出差動運(yùn)算 放大器輸出端的電壓值。可燃性氣體的濃度變化 時(shí)所對應(yīng)輸出電壓的變化：氣體濃度↑→V 3+↑→ (V 3+-V 2- )↑→V o↑，由差動運(yùn)算放大器的反相輸入 端和同相輸入端輸入信號分別為V 2-和V 3+時(shí)輸出電 壓為[2]：VCCV o =-400V 2- /1+(1＋400/1)[100/(1+100)]V 3+≈ V -V ) (1) 400( 3+ 2傳感器 D1 D2 D3? R2 ? 1 RW R1 ? ? 2 R3R5 R4 3+ - 1 2 R6 D4 R7 R8 + IN C2C1圖2 氣體檢測電路原理圖1.2.3 主控單元電路 主控單元電路如圖3所示 [3] ，微處理器采用 AT89C51。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADC0809，ADC0809的時(shí) 鐘信號CLK由89C51的ALE信號提供。

系統(tǒng)晶振采用 4 MHz，圖中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脈 沖寬度大于250 ns，滿足ADC0809對ALE引腳信號的 要求。檢測到的氣體濃度信號即電壓信號經(jīng)放大、濾 波后送到ADC0809的模擬量輸入端IN0。由于單片機(jī) 為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5 V時(shí)，ADC0809輸出 數(shù)值為255(FF H)，因此單片機(jī)最大數(shù)值分辨率為 0.019 6 V，測試時(shí)電壓數(shù)值的變化一般以0.02 V的 電壓幅度變化。如果要獲得更高的精度，應(yīng)采用12 位的A/D轉(zhuǎn)換器，但對于報(bào)警器而言這種精度完全 滿足要求。根據(jù)所測得的電壓值基本上要比標(biāo)準(zhǔn)值 偏大0.01～0.02 V，可以通過校正ADC0809的基準(zhǔn) 電壓來解決，因?yàn)樵撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)直接用+5 V的供電 電源作為基準(zhǔn)電壓，所以電壓可能有偏差。另外可燃?xì)怏w報(bào)警器，也 可用軟件編程來校正測量值。ADC0809的直流輸入 阻抗為1 MΩ ，能滿足一般的電壓測試需要，另外 經(jīng)測試ADC0809可直接在2～5 MHz的時(shí)鐘頻率下工 作，這樣可以省去分頻器。9電工電氣(2009 No.5)VCC S VCC可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)U2 R4 1 + C5 2 3 4 5 6 7 8 9 RXD 10 TXD 11 EOC 12 OE 13 KEY1 14 KEY2 15 KEY3 16 4 MHz KEY4 17 18 19 20 CLK DATA SCL SDA P1_4 P10 VCC 40 P11 P00 39 P12 P01 38 P13 P02 37 P14 P03 36 P15 P04 35 P16 P05 34 P17 P06 33 rest P07 32 P30 EA 31 30 P31 ALE 29 P32 PSEN 28 D7 P33 P27 27 D6 P34 P26 26 D5 P35 P25 25 D4 P36 P24 24 D3 P37 P23 23 D2 x1 P22 22 D1 x2 P21 21 D0 GND P20 AT89C51微處理器 1 2 3 4 5 6 7 8RW1 16 15 14 13 12 11 10 9 RW4 RW5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 U3 IN3 IN2 IN4 IN1 IN5 IN0 IN6 A IN7 B START C EOC ALE D3 D7 OE D6 CLK D5 VCC D4 V+ D0 VVD1 D2 ADC0809о? 28 27 26 A 25 B 24 C 23 22 ALE 21 D7 20 D6 19 D5 18 D4 17 D0 16 15 D2 RW2 RW3R3C3EOC D3 OE VCC D1C4圖3 主控單元電路圖1.3 聲光報(bào)警及繼電器控制電路 1.3.1 聲光報(bào)警電路 聲光報(bào)警電路如圖4所示，工作指示燈為綠燈 閃爍，其工作狀態(tài)的控制由P1.1來完成。

通過軟件 的設(shè)置，從P1.1輸出一方波來控制三極管VT 1的通 斷，從而控制工作指示燈的閃爍。當(dāng)泄漏氣體的 濃度達(dá)到某一值時(shí)，由軟件將P1.3置1，此時(shí)三極 管VT3導(dǎo)通，紅色報(bào)警燈亮柴油報(bào)警器，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警 聲。紅燈和蜂鳴器構(gòu)成報(bào)警部分。在電路通過軟件 置位P1.2=1時(shí)，黃燈亮表明電路出現(xiàn)故障。VCC D1 綠 D2 黃 D3 紅 蜂鳴器K1和K2、排氣扇、電磁閥等組成。當(dāng)泄漏氣體濃度 達(dá)到一定值時(shí)，通過軟件將P1.4、P1.5置1，此時(shí) 三極管VT4、VT5均導(dǎo)通，繼電器K1、K2工作，其常 開觸點(diǎn)閉合，排氣扇工作，進(jìn)行換氣，電磁閥電路 接通，將氣體管道關(guān)閉。當(dāng)氣體濃度下降到某一值 時(shí)，也可以通過軟件將P1.4、P1.5清零，此時(shí)三極 管VT4、VT5均截止，繼電器K1、K2停止工作，常開 觸點(diǎn)斷開。關(guān)閉排風(fēng)扇和電磁閥電路，排風(fēng)扇停止 工作，氣體管道打開。指示燈：應(yīng)采用發(fā)光二極 管，應(yīng)以顏色標(biāo)記。紅色表示報(bào)警信號，黃色表示 故障信號，綠色表示電源工作正常。所有指示燈應(yīng) 清晰地標(biāo)注功能，在一般環(huán)境光線下，指示燈在距 其正前方3 m處應(yīng)清晰可見。電磁繼電器：接點(diǎn)宜VT3VT1VT2采用雙接點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

繼電器應(yīng)用封閉式，不得由一接 點(diǎn)同時(shí)控制探測器內(nèi)部及外部電路。 電子元器件：應(yīng) 進(jìn)行三防(防潮、防霉、防鹽霧)處理。音響器件：在 額定電壓下，音響器件在距其正前方1 m處的聲壓 級(A計(jì)權(quán))應(yīng)小于70 dB，不大于115 dB， 在85 %額定 工作電壓條件下，音響器件應(yīng)能發(fā)出聲響。開關(guān)和 按鍵：開關(guān)和按鍵應(yīng)堅(jiān)固、耐用并清晰地標(biāo)注出其 功能。探測器外殼應(yīng)選用不燃燒材料和難燃燒材料 (氧指數(shù)≥32)。R1R2R3R4R5R6P1.1P1.2P1.3圖4 聲光報(bào)警電路1.3.2 繼電器控制電路 繼電器控制電路如圖5所示。該電路由繼電器0可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)電工電氣(2009 No.5)排風(fēng)扇 K1 P1.4 R1 D1 VT4電源 K2 D2電磁閥好的濃度和電壓對應(yīng)的關(guān)系：氣體濃度不同時(shí)所對 應(yīng)的電壓值不同，查找出與濃度所對應(yīng)電壓值時(shí)的 報(bào)警點(diǎn)。根據(jù)不同的可燃?xì)怏w的爆炸下限不同，設(shè) 置報(bào)警器報(bào)警時(shí)對應(yīng)的最小可燃?xì)怏w濃度值[5]，若 大于或等于此值則置P1.3=1(紅燈亮、 蜂鳴器叫)，同 時(shí)置位P1.4=1(打開排風(fēng)扇)和P1.5=1(關(guān)閉電磁 閥)，并顯示氣體濃度達(dá)真實(shí)值90 %，響應(yīng)時(shí)間30 s 以內(nèi)。

設(shè)定一個(gè)電壓值，該電壓值高于氣體濃度所 對應(yīng)的電壓峰值，該數(shù)值大于或等于報(bào)警峰值時(shí)表 示檢測電路出現(xiàn)故障， 這時(shí)置位P1.2=1(黃燈亮，蜂 鳴器叫)表示電路出現(xiàn)故障。VT5P1.5 R2圖5 繼電器控制電路2軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以C語言為基礎(chǔ)，可以在執(zhí)行的開始和過程中，根據(jù)氣體爆炸下限的不同修改 報(bào)警臨界值，增大了使用的范圍[4]。系統(tǒng)主程序流 程圖如圖6所示。開始 系統(tǒng)初始化 Y 置P1.3=1，紅燈亮，蜂鳴器 叫，響應(yīng)時(shí)間30 s內(nèi) 置P1.3=0，紅燈滅，蜂鳴器 不響，處于正常監(jiān)視狀態(tài) 返回3結(jié)語當(dāng)今社會，出現(xiàn)許多種可燃?xì)怏w報(bào)警器，而這些產(chǎn)品大都是針對煤氣的泄漏作相應(yīng)的報(bào)警，即為 家庭式。但是隨著社會的發(fā)展，煤氣報(bào)警器也在由 單一的家庭式發(fā)展為小區(qū)監(jiān)控。對某個(gè)區(qū)域的燃?xì)?泄漏進(jìn)行監(jiān)控，這是今后的發(fā)展趨勢。隨著人民物 質(zhì)生活水平的提高，燃?xì)馐褂寐什粩嘣黾?，對于?氣泄漏的檢測越來越引起大家的重視，我國許多城 市已制定了一些新建住宅必須安裝燃?xì)庑孤﹫?bào)警器 的相關(guān)規(guī)定，該型可燃?xì)怏w報(bào)警器是針對以上問題 開發(fā)的一種安全裝置，該報(bào)警器能根據(jù)可燃?xì)怏w檢 測濃度進(jìn)行聲光報(bào)警，并控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行工作，實(shí)與設(shè)定值進(jìn)行比較 Y 置P1.3=1，P1.4=1，P1.5=1 處于報(bào)警狀態(tài)，并顯示濃度 置P1.2=1，黃燈亮，報(bào)警器 出現(xiàn)故障鍵是否按下？ N置P1.1為1，使綠燈一直亮， 電源正常工作 使綠燈閃爍，預(yù)熱5 min 讀取A/D轉(zhuǎn)換值現(xiàn)安全保護(hù)，是城市燃?xì)夤こ讨兴匦璧漠a(chǎn)品，所 以市場前景良好，同時(shí)這也為城市居民使用燃?xì)饨?除了后顧之憂。

參考文獻(xiàn)[1] 楊寧，胡學(xué)軍.單片機(jī)與控制技術(shù)[M].北京：北京 航空航天大學(xué)出版社，2005. [2] GB 15322.2-2003 可燃?xì)怏w探測器——第2部分： 測 量范圍為 0 ～ 100 % LEL 的獨(dú)立式可燃?xì)怏w探測器 [S]. [3] 張勇.Protel99se電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北 京：電子工業(yè)出版社，2005. [4] 李光飛，李良兒.單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo)[M].北 京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005. [5] GB 15322.5- 2003 可燃?xì)怏w報(bào)警器——第5部分： 測 量人工煤氣的獨(dú)立式可燃?xì)怏w探測器[S]. 收稿日期：2009-01-15該數(shù)≥報(bào)警狀態(tài)？ N 該數(shù)≥峰值？ NY圖6 系統(tǒng)主程序流程圖 開始讓氣敏元件預(yù)熱一段時(shí)間，時(shí)間可以根據(jù)氣敏元件的不同進(jìn)行調(diào)整(本設(shè)計(jì)中的探頭預(yù)熱 約5 min)，延時(shí)用循環(huán)程序?qū)崿F(xiàn)，同時(shí)在循環(huán)首尾 位置分別使P1.1置1、復(fù)0，可實(shí)現(xiàn)綠燈閃爍。在系 統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)按鍵用P3.2來控制，用來檢測報(bào)警器 報(bào)警功能是否正常可燃?xì)怏w報(bào)警器，若鍵被按下則置位P1.3=1(紅 燈亮同時(shí)蜂鳴器叫)，表示報(bào)警器正常響應(yīng)時(shí)間在 30 s以內(nèi)。

使P1.1始終保持置1甲醇報(bào)警器，使綠燈常亮，表 示電源處于正常的供電狀態(tài)。從A/D轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn) 換值與預(yù)先設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)事先建立可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)計(jì)作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數(shù)： 蘇文靜， 文小玲， 朱琥， SU Wen-jing， WEN Xiao-ling， ZHU Hu 武漢工程大學(xué),電氣信息學(xué)院,湖北,武漢,430073 電工電氣 ELECTROTECHNICS ELECTRIC(JIANGSU ELECTRICAL APPARATUS) 2009，""(5) 0次參考文獻(xiàn)(5條) 1.楊寧.胡學(xué)軍 單片機(jī)與控制技術(shù) 2005 2.GB 15322.2-2003 可燃?xì)怏w探測器--第2部分:測量范圍為0～100%LEL的獨(dú)立式可燃?xì)怏w探測器 3.張勇 Prote199se電路設(shè)計(jì)技術(shù)入門與應(yīng)用 2005 4.李光飛.李良兒 單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) 2005 5.GB 15322.5-2003 可燃?xì)怏w報(bào)警器--第5部分:測量人工煤氣的獨(dú)立式可燃?xì)怏w探測器相似文獻(xiàn)(1條) 1.期刊論文 郭建明.姚平喜.Guo Jianming.Yao Pingxi 油庫可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 -機(jī)械管理開發(fā)2007,""(3)油庫在卸油、付油、油品儲存、管道傳輸?shù)冗^程中,由于油氣滲漏會產(chǎn)生不安全因素;因而介紹了一種利用KD-5S(H)可燃?xì)怏w傳感器、89C51單片機(jī)、工控機(jī)組成的可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng);利用 本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全自動、全天候、并可遠(yuǎn)程傳輸?shù)目扇細(xì)怏w檢測與報(bào)警功能.本文鏈接： 授權(quán)使用：哈爾濱理工大學(xué)(heblETx)，授權(quán)號：776fe6f1-4de1-4a0f-8e96-9e220141fb32 下載時(shí)間：2010年11月2日

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