易燃易爆氣體濃度智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

周美麗，劉生春

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

易燃易爆氣體濃度智能監(jiān)測(cè)儀的設(shè)計(jì)

周美麗，劉生春

（延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

為了對(duì)易燃易爆氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)，以便給人們提供一個(gè)安全、舒適的場(chǎng)所，設(shè)計(jì)了一個(gè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣、煤氣、煙霧等易燃易爆氣體濃度超標(biāo)時(shí)自動(dòng)語(yǔ)音示警的智能檢測(cè)系統(tǒng)。文中給出了硬件結(jié)構(gòu)，詳細(xì)的闡述了軟件設(shè)計(jì)流程，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果令人滿意。該系統(tǒng)基于 SPCE061A單片機(jī)和MQ－2傳感器等成本較低的電子器件而設(shè)計(jì)，其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有體積小、性價(jià)比高、且靈敏度高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用到各類場(chǎng)所，具有廣闊的應(yīng)用前景。

SPCE061A單片機(jī)；氣敏傳感器 SQ－5；語(yǔ)音輸出

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，人類對(duì)自身安全提出更高的要求。加油站、煤礦、化工廠等危險(xiǎn)工作場(chǎng)所中的有害氣體一直威脅著生命的安全，這將直接影響生活的質(zhì)量。所以設(shè)計(jì)一個(gè)能夠快速簡(jiǎn)單檢測(cè)空氣中有害氣體的設(shè)備是必要的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)易燃、易爆等有害氣體的研究較多，但檢測(cè)范圍比較小而且價(jià)格較高，供電方式單一，且多采用手動(dòng)方式來(lái)操作［1］。手動(dòng)操作方式不但效率低，而且不方便靈活，且傳統(tǒng)的檢測(cè)儀，操作人員必須時(shí)刻注意觀察數(shù)據(jù)結(jié)果，長(zhǎng)時(shí)間這樣工作很容易緊張和疲勞。為解決以上弊端，本文提出了一種新的有害氣體檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案，且根據(jù)該方案設(shè)計(jì)出了檢測(cè)易燃易爆氣體檢測(cè)儀，該儀器具有自動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)氣體濃度的功能，當(dāng)檢測(cè)到有害氣體時(shí)，給予語(yǔ)音示警從而引起人們的注意。該監(jiān)測(cè)儀可用于家庭、加油站、工廠、煤礦等各種場(chǎng)所。監(jiān)測(cè)儀檢測(cè)范圍廣，可以檢測(cè)多種有害氣體，當(dāng)在檢測(cè)到超過(guò)規(guī)定濃度值的有害氣體時(shí)及時(shí)給予語(yǔ)音警示，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單快速地檢測(cè)空氣中有害氣體濃度的目的。

1 易燃易爆氣體濃度智能檢測(cè)系統(tǒng)

圖（1）為易燃易爆智能檢測(cè)系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)圖。圖中共有五個(gè)模塊組成，由于篇幅限制只詳細(xì)介紹主要模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

1.1 電源、單片機(jī)、語(yǔ)音輸出、外設(shè)電路

電源可采用兩種供電方式，一種由 3節(jié)干電池直接供電；另一種則由市電通過(guò)穩(wěn)壓處理后供電。電池供電是SPCE061A單片機(jī)自帶的一種供電方式，外接穩(wěn)壓電源供電是把 220 V交流電經(jīng)過(guò)變壓濾波后使之成為5 V的直流電同時(shí)供給單片機(jī)和檢測(cè)電路；SPCE061A單片機(jī)［2］主要包括輸入／輸出（I／O）端口、音頻輸入／輸出接口、電源接口、外部復(fù)位和在線調(diào)試器PROBE和 EZ_PROBR接口等部分；語(yǔ)音輸出部分可利用 SPCE061A單片機(jī)強(qiáng)大的語(yǔ)音功能外加功放即可。

1.2 檢測(cè)電路

MQ－2［3］氣敏傳感器具有廣泛的探測(cè)范圍，靈敏度高，響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，適宜對(duì)液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)。所以本文采用MQ－2氣敏傳感器設(shè)計(jì)檢測(cè)易燃易爆氣體濃度的監(jiān)測(cè)電路，檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖2：

圖2 傳感器檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

如圖2，由5 V電源供電 MQ－2氣敏傳感器封裝好后有6個(gè)引腳，其中4個(gè)用于取出信號(hào)，2個(gè)用于提供加熱電流，因?yàn)樵撾娐返臋z測(cè)原理是利用有害氣體與氣敏傳感器的化學(xué)反應(yīng)，加熱有利于化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后傳感器的電阻變小，可變電阻 RL的分壓增大，將其電壓輸入到由兩個(gè)與非門構(gòu)成的門控電路的一個(gè)引腳，門控電路輸出再經(jīng)過(guò)一個(gè)多諧振蕩器后輸出一個(gè)穩(wěn)定的信號(hào)，最后通過(guò)單片機(jī)的 IOA15［4］接口將檢測(cè)到的信號(hào)送給SPCE061A單片機(jī)，由單片機(jī)分析輸入的數(shù)據(jù)同時(shí)給予相應(yīng)的語(yǔ)音提示。

檢測(cè)電路沒(méi)有采用直接將 RL的分壓輸入到單片機(jī)是因?yàn)?RL處出來(lái)的電壓并不穩(wěn)定，檢測(cè)到的信號(hào)具有偶然性，不能真實(shí)反映外界氣體濃度情況。加入門控電路和多諧振蕩器后，得到的電壓比較穩(wěn)定。多諧振蕩器中電容、電阻使得信號(hào)得以延時(shí)，減少信號(hào)的偶然性帶來(lái)的錯(cuò)誤。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序如圖3比較簡(jiǎn)單，開始執(zhí)行程序時(shí)，先把用到的 IOA15口初始化為低電平，然后進(jìn)行鍵盤的初始化，為鍵盤掃描做準(zhǔn)備。然后進(jìn)入循環(huán)，讀取MQ－2也即硬件設(shè)計(jì)中檢測(cè)電路送給單片機(jī)的值，調(diào)用鍵盤掃描程序，若有按鍵按下則語(yǔ)音播報(bào)相應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果。最后清看門狗，為下次檢測(cè)做準(zhǔn)備。

按鍵掃描模塊如圖 4只用到了一個(gè)按鍵即SPCE061板上的 KEY3［5］鍵，這個(gè)鍵和 IOA2［6］連接。利用延時(shí)去抖的方法，先取一次端口數(shù)據(jù)，延時(shí)一段時(shí)間，一般延時(shí)幾十毫秒即可，再取一次端口數(shù)據(jù)，如果二者相同，說(shuō)明取到了正確的鍵值。FIQ的中斷服務(wù)流程圖如圖5，F(xiàn)IQ中斷服務(wù)程序主要功能是調(diào)用F_FIQ_Service_SACM_S480函數(shù)解碼并輸出。

圖3 主程序流程圖

圖4 按鍵掃描程序流程圖

IRQ2中斷服務(wù)流程圖如圖6，IRQ2中斷服務(wù)程序有兩個(gè)功能：一是保存 TimerA的計(jì)數(shù)值；二是為了配合濕度測(cè)量函數(shù)，設(shè)置定時(shí)時(shí)間溢出標(biāo)志，如果進(jìn)入這個(gè)中斷服務(wù)程序，說(shuō)明定時(shí)溢出。

圖5 FIQ的中斷服務(wù)

圖6 IRQ2中斷服務(wù)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1 檢測(cè)電路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

當(dāng)給單元電路提供5 V電源，沒(méi)有檢測(cè)到有害氣體時(shí)，可變電阻RL及IOA15輸出電壓如圖7－圖10：

圖7 可變電阻RL輸出電壓變化圖

圖8 IOA15輸出電壓變化圖

當(dāng)給單元電路供5 V電源，檢測(cè)到有害氣體時(shí)，可變電阻 RL及IOA15輸出電壓如下：

圖9 可變電阻 RL輸出電壓變化圖

圖10 IOA15輸出電壓變化圖

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)給單元電路提供 5 V電源，沒(méi)有檢測(cè)到有害氣體時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)：“沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有害氣體，請(qǐng)放心”；當(dāng)給單元電路提供5 V電源，檢測(cè)到有害氣體時(shí)，語(yǔ)音播報(bào)：“發(fā)現(xiàn)有害氣體，請(qǐng)注意”。

4 結(jié)論

分析上述試驗(yàn)結(jié)果可知根據(jù)該方案可以準(zhǔn)確地對(duì)易燃易爆氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的語(yǔ)音播報(bào)。

總體上該檢測(cè)系統(tǒng)是以 SPCE061A單片機(jī)和MQ－2傳感器為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)易燃易爆氣體濃度的監(jiān)測(cè)，檢測(cè)結(jié)果可以語(yǔ)音播報(bào)（也可以擴(kuò)展為語(yǔ)音播報(bào)和夜晶顯示同時(shí)進(jìn)行）。本系統(tǒng)具有體積小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)可用于各種場(chǎng)地，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］ADI大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì)編.2006年度 ADI大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)賽［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：405－451.

［2］余錫存，曹國(guó)華.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社.2006：24－48，147－172.

［3］胡乾彬，李光斌，李玲，等.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003：103－141.

［4］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2004：71－126；446－454.

［5］王乃成，仲元昌，許剛，等 .電子愛(ài)好者進(jìn)階讀本［M］.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2002：572－583.

［6］宋家友.電子愛(ài)好者集成電子線路設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2002：243－244.

［7］Peyton A J，Walsh V.Analogue electronicswith Op Amps：a source book of practical［M］.New York：Campridge University Press，1993.

［責(zé)任編輯 賀小林］

Design of An Intelligent M onitoring Instrument in Flammable and Explosive Gas Concentrations

ZHOU Mei－li，LIU Sheng－chun
（College of Physics and Electronic Information，Yan an University，Yan an 716000，China）

To detect flammable and explosive gas concentrations so as to provide a safe，comfortable place to people，amonitoring system has been designed to achieve a natural gas，smoke and other inflammable and explosive gas concentrationswhen exceeded and give the intelligent voice warning people.Both the hardware structure and detailed description of the software designing process have been provided in the text.And the experimental tests is satisfactory.The designing of the system is based SPCE061A MCU and MQ－2 sensorswhich are low cost electronic devices.The hardware structure is simple and with a small volume，cost－effective，high sensitivity and other characteristics.The system can be applied to all kinds of places，and has broad application prospects.

SPCE061A single－chip；MQ－2 gas sensors；voice output

TP391.9

A

1004-602X（2011）01-0039-04

2010 -11 -20

周美麗（1981—），女，陜西橫山人，延安大學(xué)講師。