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      家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設計*

      2012-05-12 02:47:58姬五勝范新勝劉玉華范培媛
      關鍵詞:管腳解碼報警

      姬五勝 ,范新勝 ,劉玉華 ,范培媛

      (1.蘭州城市學院 電子信息科學與技術研究所,甘肅 蘭州 730070;2.北京航天萬源煤化工工程技術有限公司蘭州分公司,甘肅 蘭州 730050;3.蘭州城市學院 培黎工程技術學院,甘肅 蘭州 730070)

      1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

      本系統(tǒng)以單片機AT89S52為主設計控制模塊,配以氣敏傳感器檢測模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。該報警系統(tǒng)利用MQ-4型半導體可燃氣敏傳感器檢測模塊,用以檢測天然氣的泄漏情況,當有天然氣泄漏時,該模塊將檢測信號傳輸給控制模塊用以決策是否需要發(fā)出報警并啟動危險處置系統(tǒng)。當控制模塊確認發(fā)生天然氣泄漏時,首先通過無線發(fā)射、接收電路發(fā)出報警指令,報警模塊收到指令后發(fā)出報警信號;同時危險處置模塊也會收到報警指令并動作,關閉天然氣閥門,并開啟排氣扇。當泄漏氣體低于報警閾值時,控制單元再發(fā)出指令停止警報和排風扇的運行。設計該系統(tǒng)的工作電壓為+5 V,報警閾值為6 000 ppm,工作溫度范圍 0℃~40℃,反應時間為 1~3 s。其具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

      圖1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)框圖

      2 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

      2.1 元件選取

      考慮到系統(tǒng)的兼容性、實用性、低成本和節(jié)能性,選用AT89S52單片機作為控制模塊,用PT2262/2272編碼、解碼的無線收發(fā)模塊實現(xiàn)315 MHz的無線數(shù)據(jù)通信。

      AT89S52單片機是ATMEL公司生產的一種非易失性存儲技術制造的低功耗、高密度CMOS 8位單片機,片內含8 KB在線系統(tǒng)可編程的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器,兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構,可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案[1]。PT2262/PT2272是臺灣普城公司生產的一種CMOS工藝制造的低功耗、低價位通用編碼、解碼電路;PT2262/PT2272 最多可有 12 位(A0~A11)三態(tài)地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平),12位(A0~A11)三態(tài)地址端管腳任意組合可提供531441地址碼,PT2262最多可有 6位(D0~D5)數(shù)據(jù)端管腳,設定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出[2]。

      氣體采集模塊采用MQ-4型傳感器,其對甲烷、天然氣有很高的靈敏度、良好的選擇性和重復性,且使用壽命長、穩(wěn)定性好,響應時間短,適宜于長時間工作;驅動電路簡單,其電路設計電壓范圍寬,加熱電壓為5±0.2 V。MQ-4傳感器輸出信號比較微弱,需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整,以滿足單片機對輸入信號的要求。氣體采集模塊驅動電路如圖2所示。

      圖2 氣體采集電路圖

      2.2 系統(tǒng)電路

      天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測模塊、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。

      2.2.1氣體采集濃度檢測模塊設計

      氣敏傳感器檢測模塊采集到的氣體信號通過ADC0809轉換成數(shù)字信號傳輸?shù)紸T89S52作為程序判據(jù),當氣體濃度達到檢測上限濃度值時,AT89S52做出判斷,發(fā)出報警信號,同時在數(shù)碼管上顯示出此時濃度值。圖3是氣體轉換及濃度顯示模塊,具體連接時,將圖2中P1插接件的AOUT管腳接圖3中的AOUT標志管腳。

      圖3 氣體轉換及濃度顯示模塊

      2.2.2無線收發(fā)模塊系統(tǒng)設計

      無線收發(fā)模塊系統(tǒng)由DF超再生接收模塊和DF無線發(fā)射器兩部分組成。DF模塊必須用信號調制才能正常工作,常見的固定碼編碼、解碼器件如專用編碼、解碼芯片PT2262/2272,只要簡單的電路與單片機I/O接口連接即可實現(xiàn)編碼、解碼來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。另外,編碼、解碼模塊輸出腳在模塊內部通過一個上拉39 kΩ電阻到+5 V,使用的時候需要考慮解碼器件的輸入阻抗。

      在本系統(tǒng)中所使用的無線收發(fā)模塊編碼、解碼具體電路如圖4所示。

      圖4 無線收發(fā)模塊編碼、解碼電路

      DF超再生接收模塊的電路連接及工作原理:模塊工作時,將PT2272的A0~A7管腳與單片機I/O口連接或進行接地或接Vcc,作為接收模塊的地址,進行相應發(fā)射器的數(shù)據(jù)接收。將天線接收到的信號,通過DIN管腳將接收到的數(shù)據(jù)通過串行通信方式傳給PT2272進行解碼,PT2272首先解碼出地址信息,并與自身的地址進行比較一致后,接著解碼出數(shù)據(jù)信息,通過PT2272的D0~D3輸出[2]。 在系統(tǒng)組成中將 PT2272的 D0~D3管腳與單片機的I/O口輸入管腳相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀入,并作為控制功能的執(zhí)行信號,實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

      DF發(fā)射器模塊的電路連接及工作原理:模塊工作時,將 PT2262的 A0~A7管腳接地或接 Vcc,作為發(fā)射模塊的地址,數(shù)據(jù)口D0~D3分別接 AT89S52的 P0.0~P0.3。系統(tǒng)設計中將報警信號值賦給P0口的低4位,作為芯片PT2262的4位數(shù)據(jù),經過PT2262編碼后通過Dout管腳將地址和數(shù)據(jù)串行輸出,經過發(fā)射模塊,通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去[2]。

      系統(tǒng)組成時要求DF超再生接收模塊地址與DF發(fā)射器模塊地址完全一致,確保系統(tǒng)組網(wǎng)通信的成功。該系統(tǒng)組網(wǎng)可實現(xiàn)一對一通信模式、一對多通信模式和多對一通信模式,使系統(tǒng)設計更具有靈活性。

      2.2.3報警模塊設計

      當發(fā)生氣體泄漏時,除了顯示濃度外,還要進行聲光報警。單片機通過利用氣敏傳感器采集到的數(shù)據(jù)來判斷是否報警。燃氣濃度大于預報警閾值時,單片機I/O口輸出低電平,可使發(fā)光二極管工作,產生閃爍的燈光。 同時,輸出腳Bell輸出高電平,Q1導通,致使蜂鳴器Bell帶電工作,發(fā)出報警聲[4]。聲光報警電路如圖5所示。

      圖5 聲光報警電路

      2.2.4危險處置模塊設計

      安全氣閥電路主要完成驅動閥門開閉裝置關閉閥門切斷氣源。具體工作原理是:當無線接收模塊接收到報警信號時,隨即發(fā)出一高電平,使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作,接收到一負脈沖觸發(fā)后單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便輸出一正單脈沖,然后利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)輸出去控制電動機通電,驅動閥門關閉。排風扇電路也是由三極管與繼電器構成的電路驅動,其原理與安全氣閥電路類似。

      3 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)測試與靈敏度調整

      天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)是通過調整圖2氣體采集電路中Rp可調電阻來調節(jié)系統(tǒng)的測試范圍和檢測靈敏度,本系統(tǒng)所采用的MQ-4型半導體可燃氣敏傳感器檢測模塊可測試天然氣、甲烷的泄漏濃度范圍為300 ppm~10 000 ppm,本系統(tǒng)設置的報警閾值為6 000 ppm,在實際產品中可以根據(jù)自己的需要調節(jié)泄漏濃度的報警閾值。

      本文設計的家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測模塊、控制模塊、無線收發(fā)模塊、報警模塊和危險處置模塊組成。其中無線收發(fā)模塊的使用加強了系統(tǒng)設計的靈活性,擴展了系統(tǒng)的應用范圍,更適合家庭的實際情況。本設計在無線收發(fā)模塊的基礎上增添了由安全氣閥和排風扇組成的危險處置模塊,不僅具有報警功能,而且在無人看守的情況下能夠對發(fā)生的安全隱患及時排除,保證財產的安全,因此更具有實際意義。

      在實際應用中與同類報警系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)性價比更高,使用更為方便,因此具有廣闊的應用前景。

      [1]張毅剛.新編 MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003.

      [2]房明明.四路無線遙控開關的設計[J].電子測試,2009,5(5):85-89.

      [3]陳有卿,張曉東.報警集成電路和報警器制作實例[M].北京:人民郵電出版社,1996.

      [4]陳有卿,謝剛.新穎電子模塊應用手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

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