基于單片機的家庭C O和甲烷泄漏的檢測、報警與排氣

劉睿鑫 張 云 曹貫強

(中國礦業(yè)大學(xué)〈北京〉機電與信息工程學(xué)院，中國 北京 100000)

0 引言

由于使用液化氣做飯比較方便，好多家庭在使用，但是同時液化氣泄漏帶來的危害是致命的。而且在北方的冬天，因為人們?nèi)∨男枰?，好多家庭生火爐來取暖。但是煤炭不完全燃燒產(chǎn)生的CO卻是致命的無色無味氣體，當(dāng)其在空氣中含量達到200ppm時會出現(xiàn)頭痛、頭暈、惡心等癥狀，達到400ppm時兩小時內(nèi)時會出現(xiàn)前額通而三小時后會有生命危險，達到800ppm時在四十五分鐘內(nèi)出現(xiàn)頭痛和惡心而兩小時后有生命危險，達到1600ppm時會在一小時內(nèi)死亡。而且CO易與空氣混合發(fā)生爆炸，其混合爆炸極限為12.5%～74%。一次次煤氣中毒帶來的血的教訓(xùn)讓我們必須重視這個安全問題。

本文設(shè)計一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠隨時的檢測空氣中的CO和甲烷的含量，同時顯示在LED上，并且在一定濃度能夠?qū)崿F(xiàn)報警功能，而這個濃度是可以人為設(shè)定的。而且當(dāng)CO濃度達到危害人身體的濃度時，可以驅(qū)動排氣機部分工作來實現(xiàn)迅速通風(fēng)從而排除險情，這樣就可以避免事故的發(fā)生。

1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

1.1 單片機硬件系統(tǒng)的組成框圖（圖1）

圖1 單片機硬件系統(tǒng)的組成框圖

1.2 單片機微控制器

由于本系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能并不是很復(fù)雜，故采用Intel公司MCS-51系列單片機的80C51單片機，該單片機有體積小、價格低、耗電小、電源單一、抗干擾能力強、可靠性高、控制功能強、運行速度快、開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點。80C51內(nèi)部有128字節(jié)的RAM容量和4K的ROM。并且有兩個16位定時計數(shù)器，兩個外中斷，兩個定時計數(shù)中斷，及一個串行中斷，并有4個8位并行輸入口。而且在內(nèi)部有時鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接，本系統(tǒng)中采用6MHz的晶振頻率。由于80C51的系統(tǒng)性能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及時間精度的要求，而且由于出現(xiàn)較早故應(yīng)用也很成熟，符合本系統(tǒng)的要求，故采用來作為本系統(tǒng)的控制核心。

1.3 低濃度氣體傳感器

由于CO和甲烷在低濃度下就對人體產(chǎn)生危害，故本系統(tǒng)用的是在低濃度下誤差小精度高的催化燃燒式氣體傳感器，該傳感器選擇性地檢測可燃性氣體凡是可以燃燒的，都能夠檢測，凡是不能燃燒的，傳感器都沒有任何響應(yīng)，故不會與其他非可燃性氣體發(fā)生交叉感染。由于本系統(tǒng)檢測的CO和甲烷都是可燃?xì)怏w故該傳感器符合要求。催化燃燒式氣體傳感器是利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測元件和補償元件配對構(gòu)成測量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測元件載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒，載體溫度就升高，通過它內(nèi)部的鉑絲電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡電橋失去平衡，輸出一個與可燃?xì)怏w濃度成正比的電信號，再通過信號調(diào)理電路的放大、有源濾波電路的濾波以及經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換就可將數(shù)字量輸入單片機進行處理。催化燃燒式氣體傳感器具有輸出信號線性好、指數(shù)可靠、價格便宜、計量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命較長的優(yōu)點。

1.4 信號調(diào)理電路

由于催化燃燒式氣體傳感器輸出的是微弱的電壓信號，不利于AD采樣，故通過信號調(diào)理電路將其放大得到較強的模擬電壓信號。

1.5 有源濾波電路

濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中無用頻率，即抑制無用信號的電子裝置。有源濾波器實際上是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在無源濾波器的基礎(chǔ)上增加運算放大器而構(gòu)成的。有源濾波器可以實現(xiàn)信號的放大同時克服了無源濾波加負(fù)載時對濾波效果的影響。由于該系統(tǒng)AD轉(zhuǎn)化的是直流信號，故該系統(tǒng)使用二階壓控型低通濾波器（如圖2）。設(shè)置截止頻率為500Hz。

圖2 二階壓控型低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.6 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809

經(jīng)過濾波后的信號是模擬信號，不能被單片機識別，故必須通過A/D轉(zhuǎn)換芯片對其進行轉(zhuǎn)換才能輸入到單片機進行處理。該系統(tǒng)用到的AD芯片是ADC0809。濾波器的輸出端接到芯片的IN0。輸出接到單片機的全雙工并行口上。

1.7 報警部分

由于是家庭簡易裝置，故使用簡單蜂鳴器系統(tǒng)（如圖3）即可。當(dāng)AD裝換過來的數(shù)值即可燃?xì)怏w濃度接近危害人身體的數(shù)值時即通過單片機控制其中三極管導(dǎo)通從而發(fā)聲報警。

圖3 蜂鳴器系統(tǒng)原理圖

1.8 電源部分

由于家庭都使用220V交流電，然而整個系統(tǒng)用的是5V的直流電。故需要通過單向橋式整流電路得到直流電壓，再通過7805三端穩(wěn)壓集成電路使輸出電壓穩(wěn)定為5V，從而給系統(tǒng)供電。（如圖4）

圖4 整流和穩(wěn)壓電路示意圖

1.9 鍵盤和顯示部分

為了減輕單片機的負(fù)擔(dān)，該系統(tǒng)在按鍵和顯示部分使用7279芯片來讀入按鍵值和控制LED的點亮。按鍵是由0～9數(shù)字鍵和確認(rèn)鍵構(gòu)成，用來設(shè)定報警的濃度下限值。鍵盤以中斷方式運行。顯示器用兩個LED數(shù)碼管，一個用來顯示當(dāng)前的CO和甲烷的濃度，一個用來顯示設(shè)定的報警濃度。（如圖5）

圖5 HD7279芯片控制鍵盤和LED原理圖

1.10 控制排風(fēng)部分

為了提高抗干擾性，這里使用MGA607光耦、驅(qū)動管和繼電器構(gòu)成對排風(fēng)機的控制部分。當(dāng)CO或甲烷濃度到達危害人體的數(shù)值時，單片機與光耦連接管腳置高電平，控制MGA607工作，從而使驅(qū)動管工作，使得繼電器帶電而閉合，這樣就接通了控制排風(fēng)機的電路，使得排風(fēng)機開始工作將房間內(nèi)CO和甲烷濃度降低而排除危險。一旦危險氣體濃度降低到設(shè)定濃度以下后則單片機相應(yīng)管腳置低電平從而最終控制排風(fēng)機停止工作。

1.11 程序運行監(jiān)控部分看門狗電路

單片機運行過程中經(jīng)常會出現(xiàn)程序“跑飛”或者系統(tǒng)“死機”，但這在該系統(tǒng)中是不允許的，否則可能引發(fā)CO或甲烷濃度過高時仍然不報警或者不啟動排風(fēng)機等事故。該系統(tǒng)使用看門狗芯片中的IMP 813來避免這種現(xiàn)象。看門狗電路是一個定時器電路，有一個輸入輸出到單片機的RST端，單片機正常工作的時候，每隔一端時間輸出一個信號到輸入端，給看門狗清零，如果超過規(guī)定的時間不輸入(一般在程序“跑飛”時)，看門狗定時超過，就回給出一個復(fù)位信號到單片機，使單片機復(fù)位，防止單片機死機?？撮T狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序“跑飛”。

2 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)軟件部分主要包括AD采樣部分、鍵盤中斷處理過程、報警程序設(shè)計部分、打開排風(fēng)機程序部分以及LED顯示器顯示部分等。系統(tǒng)主要流程圖（圖6）。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的簡單、可靠。既能有效的實現(xiàn)其功能從而保障家庭生活中使用液化氣和火爐時不會發(fā)生危險，而且硬件價格便宜，性價比高。故該系統(tǒng)的實用價值很強。

圖6 系統(tǒng)主要軟件流程圖

［1］張俊謨.單片機中級教程：原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006，10.

［2］郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009，1.

［3］張瑾，張偉，張立寶.電路設(shè)計與制版：Protel 99SE入門與提高[M].北京：人民郵電出版社，2007，7.

［4］蘇雅莉.基于單片機的火災(zāi)自動報警系統(tǒng)[D].河南大學(xué)，2010.