瓦斯檢測報警專家控制系統(tǒng)的設計

◎岳俊 華從歡

引言：礦井之中經(jīng)常會因瓦斯泄漏而造成大量的人員傷亡以及財產(chǎn)損失。據(jù)統(tǒng)計80%的居民樓的火災都是因為瓦斯泄露而引起的，而大部分的礦難都是因為瓦斯爆炸。所以瓦斯的檢測與報警是十分必要的研究課題。目前，隨著科技的不斷發(fā)展和進步，人們的要求越來越高，瓦斯檢測儀器的向智能化與自動化是必然的研究趨向。基于單片機的瓦斯檢測報警專家系統(tǒng)產(chǎn)生了需求的必要。

一、總體方案設計

本瓦斯檢測報警系統(tǒng)采用半導體氣敏傳感器作為檢測儀器，核心處理器采用了國產(chǎn)的STC89C52單片機，以ADC0832數(shù)模轉換模塊所組成的系統(tǒng)。

按照系統(tǒng)設計功能的要求，確定系統(tǒng)由以下幾個模塊組成：主控制器，瓦斯測量檢測電路，模數(shù)轉換電路，數(shù)據(jù)顯示電路和報警電路。

主控芯片的選擇：選擇使用STC89C52單片機作為主要的系統(tǒng)核心。此單片機價格低廉、使用簡單方便，功率小，特別較經(jīng)濟實惠。測量瓦斯?jié)舛鹊倪x擇方案：在600℃時，某些金屬氧化物吸附不同的氣體后電阻會發(fā)生變化，利用這一原理可實現(xiàn)瓦斯?jié)舛鹊臏y量。氣敏半導體制造簡單，價格低廉，使用方便。使用氣敏半導體測量瓦斯?jié)舛龋僮骱唵?，成本低廉。顯示模塊方案：選擇LED7段數(shù)碼管作為顯示屏，它由七個發(fā)光二極管組成，所以幾個低，操作也十分簡單。但是對比LCD1602，它不能顯示漢字，而且易出故障。蜂鳴器的選擇：蜂鳴器是一種非常常用的報警發(fā)生模塊，選擇有源壓電式蜂鳴器。模數(shù)轉換選擇：選擇了8ADC0832芯片，ADC0832擁有兩個模/數(shù)轉換通道，可以同時進行模擬信號和數(shù)字信號的轉換。在進行工作時反應快，靈敏度高，轉換時間短，采用直流電源作為激勵源，功率也比較低，可以廣泛應用于大多數(shù)的檢測裝置中。

二、硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)由氣敏電阻傳感器檢測瓦斯?jié)舛?，用ADC0832轉換其進行模擬信號與數(shù)字信號的轉換，將測得的數(shù)值顯示在顯示屏上，經(jīng)由單片機處理后判斷是否超過設定閾值，最后由蜂鳴器發(fā)出警報。

單片機最小系統(tǒng)有三個部分組成，分別是單片機、時鐘電路和復位電路。

蜂鳴器消耗的功率比較高，所以在工作時需要的電流比較大，但是單片機的I/O接口的輸出電流比較小，無法驅動蜂鳴器，所以需要構建一個由三極管構成的放大電路。蜂鳴器內部是一個電感，因此蜂鳴器必須在穩(wěn)定的工作環(huán)境中運行，不能突變，因此為了穩(wěn)定蜂鳴器的工作電流，我們需要用一個二極管來構建一個續(xù)流電路。否則，蜂鳴器在工作時可能會在電感的兩端產(chǎn)生一個高峰值的電壓，蜂鳴器的驅動三極管就會被電壓擊穿，并且很有可能損壞整個系統(tǒng)的其它模塊。并且為了保證蜂鳴器在正確的情況下發(fā)出報警不會受到其他干擾，我們還需要加上一個電容，構成一個濾波電路，來過濾掉報警模塊產(chǎn)生的紋波，防止對其他系統(tǒng)造成沖突，也能夠起到提高系統(tǒng)阻抗的作用。

氣敏電阻檢測空氣中的瓦斯含量，測量得到的數(shù)據(jù)經(jīng)由ADC0832的模/數(shù)轉換，變成數(shù)字信號上傳到單片機，然后顯示在顯示屏上。

本系統(tǒng)的顯示模塊選用的是標準的工業(yè)字符型液晶顯示屏，能同時顯示三十二個字符，包括字母、數(shù)字和文字。它擁有小巧的體積，功耗也特別的低，可以減輕整個系統(tǒng)的運載負擔。

三、軟件系統(tǒng)的設計

軟件系統(tǒng)設計的原則：軟件系統(tǒng)是控制和協(xié)調芯片外部可控設備的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是不需要人為干涉的多個獨立程序的合集。主要功能是監(jiān)控，調度和自我維護計算機系統(tǒng)，負責管理軟件系統(tǒng)中各個獨立的硬件，使得它們可以構成一個可以相互溝通，相互交換數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

主體程序流程圖設計：本系統(tǒng)的主題設計流程如下：首先啟動程序，程序初始化后從感應模塊讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，單片機處理后顯示在顯示模塊上并與設定的數(shù)值進行對比，判斷是否報警。

感應模塊設計：瓦斯感應模塊及數(shù)據(jù)轉換模塊設計，ADC0832讀取并轉換出電子數(shù)據(jù)的過程是嚴格遵循總線協(xié)議的，這樣可以確保讀取數(shù)據(jù)的時序性和轉換數(shù)據(jù)的準確性。而STC89C52可以通過時序性來讀取ADC0832發(fā)出的數(shù)據(jù)并且寫入到顯示屏中。這個過程包括初始化，讀取數(shù)據(jù)，轉換數(shù)據(jù)，轉換為十進制，寫入數(shù)據(jù)。

顯示模塊的軟件設計：LCD1602的顯示原理是點陣顯示，每個點陣中的點的數(shù)據(jù)為1時點亮，數(shù)據(jù)為0時則不點亮，由此可以顯示字母，數(shù)字以及文字。當我們想要在顯示屏上顯示數(shù)據(jù)時，只需要確定數(shù)據(jù)要顯示幾行幾列，就可以找到點陣所對應的IP，在這個IP上設立一個起始點，輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)代碼就能夠顯示出數(shù)據(jù)了。

報警模塊的軟件設計：蜂鳴器的報警原理比較簡單，當輸入信號為高電平時，蜂鳴器的壓電片發(fā)生形變，蜂鳴器發(fā)出報警，當輸入信號為低電平時，不會發(fā)出報警。

四、系統(tǒng)仿真實驗結果分析

系統(tǒng)仿真使用的Proteus軟件。在設定檢測閾值方面使用了兩個按鍵來調整檢測閾值。氣敏傳感器檢測數(shù)據(jù)，在AD轉換器處理后輸出到單片機，再由單片機發(fā)送到顯示屏幕上，并且判斷是否超過檢測閾值。當檢測的瓦斯?jié)舛瘸^設定的閾值時，蜂鳴器就會運行，發(fā)出報警聲。經(jīng)由多次的仿真實驗，可以確定該仿真與最初的設計基本一致，并且達到了最初的基本要求。

五、總結

本次設計能夠實現(xiàn)瓦斯檢測報警儀器能夠是現(xiàn)在各種環(huán)境下正常運轉，實現(xiàn)對瓦斯的濃度的準確測量，同時儀器還增加了蜂鳴器作為報警模塊。當瓦斯?jié)舛瘸^警報值時，系統(tǒng)會及時的發(fā)出報警聲音，提示管理人員及時的作出處理，避免一些危險的后果出現(xiàn)。同時，本次設計中加入了數(shù)碼管顯示器，使整個系統(tǒng)能夠實時的顯示當前的各種數(shù)據(jù)信息，方便人員進行觀察和根據(jù)數(shù)據(jù)做出合適的處理。