家用天然氣濃度監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

李志偉，劉紅江，趙戰(zhàn)國

(河南應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450042)

0 引言

天然氣管道鋪設(shè)覆蓋了大部分城市的居民小區(qū)，并且在很多地方都建立了天然氣加氣站，既可以給出租車提供燃?xì)?，也可以給鄉(xiāng)鎮(zhèn)等沒有集中居住的居民提供天然氣。我們在肯定天然氣給人們的生活帶來極大便利的同時，也要承認(rèn)在天然氣使用過程中的泄漏問題也是一個極大的安全隱患[1-4]?？扇?xì)怏w在智能創(chuàng)新型的居家設(shè)計(jì)中是被重點(diǎn)檢測的，它是直接影響人們生活的危險源，設(shè)計(jì)一種價格便宜、性能穩(wěn)定、檢測精度高的天然氣檢測裝置具有很大的意義[5-8]。

本文選用MQ-5作為氣體檢測傳感器檢測環(huán)境天然氣濃度，通過ADC0809把檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給控制芯片STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算比較，然后通過液晶屏LCD1602進(jìn)行檢測濃度實(shí)時顯示，如果濃度超限可以啟動聲光報(bào)警，并啟動執(zhí)行裝置切斷燃?xì)忾y門[9-11]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、MQ-5天然氣濃度檢測電路、蜂鳴器報(bào)警電路、狀態(tài)指示燈電路及天然氣濃度執(zhí)行調(diào)節(jié)電路組成。

1.1 AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

AT89C52是一個低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有體積小、價格便宜、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[12-15]，其最小系統(tǒng)電路如圖1所示，主要由晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。晶振電路產(chǎn)生單片機(jī)所必需的時鐘頻率，為12 MHz，單片機(jī)的復(fù)位可以通過上電復(fù)位也可以通過上電之后按鍵key1復(fù)位，系統(tǒng)直接采用直流5 V電源供電。

圖1 AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.2 天然氣濃度測量電路設(shè)計(jì)

MQ-5氣體傳感器內(nèi)部使用的是氣敏材料二氧化錫，SnO2在清潔空氣中電導(dǎo)率較低，而對甲烷、煤氣等可燃性氣體有很高的靈敏度。傳感器的電導(dǎo)率會隨著檢測環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度的增大而增大，并且抗外界干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)一個簡單的轉(zhuǎn)換電路就可以將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，所以被選用來檢測本次設(shè)計(jì)中天然氣的濃度。MQ-5的主要作用是根據(jù)空氣中可燃?xì)怏w濃度的不同轉(zhuǎn)換成不同的電壓信號，其具有以下特點(diǎn)：①大的探測范圍；②單電源供電，功耗小；③靈敏度高，所以響應(yīng)恢復(fù)快；④使用時間長，穩(wěn)定性好；⑤驅(qū)動簡單方便。MQ-5的主要參數(shù)如表1所示。

表1 MQ-5主要參數(shù)

在氣體檢測電路中，MQ-5是一個可燃?xì)怏w采集元件，它的1、2、3引腳分別接上+5 V的電源，給傳感器提供一個電壓，5號引腳和R7串聯(lián)，R7是一個5.1 Ω的保護(hù)電阻，也可以直接接地，4號、6號引腳相連后與R8串聯(lián)。在實(shí)際的測量電路中，MQ-5相當(dāng)于一個電阻，左端接入VCC，右端又連接了一個1 kΩ的電阻，然后再接地，這兩個電阻串聯(lián)連接形成一個分壓電路，輸出為IN腳，接到ADC0809的I/O口上。在檢測到的氣體濃度升高時，MQ-5的阻值減小，并且濃度越高，阻值越小，在IN端輸出的電壓值就會越大。圖2為氣體傳感器檢測電路，C4是一個濾波電容，MQ-5和1 kΩ電阻串聯(lián)后中間經(jīng)過IN端口會輸出一個電壓，電壓信號傳送到ADC0809中，0809采集的模擬信號會被轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，該數(shù)字量信號通過接線端子被送入單片機(jī)P1口，圖3為A/D轉(zhuǎn)換電路。

圖2 氣體傳感器檢測電路

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路

1.3 LCD1602液晶顯示電路設(shè)計(jì)

液晶顯示電路主要由LCD1602和外圍電路組成，如圖4所示。液晶屏的3腳連接一個電位器,如果想改變屏幕的對比度，可以適當(dāng)轉(zhuǎn)動電位器的轉(zhuǎn)軸使屏幕顯示更加清晰。

圖4 LCD液晶顯示電路

1.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由聲報(bào)警電路和光報(bào)警電路兩部分組成。

聲報(bào)警電路由一個2.2 kΩ的上拉電阻、一個9012PNP型三極管和一個蜂鳴器組成,三極管的作用是充當(dāng)開關(guān)和將電流放大來驅(qū)動蜂鳴器，電阻的作用是降低接入單片機(jī)的電流以保護(hù)I/O口，所以這是一個限流電阻。在報(bào)警電路中，三極管的基極與電阻串聯(lián)，與單片機(jī)P2.5端口相連接，當(dāng)P2.5端口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器得電響應(yīng)。聲報(bào)警電路如圖5所示。

圖5 聲報(bào)警電路圖6 光報(bào)警電路

光報(bào)警電路是一個2.2 kΩ的電阻串聯(lián)一個LED燈(紅燈)和一個220 Ω的電阻串聯(lián)一個LED燈(綠燈)。由于單片機(jī)供電電壓是5 V，LED工作電壓是3 V，因此需要電阻串聯(lián)分壓；而且綠燈驅(qū)動電流大，紅燈驅(qū)動電流小，所以綠燈串聯(lián)一個阻值小的電阻。綠燈和紅燈分別指示濃度值高低的正常信號和報(bào)警信號，光報(bào)警電路如圖6所示。

1.5 控制執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

控制執(zhí)行電路如圖7所示。在控制執(zhí)行電路中，一個1 kΩ的電阻和一個9012PNP型三極管串聯(lián)，它被連接到單片機(jī)的P3.4端口。9012三極管起一個開關(guān)作用，當(dāng)P3.4口輸出高電平時，三極管截止，繼電器失電；當(dāng)P3.4口輸出低電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器吸合供電，排風(fēng)扇M1轉(zhuǎn)動，并切斷天然氣閥門。繼電器并聯(lián)有一個黃色發(fā)光二極管D2，黃燈亮是表示繼電器吸合的一個信號。

圖7 控制執(zhí)行電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)功能是由軟件程序配合硬件電路共同實(shí)現(xiàn)的，軟件程序主要由主程序和子程序組成。主程序是整個軟件的核心，用來協(xié)調(diào)執(zhí)行模塊和操作者的聯(lián)系，子程序用來完成檢測、計(jì)算、顯示等實(shí)質(zhì)性工作，溫濕度監(jiān)控程序流程如圖8所示，數(shù)據(jù)采集子程序與LCD1602顯示子程序分別如圖9和圖10所示。

圖8 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)主程序圖9 數(shù)據(jù)采集子程序圖10 LCD1602顯示子程序

3 系統(tǒng)仿真與實(shí)物測試

3.1 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真采用Proteus軟件結(jié)合Keil C51共同完成，在Keil C51軟件中加載C語言代碼，生成HEX文件，在Proteus軟件中制作系統(tǒng)電路，仿真界面如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)仿真界面

3.2 實(shí)物測試

按照原理圖選取電子元件進(jìn)行電路焊接，如圖12所示，并對單片機(jī)加載運(yùn)行程序。天然氣濃度未超過設(shè)定報(bào)警值時，綠燈閃亮；天然氣濃度超過報(bào)警值時，紅燈閃亮，蜂鳴器發(fā)聲，同時風(fēng)扇啟動；液晶屏實(shí)時顯示當(dāng)前天然氣濃度；報(bào)警濃度閾值可以通過按鍵設(shè)定。經(jīng)測試靈敏度能夠達(dá)到檢測要求，運(yùn)行可靠。

4 結(jié)語

本文結(jié)合AT89C52單片機(jī)、MQ-5傳感器、LCD1602液晶顯示器及相應(yīng)調(diào)節(jié)裝置構(gòu)成的天然氣監(jiān)控系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣應(yīng)用價值。