《電子技術(shù)應(yīng)用》
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家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2012年第11期
姬五勝1,3,,范新勝2,,劉玉華3,范培媛3
(1.蘭州城市學(xué)院 電子信息科學(xué)與技術(shù)研究所,,甘肅 蘭州 730070,; 2.北京航天萬源煤化工工程
摘要: 利用基于AT89S52單片機(jī)控制模塊和PT2272、PT2262編碼解碼的DF無線通信模塊開發(fā)了一種新的天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng),,利用MQ-4氣敏傳感器作為氣體濃度檢測器件,。系統(tǒng)能在可燃?xì)怏w泄漏時,發(fā)出控制指令,,實現(xiàn)聲,、光報警,,同時通過自動裝置關(guān)閉氣閥,并打開排風(fēng)扇,,以處置危險,。該系統(tǒng)在無人環(huán)境下實現(xiàn)自動報警和危險處置的功能,最大程度確保了天然氣使用過程中人身和財產(chǎn)的安全,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 利用基于AT89S52單片機(jī)控制模塊和PT2272,、PT2262編碼解碼的DF無線通信模塊開發(fā)了一種新的天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng),利用MQ-4氣敏傳感器作為氣體濃度檢測器件,。系統(tǒng)能在可燃?xì)怏w泄漏時,,發(fā)出控制指令,,實現(xiàn)聲,、光報警,同時通過自動裝置關(guān)閉氣閥,,并打開排風(fēng)扇,,以處置危險。該系統(tǒng)在無人環(huán)境下實現(xiàn)自動報警和危險處置的功能,,最大程度確保了天然氣使用過程中人身和財產(chǎn)的安全,。
關(guān)鍵詞: 天然氣;監(jiān)控系統(tǒng),;控制模塊,;無線傳輸;AT89S52

1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案
 本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為主設(shè)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(gòu)成,。該報警系統(tǒng)利用MQ-4型半導(dǎo)體可燃?xì)饷魝鞲衅鳈z測模塊,用以檢測天然氣的泄漏情況,,當(dāng)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(dāng)控制模塊確認(rèn)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(guān)閉天然氣閥門,并開啟排氣扇,。當(dāng)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(fēng)扇的運行,。設(shè)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(yīng)時間為1~3 s。其具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

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(jī)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(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的一種非易失性存儲技術(shù)制造的低功耗,、高密度CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8 KB在線系統(tǒng)可編程的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器,,兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),,可為許多嵌入式控制應(yīng)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(chǎn)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(shè)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(fù)性,,且使用壽命長,、穩(wěn)定性好,響應(yīng)時間短,,適宜于長時間工作,;驅(qū)動電路簡單,其電路設(shè)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(jīng)過前置電路對其進(jìn)行放大,、濾波,、電平調(diào)整,,以滿足單片機(jī)對輸入信號的要求。氣體采集模塊驅(qū)動電路如圖2所示,。
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(gòu)成,。
2.2.1 氣體采集濃度檢測模塊設(shè)計
 氣敏傳感器檢測模塊采集到的氣體信號通過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)紸T89S52作為程序判據(jù),當(dāng)氣體濃度達(dá)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(zhuǎn)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(biāo)志管腳,。


2.2.2 無線收發(fā)模塊系統(tǒng)設(shè)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(diào)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(jī)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(nèi)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。

 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(jī)I/O口連接或進(jìn)行接地或接Vcc,,作為接收模塊的地址,進(jìn)行相應(yīng)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(jìn)行解碼,PT2272首先解碼出地址信息,,并與自身的地址進(jìn)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(jī)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(shè)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(jīng)過PT2262編碼后通過Dout管腳將地址和數(shù)據(jù)串行輸出,,經(jīng)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(shè)計更具有靈活性。
2.2.3 報警模塊設(shè)計
 當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時,,除了顯示濃度外,,還要進(jìn)行聲光報警。單片機(jī)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?xì)鉂舛却笥陬A(yù)報警閾值時,,單片機(jī)I/O口輸出低電平,可使發(fā)光二極管工作,,產(chǎn)生閃爍的燈光,。同時,輸出腳Bell輸出高電平,,Q1導(dǎo)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,。

2.2.4 危險處置模塊設(shè)計

 


 安全氣閥電路主要完成驅(qū)動閥門開閉裝置關(guān)閉閥門切斷氣源。具體工作原理是:當(dāng)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(fù)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(jī)通電,,驅(qū)動閥門關(guān)閉。排風(fēng)扇電路也是由三極管與繼電器構(gòu)成的電路驅(qū)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(diào)整
 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)是通過調(diào)整圖2氣體采集電路中Rp可調(diào)電阻來調(diào)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(dǎo)體可燃?xì)饷魝鞲衅鳈z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(shè)置的報警閾值為6 000 ppm,,在實際產(chǎn)品中可以根據(jù)自己的需要調(diào)節(jié)泄漏濃度的報警閾值。
 本文設(shè)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(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性,,擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,更適合家庭的實際情況,。本設(shè)計在無線收發(fā)模塊的基礎(chǔ)上增添了由安全氣閥和排風(fēng)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?qū)Πl(fā)生的安全隱患及時排除,,保證財產(chǎn)的安全,,因此更具有實際意義。
在實際應(yīng)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(yīng)用前景,。
參考文獻(xiàn)
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