摘  要： 利用基于AT89S52單片機控制模塊和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)能在可燃氣體泄漏時，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)體可燃氣敏傳感器檢測模塊,，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(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,，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)過前置電路對其進行放大,、濾波、電平調(diào)整,，以滿足單片機對輸入信號的要求,。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(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(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(yù)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(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(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(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)模塊的使用加強了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，擴展了系統(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
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