基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计

基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统的设计

摘要：本文介绍了一种基于单片机的煤气泄漏检测与报警系统，可对煤气浓度进行实时检测和监控、报警，而且还能实现自动开启和关闭排气装置和煤气管道阀门。具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点。主要阐述了控制系统、信号检测系统、功能执行部件的硬件设计，给出了程序的设计方法，并对程序进行了简要的分析。

关键词：单片机；煤气泄漏；声光报警；气敏传感器

Abstract:This paper introduces a novel intelligent gas monitoring and controlling system based on the single-chip computer technology. It can provide us with the following functions: dynamic measurements, monitoring and controlling, and also alarms for the on-the-spot gas concentration. Besides, this system can automatically open and shut off the gas-pipe valve. It is simple in structure, low cost and easy to operate and so on. It briefly introduces the control systems, signal sensing systems, hardware design of the functional components. The process design methodology and a brief analysis of procedures were given.

Keywords:single-chip computer; gas leak; sound-light alarm;gas sensor

一、概述

随着国民经济的日益发展，人民生活水平、生活质量的不断提高，公寓式客房、高级住宅小区越来越多，使煤气的使用更为普遍。

煤气的开发利用大大造福于家庭生活，同时也带来了更多的爆炸或火灾隐患。由于使用不当或设备不完善、老化等问题引起煤气泄漏、爆炸的事故也在增多，极大地威胁着人们的生命财产安全。根据一氧化碳的性质，人体暴露在浓度为25×10-6 的一氧化碳中，人即会有轻度头痛、恶心等中毒症状。若持续两个小时或当一氧化碳浓度为1500×10-6 时，一氧化碳- 血红蛋白的结合率就会升高，人就会产生昏迷、抽搐等重度中毒的症状，给人体造成不可逆转的伤害，直至死亡。

虽然人们对煤气泄漏事件有了一定的防范意识，但是，煤气泄漏事件造成的家庭悲剧时有发生，不仅带来了人员伤亡，而且还造成了严重的经济损失。为了确保家庭用气的安全，防止煤气泄漏引起的中毒和爆炸事件的发生，煤气泄漏检测与报警系统也就应运而生了。煤气泄漏检测报警系统能够检测室内煤气浓度，当煤气泄漏时产生报警，在减少人员伤亡和经济损失方面起到至关重要的作用。

一般的煤气报警器功能单一，或是必须手动复位阀门系统，性能稳定性低，而大型的监

控系统又价格不菲，需专门的技术人员来管理，不适用于中小企业和家庭。本文设计了一种

基于单片机的煤气泄漏与报警系统，具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点，适于家庭使用。

本系统采用单片机作为核心控制部件，气敏传感器作为信息提取部件。实现的功能如下：气敏传感器实时检测室内煤气浓度信号，浓度信号经A/D 转换后，送入单片机中，单片机对此信号进行处理后，送入显示电路，实时显示室内煤气浓度，当室内煤气浓度超限（即达到危险浓度）时，实现声光报警，并关闭气源、开启排气装置，待室内煤气浓度恢复到安全

浓度后，停止报警及排气，并打开气源。本设计的原理框图如下图1所示：

图1总体框图

整个系统的工作原理是利用半导体气敏传感器将煤气浓度变换成模拟电压信号，此电压信号经放大后送到A/D 转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。单片机将数据处理后，送显示电路显示浓度信息。当空气中的煤气浓度达到设定值时，将煤气管道关闭并打开排气装置，并输出数字信号驱动声光报警。

二、煤气泄漏检测与报警系统的实现

2.1 检测模块的实现本系统采用半导体气敏传感器的气体检测部件。检测气体浓度时，用恒

定电流对气敏传

感器进行间接加热，由于其气体浓度等效电阻R S随着气体浓度增加而成非线性减少，需要对电路进行线性化校正。AD538是美国ADI公司出品的实时模拟计算器件，能提供精确的模拟乘、除和幂运算功能。该集成电路有三个输入电压V X，V Y，V Z，转换函数为

V OUT = V Y×（V Z/ V X）m

可以通过连接特定管脚来实现特定函数。通过外接1～2 个电阻可以实现不同的m 值的指数运算，利用芯片上的对数比例和输出部分可以直接实现对书比例运算。

半导体气敏传感器将煤气浓度转换为模拟电压信号，然后经线性化电路，将浓度与电

压成比例。这一与煤气浓度成比例，且经放大后的模拟电压信号送入后面的A/D 转换中。

这样就完成了煤气泄漏的检测。

2.2 控制模块的实现控制部分首先完成浓度信息的模拟数字转换，然后，将数据进行分析去

控制各部分电路

工作。

1、A/D 转换

A/D 转换采用AD0809 逐次逼近式A/D 转换器，它具有8 个模拟量输入通道。本设计采用程序查询方式，需要将EOC 通过三态门接至系统的一根数据总线上。CPU 查询该总线的位是否为低电平，若为低电平，则再查询它是否为高电平，若是，则表明转换结束，CPU 再执行读A DC0809 端口的指令即可。

在设计中仅仅用到一个模拟量输入通道，则只需将模拟量输入通道地址选择线A、B、

C 端接地，选择通道I N0。P2.1 与S C 连接，用来控制A/

D 转换的启停。P2.2 与O

E 端相连，用来打开输出锁存器缓冲器，将其中的数据放到外部的数据线上。P2.0 与E OC 相连，采用查询方式，通过P2.0 接收到的数据来判断是否转换结束。

2、系统的核心控制部件

AT89C51 是一种低功耗、高性能的8 位单片机，片内带有一个4K 字节的Flash 可编程可擦除只读存储器，它采用了CMOS 工艺和ATMEL 公司的高密度非易失性存储器

（NURAM）技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51 兼容。片内的Flash 存储器允许

在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此AT89C51 是一种功能

强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。经过分析比较，根据本

课题的特点，选用A TMEL 公司的89 系列的标准型单片机A T89C51。

我们将P0 口作为A/D 转换的数据输入端，P2.1 和P2.2 控制A/D 转换的启停，P2.0 与

ADC0809的EOC相连，判断A/D转换是否结束。P2.6控制声光报警，P2.7控制执行电路。P1

口接数码管显示电路，P3.0、P3.1、P3.2为数码管的片选信号输出。I/O口分配如下图2所示：

数码管显示电路LED 位选线

AT89C51

P1 P0

P3.0 P2.0

P3.1

P3.2 P2.1

P2.2

RESET

P2.6

A/D 转换后数

字信号输入

A/D 转换结束信号

ADC0809 启停控制

复位电路XTAL1

XTAL2 P2.7 声光报警时钟电路执行电路

图2 单片机接口配置