家用天然氣泄漏監控系統設計*

姬五勝 ，范新勝 ，劉玉華 ，范培媛

（1.蘭州城市學院 電子信息科學與技術研究所，甘肅 蘭州 730070；2.北京航天萬源煤化工工程技術有限公司蘭州分公司，甘肅 蘭州 730050；3.蘭州城市學院 培黎工程技術學院，甘肅 蘭州 730070）

1 天然氣泄漏監控系統設計方案

本系統以單片機AT89S52為主設計控制模塊，配以氣敏傳感器檢測模塊、無線發送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。該報警系統利用MQ-4型半導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出報警并啟動危險處置系統。當控制模塊確認發生天然氣泄漏時，首先通過無線發射、接收電路發出報警指令，報警模塊收到指令后發出報警信號；同時危險處置模塊也會收到報警指令并動作，關閉天然氣閥門，并開啟排氣扇。當泄漏氣體低于報警閾值時，控制單元再發出指令停止警報和排風扇的運行。設計該系統的工作電壓為+5 V，報警閾值為6 000 ppm，工作溫度范圍 0℃～40℃，反應時間為 1～3 s。其具體的系統框圖如圖1所示。

圖1 天然氣泄漏監控系統框圖

2 天然氣泄漏監控系統實現

2.1 元件選取

考慮到系統的兼容性、實用性、低成本和節能性，選用AT89S52單片機作為控制模塊，用PT2262/2272編碼、解碼的無線收發模塊實現315 MHz的無線數據通信。

AT89S52單片機是ATMEL公司生產的一種非易失性存儲技術制造的低功耗、高密度CMOS 8位單片機，片內含8 KB在線系統可編程的可反復擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲器，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案[1]。PT2262/PT2272是臺灣普城公司生產的一種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）三態地址端管腳（懸空、接高電平、接低電平），12位（A0～A11）三態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）數據端管腳，設定的地址碼和數據碼從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性，且使用壽命長、穩定性好，響應時間短，適宜于長時間工作；驅動電路簡單，其電路設計電壓范圍寬，加熱電壓為5±0.2 V。MQ-4傳感器輸出信號比較微弱，需要經過前置電路對其進行放大、濾波、電平調整，以滿足單片機對輸入信號的要求。氣體采集模塊驅動電路如圖2所示。

圖2 氣體采集電路圖

2.2 系統電路

天然氣泄漏監控系統由氣敏傳感器檢測模塊、無線發送模塊、無線接收模塊、報警模塊和危險處置模塊構成。

2.2.1氣體采集濃度檢測模塊設計

氣敏傳感器檢測模塊采集到的氣體信號通過ADC0809轉換成數字信號傳輸到AT89S52作為程序判據，當氣體濃度達到檢測上限濃度值時，AT89S52做出判斷，發出報警信號，同時在數碼管上顯示出此時濃度值。圖3是氣體轉換及濃度顯示模塊，具體連接時，將圖2中P1插接件的AOUT管腳接圖3中的AOUT標志管腳。

圖3 氣體轉換及濃度顯示模塊

2.2.2無線收發模塊系統設計

無線收發模塊系統由DF超再生接收模塊和DF無線發射器兩部分組成。DF模塊必須用信號調制才能正常工作，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接口連接即可實現編碼、解碼來實現數據通信。另外，編碼、解碼模塊輸出腳在模塊內部通過一個上拉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。

在本系統中所使用的無線收發模塊編碼、解碼具體電路如圖4所示。

圖4 無線收發模塊編碼、解碼電路

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，進行相應發射器的數據接收。將天線接收到的信號，通過DIN管腳將接收到的數據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，接著解碼出數據信息，通過PT2272的D0～D3輸出[2]。 在系統組成中將 PT2272的 D0～D3管腳與單片機的I/O口輸入管腳相連，實現數據的讀入，并作為控制功能的執行信號，實現系統的功能。

DF發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，作為發射模塊的地址，數據口D0～D3分別接 AT89S52的 P0.0～P0.3。系統設計中將報警信號值賦給P0口的低4位，作為芯片PT2262的4位數據，經過PT2262編碼后通過Dout管腳將地址和數據串行輸出，經過發射模塊，通過天線將數據發送出去[2]。

系統組成時要求DF超再生接收模塊地址與DF發射器模塊地址完全一致，確保系統組網通信的成功。該系統組網可實現一對一通信模式、一對多通信模式和多對一通信模式，使系統設計更具有靈活性。

2.2.3報警模塊設計

當發生氣體泄漏時，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據來判斷是否報警。燃氣濃度大于預報警閾值時，單片機I/O口輸出低電平，可使發光二極管工作，產生閃爍的燈光。 同時，輸出腳Bell輸出高電平，Q1導通，致使蜂鳴器Bell帶電工作，發出報警聲[4]。聲光報警電路如圖5所示。

圖5 聲光報警電路

2.2.4危險處置模塊設計

安全氣閥電路主要完成驅動閥門開閉裝置關閉閥門切斷氣源。具體工作原理是：當無線接收模塊接收到報警信號時，隨即發出一高電平，使單穩態觸發器工作，接收到一負脈沖觸發后單穩態觸發器便輸出一正單脈沖，然后利用單穩態觸發器的暫穩態輸出去控制電動機通電，驅動閥門關閉。排風扇電路也是由三極管與繼電器構成的電路驅動，其原理與安全氣閥電路類似。

3 天然氣泄漏監控系統測試與靈敏度調整

天然氣泄漏監控系統是通過調整圖2氣體采集電路中Rp可調電阻來調節系統的測試范圍和檢測靈敏度，本系統所采用的MQ-4型半導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，本系統設置的報警閾值為6 000 ppm，在實際產品中可以根據自己的需要調節泄漏濃度的報警閾值。

本文設計的家用天然氣泄漏監控系統由氣敏傳感器檢測模塊、控制模塊、無線收發模塊、報警模塊和危險處置模塊組成。其中無線收發模塊的使用加強了系統設計的靈活性，擴展了系統的應用范圍，更適合家庭的實際情況。本設計在無線收發模塊的基礎上增添了由安全氣閥和排風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對發生的安全隱患及時排除，保證財產的安全，因此更具有實際意義。

在實際應用中與同類報警系統相比，本系統性價比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應用前景。

[1]張毅剛.新編 MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2003.

[2]房明明.四路無線遙控開關的設計[J].電子測試，2009，5（5）：85-89.

[3]陳有卿，張曉東.報警集成電路和報警器制作實例[M].北京：人民郵電出版社，1996.

[4]陳有卿，謝剛.新穎電子模塊應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2003.