基于9S12XS128單片機煤氣報警器設計

陳軍統，潘再平，楊舒捷

CHEN Jun-tong1, PAN Zai-ping2, YANG Shu-jie1

（1. 浙江科技學院，杭州 310023；2.浙江大學，杭州 310027）

0 引言

隨著我國燃氣的變革及西氣東輸工程的進行，煤氣或天燃氣已成為多數家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當或產品本身的質量問題，造成的煤氣中毒事故，全國均有不少事例。有甚者，因室內煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。針對經常發生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷及一氧化碳等氣體傳感器、單片機、電磁閥和電鈴，設計一套有毒氣體檢測、報警電路，顯示室內空氣質量（可分優、良、中、好、差五級），用單片機模塊分路控制繼電器、發光二極管和電鈴以確保人生安全，這也是現代家居智能化的一個體現。

1 系統總體設計

1.1 系統方案的選擇

方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅動蜂鳴器報警。電路簡單、可靠但是靈活性和實用性差。

方案二，可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調節得到固定的電壓值，當得到可燃性氣體信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數增加，電壓也就隨著增加，驅動三極管導通報警電路。該方案有一定的靈活性和可執性，但是電路比較復雜，智能性差。

方案三，通過單片機作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模擬信號通過A/D信號轉換為數字信號，并且讀取和顯示出來。鍵盤可以通過不

同的應用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設定，并且儲存報警的上限和報警時間，方便查詢和日后的工作調查。

綜合考慮，由于使用單片機設計靈活性更強、用途更寬廣，所以本設計采用方案三。

1.2 系統功能硬件設計

本設計是一個基于單片機的煤氣報警系統，并實現對AD數據的采集和聲光的報警控制。控制系統主要是由9S12XS128系列單片機、電源電路、傳感器電路、LED顯示與鍵盤輸入人機接口電路、聲光報警電路等部分組成。單片機通過AD轉換8路傳感器來所得到的信號，進行比較處理，并且能夠存儲各個通道的報警上限和報警時的數據儲存，并且在安全值內，輪回顯示當前通道的測量值和設定值，在安全值外，產生聲光報警，并且輪回顯示報警通道的當前值、設定值。系統框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖

1.2.1 電源電路設計

電源采用直流電源變壓器輸出12V的電壓，其電源電路如圖2所示，并由去耦電容、開關、LM2576穩壓器及電源指示燈組成。直流12V再經過電容濾波，LM2576集成穩壓器穩壓成為穩定的+5V電源，用一個發光二極管指示

燈指示電源狀態。電路安全穩定可靠，測試電壓為+5V。

圖2 電源電路圖

1.2.2 Nokia5110顯示電路模塊

使用 Nokia5110模塊具有以下特點：84x48的點陣LCD，可以顯示4行漢字；采用串行接口與主處理器進行通信，接口信號線數量大幅度減少，包括電源和地在內的信號線僅有9 條。支持多種串行通信協議（如AVR 單片機的S P I、MCS51的串口模式0等），傳輸速率高達4Mbps，可全速寫入顯示數據，無等待時間；采用低電壓供電，正

常顯示時的工作電流在200μA以下，且具有掉電模式；可通過導電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換。

Nokia5110的初始化

圖3 5110復位時序

接通電源后，內部寄存器和RAM的內容是不確定的，這需要一個RES低電平脈沖復位一下。當電源引腳VDD變為高電平，達到VDDmin（或更高）之后，最多100ms，RST輸入低電平（電平幅度＜0.3VDD）。

1.2.3 聲光報警模塊

當發生報警事件時，除了液晶顯示外，還要有聲光報警功能。用聲音或是燈光報警時，連續的聲響或常亮的燈光往往不易被人們的警覺，只有斷續的聲音或閃爍的燈光才能取得最佳的報警效果。利用時鐘翻轉單片機的相應IO引腳來產生短促的報警聲音或閃爍燈光信號。由于單片機的引腳的驅動能力不是很強，不能直接驅動蜂鳴器和LED等，所以我在相應的引腳上接一個三極管放大器將信號做相應的放大，再去驅動蜂鳴器和LED燈，同時這個電路也能起到保護單片機的作用。

圖4 聲光報警電路

圖4為聲光報警電路的原理圖，Beer_IO與單片機的PORTB_PB0引腳相連，LED_IO與單片機的PORTB_PB1引腳相連。

2 系統數據采集

2.1 傳感器的選擇

感應器是系統重要的組成部分之一，其性能對于系統的精確度和實現范圍有這相當大的影響，也是體現煤氣監控發展現狀的標志。可燃氣體的危險性主要視其爆炸極限，爆炸下限數值越小、爆炸下限與上限之間的范圍越大，越危險，有許多可燃氣體同時具有毒性。主要有碳化氫及其派生物如甲烷、丙烷等和無機氣體如一氧化碳、氫氣等，其中CO的氣體毒性是對人體有非常大的傷害，在設計中考慮到的是家庭的情況，是特別對于一氧化碳會中毒，所以選用了MQ-7，由于MQ-7電路簡單而且價格比較便宜。而工業級別的傳感器選擇了NAP-505型電化學一氧化碳氣體傳感器，精確度高而且穩定，適合工業上使用。

2.2 MQ-7半導體氣體傳感器

1）基本測試回路

圖5 傳感器的基本測試電路

該傳感器需要施加2 個電壓：傳感器的基本測試電路如圖5所示，加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC），其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度，VC 則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當的RL值。

2） 工作原理

傳感器的表面電阻Rs，是對過與其它串聯的負載電阻RL上的有效電壓信號VRL輸出而獲得的。二者之間的關系為：RS/RL＝（VCVRL）VRL。傳感器由潔凈空氣轉移至一氧化碳氣氛中時，RL上的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期（由高電壓至低電壓2.5分鐘）或在兩個完整的加熱周期內測得。

2.3 實驗氣體測試結果計算

對于傳感器的調整參數計算，可按照表1步驟并結合該傳感器的特性表進行調整。

表1 甲烷測試計

圖6 系統軟件流程圖

在靈敏度調整過程中，由于MQ-7氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調整是很重要的，建議用1000ppm異丁烷或200ppm一氧化碳校準傳感器。

3 系統軟件設計

該系統的軟件結構主要分為：系統初始化模塊、對煤氣傳感器采集數的處理模塊、聲光報警模塊、人機交互模塊等。為了便于系統的調試，本系統設計了相關的調試函數，主要包括串口和定時模塊。圖6是本系統軟件流程圖。

4 結束語

通過試驗可以看到本設計結構簡單但監控性能穩定可靠，而且實用，由于體積小成品可以很方便的嵌入各種設備內部，設計成本廉價。基于單片機煤氣報警器只要在軟件上下點功夫，還可以擴展其他傳感器，如溫度和濕度進行監測的傳感器。并且系統可以擴展無線發射模塊，將檢測的信息及時地發到安全控制中心，能為保護人生和財產安全做到很好的保障。

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