基于單片機智能化燃氣報警器的設計

揭懿暉 李天龍 胡梓東 陳旭輝 黃美蓮

摘 要：以單片機和MQ-2傳感器為核心設計的一款燃氣泄漏報警器，可以實現聲光報警功能。該報警器采用了MQ-2氣敏傳感器和DS18B20溫度傳感器分別監測燃氣泄漏情況和現場溫度信息，監測數據通過單片機AT89C51處理后送LCD1602顯示。檢測數據超過預設閾值，啟動聲光報警，同時觸發L298N驅動風扇運行，進行排氣。該報警器系統具有結構簡單、性能穩定、價格低廉等優點。

關鍵詞：MQ-2;單片機AT89C51;DS18B20

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.128

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展，煤氣、天然氣、液化氣等燃氣已成為城市居民的主要燃料[1]。隨著人們的生活也在發展和改善，作為發動機的“糧食”——燃料，使用范圍也是越來越廣，同時燃料使用不當引起的火災也是越來越多，給居民生活和經濟帶來很多隱患。針對燃氣泄漏所造成的種種事故，本文設計了一款在一定范圍內對燃氣火災進行有效預警和制動的報警器，從根源上對火災險情進行提前預警。本產品具有結構簡單，造價便宜，維護成本低等優點。

1 硬件設計

硬件設計主要包括電源模塊、氣敏傳感器模塊、溫度傳感器模塊、A/D轉換模塊、顯示模塊、單片機處理模塊、電磁閥驅動模塊等。其工作原理是以AT89C51單片機為核心控制，采用MQ-2傳感器和DS18B20溫度傳感器檢測燃氣泄漏情況和溫度變化信息。檢測數據通過AT89C51芯片處理后送LCD1620液晶顯示器顯示。若檢測到的數據超過預設閾值，則觸發聲光報警，同時繼電器動作關閉燃氣管道閥門，從而實現報警和安全保護的作用。系統的原理框圖如圖1所示。

1.1 單片機模塊

該報警系統采用了AT89C51單片機智能芯片，選用該芯片主要是考慮經濟性和可靠性，采用簡單的電阻電容構成的按鍵電平復位方式[2]。復位電路和時鐘電路構成了單片機的最小系統。復位電路由10μF電容和10KΩ電阻構成，在上電瞬間實現系統的復位，也可以利用復位按鍵實現復位。外連接時鐘電路采用了11.0592MHZ的晶振和2個30PF的電容組成，這兩種器件在布局上要盡量靠近單片機。單片機最小系統原理圖如圖2所示。

1.2 傳感器模塊

本報警系統采用了MQ-2氣敏傳感器和DS18B20溫度傳感器模塊。MQ-2氣敏傳感器具有靈敏度高，響應快，穩定性好、抗干擾等優點，可以檢測液化氣、天然氣、酒精等可燃氣體。MQ-2傳感器由二氧化錫半導體材料制成的N型半導體器件，本設計利用MQ-2傳感器對可燃氣體濃度進行檢測，檢測到的模擬信號通過A/D轉換芯片ADC0832轉換為數字信號，然后送入單片機AT89C51與預設閾值進行對比，判斷是否啟動報警器。為了提高檢測系統的可靠性，同時利用數字溫度傳感器DS18B20檢測周圍環境的溫度，將檢測的溫度信號也一并送入單片機與預設閾值對比[3]。傳感器檢測轉換模塊電路如圖3所示。

1.3 顯示模塊

顯示模塊采用液晶顯示器LCD1602來實現。由傳感器采集到的模擬信號經過轉換芯片ADC0832轉換為數字信號后，輸送到液晶顯示器LCD1602顯示。該顯示器既可以顯示采集到信號，也可以顯示預設的溫度值和可燃氣體的濃度值。其電路如圖4所示。

1.4 按鍵模塊

在單片機按鍵模塊中，一般可以分為獨立按鍵與矩陣按鍵兩種形式，根據設計功能所需的按鍵并不多，所以本次設計選擇獨立按鍵即可。其工作原理是按鍵的一端都接地，另外一端對應連接單片機的IO口，由于單片機端口得電處于高電平，在按鍵沒按下的情況下，單片機端口一直處于高電平，當按下按鍵時，單片機IO口直接與地相連，單片機IO口就會檢測到低電平，單片機檢測到低電平的時候，就會執行相對應的程序。所以單片機只要根據IO高低電平變化，即可知道是否有按鍵按下。在本次設計中采用了4個獨立按鍵，按鍵SW1為功能設置選擇鍵，按鍵SW2為加功能，按鍵SW3為減功能，SW4為復位功能。其按鍵電路如圖5所示。

1.5 聲光報警模塊

聲光報警部分由蜂鳴器和led燈兩個模塊組成，蜂鳴器模塊的驅動采用的是PNP型三極管，只要單片機的I/O口輸入低電平，這個三極管導通，蜂鳴器得電發出聲音。而led燈模塊即由P3.6和P3.7兩個I/O口輸出，當溫度過高P3.6口發出信號，使得紅燈得電報警;當煙霧濃度過高P3.7口發出信號，使得黃燈得電報警。其電路如圖6所示。

1.6 驅動電路模塊

根據AT89C5151單片機的工作特性可知，51單片機IO口輸出電流在20mA左右，由于電流過小，使單片機IO口無法直接與電機相連去驅動電機運行，所以51單片機需要設計驅動電路模塊。L298N是常用于驅動電路，它可同時驅動兩臺電機，但是根據設計功能，只需要驅動一個電機即可。根據其功能使用說明，通過在輸入端IN1和IN2輸入信號，經過邏輯運算后，在輸出端OUT1和OUT2輸出對應信號與電機相連，即電機由IN1和IN2控制，在輸入端任意一個端口輸入低電平，其輸出端對應輸出高電平，從而在輸出端口形成電位差，產生電流去驅動電機運行。其電路如圖7所示。

2 系統軟件設計

溫度傳感器的溫度信號檢測和氣敏傳感器的濃度信號檢測由軟件編程實現。采集到的信號通過軟件進行處理和顯示，并判斷采集的信號是否超出預設的報警值，若溫度超出預設的報警值則啟動紅燈和聲音報警;若燃氣濃度值超出預設的報警值則啟動黃燈和聲音報警，同時啟動排氣扇進行排氣。主程序中包括了初始化、中斷功能、輸入輸出狀態的設定等，其工作流程圖如圖8所示，系統的總電路原理圖如圖9所示。

3 結語

該報警系統通過檢測氣體的濃度和環境的溫度共同來實現是否發生火災或是否有燃氣氣體泄漏，提高了報警的可靠性。該報警系統不僅性能穩定、可靠，而且電路簡單，維護成本低等優點。

參考文獻：

[1]李曉明.淺析提高計量檢定工作質量的有限措施[J].民營科技，2017（01）：58.

[2]馬鵬飛.基于單片機的燃氣報警器的設計[J].科技展望，2015（16）：78.

[3]張群強，趙巧妮.基于MQ-2型傳感器火災報警系統的設計[J].價值工程，2015（05）：96.

作者簡介：揭懿暉（1995-），男，廣東廉江人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化。