基于PROTUES甲烷濃度報警器設計及仿真

王立剛

摘要：本文設計一種甲烷濃度報警裝置，在甲烷濃度設定的安全門限值后自動報警，并啟動排風設備，從而達到實時安全監控作用，它適用于智慧家居或者企業的智慧生產。本文以51單片機為控制器，黑白元件作為氣體傳感器，詳細設計了甲烷濃度報警裝置的硬件電路，包括氣體檢測電路、執行電路、顯示電路等，后通過PROTUES軟件驗證了該電路的可用性，具有一定的實用價值。

Abstract： In this paper， a methane concentration alarm device is designed to automatically alarm when the methane concentration is set to the safety threshold， and the exhaust device is activated to achieve real-time safety monitoring. It is suitable for smart home production of smart homes or enterprises. In this paper， the 51 single-chip microcomputer is used as the controller and the black-and-white component is used as the gas sensor. The hardware circuit of the methane concentration alarm device is designed in detail， including the gas detection circuit， the execution circuit and the display circuit. The availability of the circuit is verified by the PROTUES software. It has certain practical value.

關鍵詞：甲烷濃度;報警;智慧家居;智慧生產;氣體傳感器

Key words： methane concentration;alarm;smart home;smart production;gas sensor

中圖分類號：TP277? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0176-04

0? 引言

在社會生產生活中，甲烷氣體應用不斷擴大，不管是家用天然氣，還是工廠生產用氣，或者是礦中生產，都有可能意外泄漏的危險，威脅著人們生命安全，因此通過有效設備的檢測，當甲烷濃度高于危險值時，能夠及時通風或者自動關閉輸氣管閥門并報警，是一種有效的措施。

1? 設計方案

該系統的功能基本要求是：在甲烷濃度設定的安全門限值后自動報警，并啟動排風設備，從而達到實時安全監控作用，針對這一功能要求，我們設計了一個基于51單片機的控制方案。

基于單片機控制總體框圖如圖1所示，系統可以分三個部分，檢測部分、控制部分、執行部分。檢測部分主要是利用傳感器的監測甲烷濃度，它包括氣敏傳感器、放大電路和A/D轉換電路，最后把甲烷濃度模擬量轉化為數字量給AT89C51分析計算。接著，AT89C51會根據檢測電路傳上來的數據進行計算，計算出對應的甲烷濃度，再顯示電路顯示。當檢測電路檢測到的可燃性氣體濃度超過設定的閾值時，系統便會立即報警，并且控制執行電路，打開風機電機，立即把有害氣體排出，降低事故發生。該閾值的設定應該根據具體環境場景和有毒氣體對人產生危害或產生爆炸的最低濃度值來制定，也可根據瓦斯濃度超限相關文件規定制[1]。眾所周知，用價格更為低廉的51單片機，使整個報警裝置價格大幅度的下降，對于大批量生產及普通家庭使用帶來了更低的成本。

2? 系統的硬件設計

2.1 主控單元的設計

主控單元如圖2所示。監控系統的核心將采用 AT89C51單片機，其中包括了復位電路和時鐘電路。

2.2 氣體檢測電路設計

氣體檢測電路如圖3所示，主要包括傳感器、放大器、AD轉換。黑白元件為檢測電路的核心元件，黑白元件的工作原理：該傳感器由測量元件（黑色）和補償元件（白色）兩部分構成，兩個元件的結構和尺寸均相同，催化元件最里層是鉑絲線圈，最外面是載體和催化劑形成的催化外殼，催化劑呈現黑色，故稱之“黑元件”[2，3]。當其放置到要檢測的氣體中，打開電源，工作運行后，在催化元件里面的鉑絲線圈由于有工作電流流過而發熱，此時如果空氣中存在甲烷氣體，在一定溫度和催化劑作用下，在測量元件上甲烷發生無焰燃燒，使測量元件的溫度升高，增加了敏感元件鉑絲的電阻值，鉑絲既起到加熱作用，又是熱敏電阻元件。而這時補償元件的溫度保持不變，白元件電阻不變[2]。由惠斯通電橋平衡原理[4]，電橋失去平衡，檢測電路就輸出一個和濃度成一定比例的微弱電壓值。

這里， A/D模數轉換我們選擇了ADC0809，如圖3所示。它將采集到的氣體濃度模擬信量轉換為數字量。

在惠斯通電橋中，黑白元件串聯，作為電橋的一臂，用普通電阻構成電橋的另一臂，再在電橋的兩端加上穩定的工作電壓U，則電橋的另兩端就能夠輸出一個電壓值ΔU，該電壓值就是檢測得到的與甲烷濃度成比例的一個值[4]。

2.3 顯示電路設計

根據上面檢測部分的測量信號，此時已轉化為數字信號，此數據需要單片機進行調理并計算，將待顯示數據傳輸給顯示模塊顯示。這里，顯示模塊我們采用LCD1602，如圖4所示。并使用單片機P0口作為數據輸出口，P2.0、P2.1、P2.2作為讀、寫、使能端口。

2.4 報警電路設計

報警電路如圖5所示，除應用蜂鳴器以外，我們還設計了一個報警LED與蜂鳴器并聯，通過聲光同時傳達危險信號。用單片機P3.7口輸出1.2kHz和600Hz的音頻信號，間隔時間分別為100ms和200ms，使之產生交替鳴響。后期硬件制作可以使用音頻放大器LM386，來進行驅動大功率蜂鳴器[5]。

2.5 執行電路設計

調節執行單元如圖6所示，它的目的主要是報警的同時立刻打開抽風機或者換氣扇，是毒氣能夠快速排除到室外。使用AT89C51的P1.4口輸出控制電機，我們這里使用的是直流伺服電機，我們這里使用了MOC3041和可控硅SCR組成驅動電路，如圖6所示。其中光電耦合器MOC3041的作用是將單片機的弱電系統與驅動電機的大電流電路隔開，以用來保護極易受干擾的單片機控制信號電路。可控硅SCR的作用可認為是一個開關，能夠用小電流控制大電流，開啟或關斷電機，從而控制驅動風扇的電機通斷。

本設計除了留有風機電機接口外，后期還可以通過其他端口擴展執行電路，例如添加電磁閥的控制，進一步切斷輸氣管道的閥門等。

3? 主程序設計及硬件電路仿真

調試過程主要應用了Keil軟件和Proteus軟件，Proteus是電路分析、硬件仿真，而Keil是C語言編程開發環境。

3.1 主程序設計

首先，主程序運行先進行自檢、初始化，如果是第一次運行，就需要提示用戶設置報警閾值并儲存，否則讀取設置好的閾值參數并開中斷;判斷串口是否為有效標志位，如果有啟動數據采集，采集黑白原件傳感器傳來的數據，否則復位串口數據有效標志位直至采集數據;判斷是否達到預設值，如果達到了預設值，系統報警并打開排氣風機或關閉電磁閥等執行機構;存取數據并顯示;判斷系統是否復位，如果復位了就系統初始化，否則結束。主程序流程圖如圖7。

按照主程序流程圖，用keil編寫甲烷報警器C語言程序并導出hex文件，保存。

3.2 系統仿真結果及分析

用Proteus軟件設計好系統原理圖，把上面保存好的hex文件加載到AT89C51模型中，點擊運行進行仿真，如圖8所示。設置濃度閾值1500ppm[5，6]，當濃度大于1500ppm時報警。

由于仿真不能實現氣體檢測電路，這里僅通過滑動變阻器來模擬黑白元件傳上來的電壓值，再通過程序轉換為濃度值。

4? 結論

本文以AT89C51單片機為控制器，黑白元件作為氣體傳感器，詳細設計了甲烷濃度報警裝置的硬件電路，包括氣體檢測電路、執行電路、顯示電路等，后通過keil設計了系統控制程序，并通過PROTUES軟件驗證了該電路的可用性，具有一定的參考價值。后續工作還可以把該裝置加入到智能家居物聯網中，給人們提供安全舒適的居住環境，具有一定的應用價值。

參考文獻：

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[3]韓寧，燕飛，杜廣微.基于ARM的嵌入式煤礦安全生產監控終端[J].遼寧工程技術大學學報，2006，25（s1）：168-171.

[4]楊道生，張渝.惠斯通電橋平衡調整過程的直觀化設計[J].文山師范高等專科學校學報，2007，20（4）：98-99.

[5]朱高中.基于單片機甲烷濃度監測的研究[J].中國安全生產科學技術，2012（4）：127-131.

[6]張濤.基于單片機的瓦斯濃度檢測報警裝置的設計與仿真[J].煤炭工程，2014，46（3）：128-130.