基于單片機的可燃氣體報警設計

柳娜　張培法　孫莉

摘要：現在單片機技術飛速發展，電路的制作也越來越集成化智能化。本文中所論述的是以單片機技術為核心結合了A/D轉換芯片組建而成的一個可燃氣體報警檢測裝置。當所處環境的可燃氣體濃度值較高時，該設備傳感器探頭率先工作將把信號傳遞給單片機，單片機接受到指令后根據程序進行下一步操作。

關鍵詞：單片機;A/D轉換;傳感器

1.總體設計方案

本次研究的內容主要包括以下幾點內容：

（1） 隨時隨地的監測室內中空氣可燃氣體的濃度;

（2） 聲光報警功能：當傳感器檢測到空氣中可燃氣體濃度值超過設定安全范圍以后進行聲音和燈光同時報警，繼電器吸合風扇工作將可燃氣體排出。

此次產品設計主要有六大部分組分別是：傳感器檢測可燃氣體、單片機、聲光報警電路、負載驅動電路、程序編譯及控制組成。

2.硬件系統設計

2.1 總體電路

如上圖2-1所示的為protel99se所畫。通過仿真圖可以看到液晶屏幕實時的檢測到當前的可燃氣體濃度值，默認設置的臨界報警值的數量為1個（使用者可以通過按鍵自行設定上下報警臨界點），產品開機默認的臨界報警值為25，當可燃氣體的濃度大于25時，紅色LED燈會進行閃爍、蜂鳴器發出聲音報警同時單片機會給繼電器一個工作信號使繼電器吸合從而控制電機進行通風換氣;當氣體的濃度值小于25臨界報警值時綠色LED燈點亮，此時為正常狀態不會進行任何報警動作[1]。

2.2 可燃氣體檢測電路

主要分為兩大部分：一是可燃氣體傳感器檢測部分，二是ADC0809進行信號處理部分[2]。當工作中的傳感器檢測到可燃氣體時會將該信號傳送給ADC0809進行模數轉換進而將處理過的信號傳遞到單片機里，單片機根據使用者事先設定的報警臨界值進行下一步動作。

2.3 液晶顯示電路

LCD1602液晶在屏幕中可以同時顯示16個字符最多顯示兩行，在我們日常生活中這種液晶十分常見，比如萬用表、計算器、家庭中的電子產品等。在電路設計當中這種液晶顯示也是十分重要為單片機提供了人機交流[3]。

不過有一點需要值得注意就是，液晶模塊內部進行指令的識別需要一定的時間，所以單片機在對液晶模塊進行操作指令的調用時不進行讀忙操作，應該用一個延時程序對其進行延時給其足夠多的反應時間，否則會無法進行正常工作顯示。

2.4 聲光報警提示電路

聲光報警電路顧名思義就是由聲音和發光組成的電路，之所以采取這樣的電路設計在居家領域中聲光報警可以在出現安全事故的時候及時發出聲光報警可以更加效的進行警醒提示。

2.5 負載控制電路

為了保護單片機不會因為驅動電流過大而損壞，在負載控制電路中用了電磁繼電器作為負載電路的控制器。電磁繼電器構造較為簡單價格也相對便宜，在繼電器之前還用了一個PNP型的三極管，當閥值過高時單片機會進行一個高低電平的轉換那么三極管導通電壓會進入繼電器的線圈那么線圈就會將銜鐵吸下使觸點閉合，將負載串接在兩個觸點之間就可以進行驅動控制[4]。觸點與線圈互相獨立、互不干擾可以起到保護作用。當線圈兩端電壓消失時彈簧就會將銜鐵拉回閉合位置起到關斷作用。

2.6 按鍵控制電路

在本設計當中采用按鍵接地的方式實現按鍵的功能，單片機在初始化運行時所產生的電平為高電平，這時當我們的按鍵按下時會直接接地給單片機送入一個低電平，單片機接收這個低電平信號時會對該信號進行處理。

單片機鍵盤分為兩種：一種為獨立式鍵盤另外一種為矩陣結構式鍵盤，這兩種方式各有優缺點。獨立式鍵盤是指按鍵的一端連接著單片機的一個I/O口，按鍵的另一端接VCC或者GND（同常接GND），采用這樣的接線方式較為簡單不會使系統在操作過程中不會出現崩潰;矩陣結構式鍵盤的接法與獨立式鍵盤的解法相比較而言更加復雜，在本次設計當中綜合考慮為了追求系統穩定性而采取了獨立式鍵盤接法。

對于單片機而言，只要涉及到按鍵的操作就離不開一個問題，那就是按鍵抖動。所謂的按鍵抖動就是指在按下按鍵的瞬間由于各種因素導致頻繁出現接觸與不接觸的情況，所以有了這樣的問題就要進行消抖[5]。而消抖采用的方法有兩種：一是硬件消抖（在線路當中并聯一個濾波電容），二是軟件消抖（利用程序檢測到按鍵按下后進行一個延時程序的操作），如果采用硬件消抖的話會增加成本，在這里采取了軟件消抖。

3.軟件設計及開發調試

3.1 系統設計調試

在本次設計當中所用到的仿真軟件為Proteus 8 這款軟件可以比較真實的仿真出所設計的產品在真實生活中的使用情況。可以仿真51系列、AVR、PLC、ARM等常見的單片機。在仿真過程中為了及時發現和解決問題我采用的逐個調試方法即先調試其中的一個小部分，調試完成以后確認沒有任何問題然后再去調試仿真整個電路程序，一直達到目標為止。

在本次仿真中用一個滑動變阻器來代替可燃氣體傳感器，通過改變滑動變阻器的阻值大小來模擬傳感器在實際應用中的變化。當滑動變阻器左移或右移時可以模擬室內中可燃氣體濃度升高或降低，此時屏幕中會顯示可燃氣體濃度值的變化。當濃度值超過我們設定的濃度值的范圍時，單片機會給蜂鳴器一個信號使蜂鳴器發出聲響，繼電器吸合風扇開始工作。仿真圖右下角的三個按鍵分別是報警濃度設定鍵、設定增加、設定減少。

參考文獻：

[1]Ponce， M. A; Aldao， C. M; Castro， M. S. Oxygen and carbon monoxide adsorption in SnO～2 thick films gas sensors，2012，44（08）：1435-1441.

[2]R. Sarangapani，I. Jaffar，T.K. Srinivsan，Arya Mitra，K. Bajeer Sultan，K. Delli Ganesh，P.M. Annadurai，A.M. Umesh，M.T. Jose，K.V. Suresh Kumar，B. Venkatraman. A new method for the localisation of gas leaker fuel subassemblies in fast breeder reactors[J]. Elsevier Ltd，2018，23（04）：13-18.

[3]郭松梅，劉安才，郭虎.基于單片機的可燃有害氣體監測報警裝置[J].儀器儀表用戶，2016，30（05）：23-28.

[4]丁明亮，唐前輝.51單片機應用設計與仿真--基于Keil C與Proteus[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[5]范玉華，謝明.住宅廚房內可燃氣體探測器設置問題分析[J].現代建筑電氣，2019，11（05）：47-52.