基于單片機的家用可燃氣泄漏監(jiān)測裝置

盧建軍 張祥銀

(洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934)

0 引言

室內(nèi)可燃氣泄露容易導致家庭發(fā)生火災(zāi)。目前市場上的可燃氣監(jiān)測器往往需要人待在家中才能實現(xiàn)對可燃氣泄露情況的及時處理，功能單一。因此，設(shè)計一種能實現(xiàn)自動監(jiān)測、聲光報警、遠程通知及自動排氣等多功能于一體的智能可燃氣監(jiān)測裝置符合社會需求，能夠確保在室內(nèi)可燃氣泄漏危及人們生命財產(chǎn)安全的第一時間內(nèi)自動采取措施。

1 總體方案及主要硬件的選擇和設(shè)計

本系統(tǒng)總體設(shè)計工作流程為：MQ-5傳感器采集可燃氣的濃度數(shù)據(jù)，STC89C52單片機對接收到的已經(jīng)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行處理，判斷其是否超過報警閾值，若超出，系統(tǒng)自動實現(xiàn)聲光報警，并打開排氣扇排氣，同時利用全球移動通信系統(tǒng)GSM進行串口通信，模塊聯(lián)網(wǎng)后給預先設(shè)置好的用戶發(fā)送短信，及時通知用戶[1]。用戶可通過按鍵模塊對可燃氣濃度報警值進行設(shè)置，或使用復位鍵恢復初始設(shè)置。

1.1 STC89C52單片機

STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路原理如圖1所示。P1端主要接收ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片送出的數(shù)字量，各元器件的引腳都連接到單片機相對應(yīng)的引腳，單片機對各引腳所接元器件進行控制，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。

圖1 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路原理圖

1.2 MQ-5傳感器

MQ-5傳感器的電路原理圖如圖2所示。該傳感器的作用是采集氣體濃度，并通過A/D轉(zhuǎn)換器將濃度值進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。隨著室內(nèi)可燃氣濃度值的升高，傳感器的電阻值就會相應(yīng)地減小，通過IN引腳輸出的模擬電壓值就越大，ADC0809轉(zhuǎn)換芯片得到的模擬量也就越大，從而對室內(nèi)可燃氣濃度進行實時檢測[2]。圖2中，5腳所接的電阻為傳感器的保護電阻，C4為傳感器的濾波電容。

圖2 MQ-5傳感器電路原理圖

1.3 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片

ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的電路原理圖可見圖3。將IN腳接收到的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后再經(jīng)D7-D0腳傳送給單片機的P1端口，單片機執(zhí)行后續(xù)操作。其中ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的CLOCK腳是時鐘信號腳，接到單片機的ALE/PROG腳，因為單片機正常工作時輸出一個時鐘信號給ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片就足夠了，比起用單片機的中斷來產(chǎn)生時鐘信號的方法，這種操作不僅節(jié)省了I/O口，程序上的控制也相對較簡單。START和ALE腳與單片機P3.3(INT1)腳相連、D0～D7腳與單片機P1.0～P1.7腳相連，EOC與單片機P3.6(WR)腳相連，OE與單片機P3.2(INT0)腳相連。

圖3 ADC0809轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖

1.4 LCD1602液晶顯示模塊

LCD的電路原理圖可見圖4。由于STC89C52的P0口沒有上拉電阻，所以不管它的驅(qū)動能力有多大，都相當于它是沒有電源的，所以需要外部電路提供。因此要想輸出高電平，需要接上拉電阻，用于驅(qū)動LCD。LCD的RS腳與單片機P2.3(A11)相連，EN腳與單片機P2.4(A12)腳相連，D0～D7腳與單片機的P0.1(AD0)～P0.7/(AD7)腳相連。

圖4 LCD的電路原理圖

1.5 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊的電路原理圖如圖5所示。當單片機的FS(FS與單片機P3.4(T0)腳相連)輸出一個低電平時，三極管就會導通，線圈上通過電流。由于LED與線圈并聯(lián)，當線圈上通過電流時，LED上也會通過電流開始發(fā)光，提示繼電器在工作。當線圈上開始通電后，開關(guān)K1就會吸合，風扇上流過電流后開始轉(zhuǎn)動，室內(nèi)的可燃氣被排出，濃度得到有效地降低。

圖5 繼電器控制模塊的電路原理圖

1.6 GSM串口通信模塊

GSM串口通信模塊的供電電壓為3.6～4.1V，采用5V供電電壓，為了達到GSM的使用標準，需要串聯(lián)一個二極管用于分壓。當室內(nèi)可燃氣濃度超過報警值時，通過與單片機進行數(shù)據(jù)通信，GSM模塊將會自動向預先設(shè)置好的手機報警號碼發(fā)送短信，提醒用戶“可燃氣泄漏，請及時處理”。

2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括幾個模塊：主機模塊、傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及GSM串口通信模塊。軟件設(shè)計按照以下流程編制：當主機模塊通電后，按下單片機的開關(guān)鍵，系統(tǒng)的命令開始自動執(zhí)行，液晶屏幕模塊進行初始化，MQ-5傳感器開始進行室內(nèi)可燃氣濃度的采集，并將可燃氣濃度轉(zhuǎn)換為電壓值，ADC0809轉(zhuǎn)換芯片對傳感器發(fā)送的模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后發(fā)送給STC89C52單片機，單片機對接收的數(shù)字量進行判斷，當檢測濃度值小于報警濃度值時，不報警；當濃度值超過報警值時，進行聲光報警，同時啟動風扇轉(zhuǎn)動排出泄露的可燃氣，GSM進行串口通信向預先設(shè)置好的手機號碼發(fā)送短信進行報警。

GSM使用中文PDU模式進行中文短信的發(fā)送，相比于Text模式無需額外的軟件進行信息的處理。當可燃氣濃度一直超過報警值時，聲光報警一直運行，但GSM只會發(fā)送一條短信，當可燃氣濃度下降到報警值之下時，恢復正常。當可燃氣濃度再次超出報警值時，再次執(zhí)行上述操作，保證實時監(jiān)測。

使用C語言進行軟件編程，采用Keil4軟件進行程序的編譯。程序編寫完成后進行編譯，檢查沒有錯誤后，將編譯后的程序使用自動下載軟件通過數(shù)據(jù)線將程序下載到開發(fā)板的單片機中，下載完成后將單片機插入可燃氣泄漏監(jiān)測裝置的STC89C52單片機引腳插座上，當硬件電路接通電源后，按下開關(guān)，程序就會開始執(zhí)行。

3 裝置的組裝與調(diào)試

調(diào)試流程：(1)硬件焊接完成后，檢查硬件電路各個元器件的電源端和接地端是否都焊接正確，保證沒有發(fā)生虛焊、短路、斷路等情況；(2)LCD1602液晶調(diào)試：檢查相鄰各引腳是否短路，檢查排阻是否接反；(3)對可燃氣監(jiān)測裝置進行通電，觀察LCD1602是否正常顯示，各元器件有無發(fā)熱情況；(4)繼電器調(diào)試：首先接通電源，打開開關(guān)，繼電器基極對應(yīng)的電阻接單片機接地端，繼電器吸合，則工作正常；(5)獨立按鍵的調(diào)試：將按鍵和單片機對應(yīng)的引腳接通，用萬用表檢查各個按鍵是否工作正常。

組裝后最終實物如圖6所示，圖7中標識的是主機模塊部分主要組件。工作流程為：使用USB線對板子通電，按下按鍵開關(guān)，系統(tǒng)開始自動運行，按下蜂鳴器開關(guān)，蜂鳴器開始工作。LED顯示室內(nèi)可燃氣的濃度值和報警設(shè)置的閾值，綠燈閃爍表示報警系統(tǒng)工作正常。開關(guān)按鍵被按下后，MQ-5傳感器對室內(nèi)可燃氣濃度進行采集，STC89C52單片機對接收到的已經(jīng)轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)進行處理，當單片機判斷室內(nèi)可燃氣濃度超過用戶設(shè)置報警值時，蜂鳴器報警，GSM發(fā)送一條短信給用戶，繼電器線圈通電，開關(guān)吸合，風扇開始轉(zhuǎn)動，室內(nèi)的可燃氣被排出。當室內(nèi)的可燃氣濃度檢測值一直超過蜂鳴器報警閾值時，聲光報警一直運行。當可燃氣濃度下降到報警閾值以下時，恢復正常。當可燃氣濃度再次超出報警值時，再次執(zhí)行上述操作。

可以通過按鍵來手動設(shè)置報警閾值。用戶可通過先按下設(shè)置鍵，再通過報警值加減鍵來調(diào)整室內(nèi)可燃氣濃度報警值，再次按下設(shè)置鍵就完成了對可燃氣濃度報警值的設(shè)置。用戶也可以通過復位鍵來恢復初始設(shè)置[6]。

圖6 組裝實物圖(右邊為排氣扇)

圖7 主機模塊組件標識

4 結(jié)語

本文對家用可燃氣泄漏監(jiān)測裝置進行了設(shè)計，該裝置能夠檢測室內(nèi)可燃氣濃度，在可燃氣濃度超過設(shè)定值時，可自行報警，打開排氣扇排氣，并向用戶發(fā)送短信提醒用戶。