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一种简易可燃气体检测报警器的设计控制杂志第5期导语：本文基于ZigBee技术及组网方式，结合国内目前已有的传感器技术，提出了用于温湿度传感器监测的无线传感器网络系统方案。摘要：本文基于ZigBee技术及组网方式，结合国内目前已有的传感器技术，提出了用于温湿度监测的无线传感器网络系统方案。系统由传感器、处理器及监测平台组成。传感器收集网络收集温湿度变量信息，通过ZigBee技术并送到上位机软件显示，分析和存储。本文所研究的可燃性气体报警器包括：传感器，气体信号收集电路、调理电路、模数转化电路、单片机系统电路、报警电路组成，首先利用传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，选择适宜的放大电路，将电压放大到A/D所要求的电压，经过模数转换，将检测的电压值送入单片机，在单片机内完成与设定的电压信号进行比拟，当气体浓度超标时，驱动声音和灯光报警。1引言随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。每年，因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日长生活中需要测量和控制的一个重要问题，为了防止中毒事件再次发生，利用单片机系统进行有效的预防对策。所以提高新的燃气报警产品有重要的实践意义，如何防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。本文正是基于此目的，提出来一种简易家庭式可燃气体检测报警器的设计方案。2系统总体设计思想2.1系统总体设计构造框图本系统总体构造如图1所示，它是以传感器和单片机为核心的报警系统。2.2系统模块的工作原理介绍该系统中传感器与单片机相配合主要完成下面功能：1他们共同配合完成气体信号收集、显示、闪烁报警功能。2系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的准确性及可靠性，成本低，有利于减少报警器的体积。使用AT89C51单片机，选用催化式气敏元件MQ-2传感器作为敏感元件，通过A/D转换器和声光报警电路，设计可用于家用燃气泄漏报警器，仪器的最基本组成部分包括：气体传感器、模数转化电路、AT89C51单片机处理器与声光报警电路。传感器将气体浓度信号转化为模拟的电信号。经过放大电路，将传感器的输出端微弱信号转化为A/D转化器能识别的电压信号范围，单片机对该数字信号进行数字处理，并对处理后的数据进行分析，通过与预设值的比拟，由单片机实现不同的声光报警功能。3系统硬件部分介绍3.1催化燃烧式气体传感器可燃性气体传感器是传感器中的一种，它是用来检测特定气体成分，并将检测的信号转换成电阻、电压、电容等的器件。由于需要检测的气体种类可能很多，性质差异可以能较大，所以单一种类的气体传感器可能检测不到所有的气体成分，而是只能检测其中某一类具有特定性质的气体。本文采用的是催化燃烧式气体传感器，当气体在催化层外表燃烧，使得铂丝线圈温度升高，线圈的电阻值上升，通过测量电阻值变化的大小就能够知道可燃气体的浓度。本文选用的是MQ-2气体传感器，其使用的气敏是二氧化锡SnO2，SnO2在清洁空气中电导率较低的。当环境中的可燃气体的浓度逐步增加时，传感器的电导率也伴随着增大。电导率的变化经过简单的电路转换输出的电压与特定的气体浓度对应。通过电信号的大小能够获得待测气体的相关信息，进而能够进行检测、监控和报警。3.2AT89C51单片机AT89C51单片机的FLASH存储器为4K且为高性能、低电压CMOS8位CPU。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程又可擦除的ROM，能重复擦除1000次。该器件采用的是ATMEL高密度非易失存储器的制造技术，且能与MCS-51输出管脚和指令集兼容。在一个芯片中同时置入8位CPU和FLASH存储器，使得AT89C51愈加高效，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机因其灵敏性高，且成本较低而成为嵌入式控制系统的首选方案。其主要特性如下：14K字节FLASH，可编程；2与MCS-51兼容；3在0Hz-24MHz下全静态工作；41000次重写/擦；5保留数据长达10年；6内部RAM为1288位；7能锁定三级程序存储器；832个可编程I/O口；9中断源5个；1016位定时/计数器两个；11具备时钟电路和片内振荡器；12闲置和掉电形式为低功耗；131个可编程串行通道口。AT89C51封装构造为40条引脚双列直插式，其引脚列如图2所示。其中，有2条电源引脚，2条外接晶体，4条控制引脚，其它为I/O引脚。3.3模数转换ADC0804ADC0804是8位8通道逐次逼近式A/D模拟/数字转换器，是将输入的模拟信号转换成数字信号，信号输入端能够是传感器或转换器的输出，而ADC转化的数字信号提供应微处理器应用愈加广泛。ADC0804是用CMOS集成工艺制成的逐次比拟型模数转换芯片。输入电压范围为0-5V，分辨率为8位，转换时间100us。增加某些外部电路后，输入模拟电压可为5V，该芯片内有输出数据锁存器，当与微处理器连接时，转换电路的输出无需附加逻辑接口电路就能够直接连接在CPU数据总线上。3.4LCD液晶屏与单片机的人机沟通界面中，输出方式一般有下面几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。本系统采用的1602字符型LCD显示模块它是一种专门用于显示字母、数字、符合等点阵式LCD，目前常用16*1、16*2、20*2和40*2行等的模块。在微机系统中应用LCD作为显示器有下面几个优点：显示质量高；数字式接口；体积小、重量轻；功耗低。与其它显示模块相比，液晶显示器的功耗较低，主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因此耗电量比其它显示器要少得多。4系统软件设计4.1主程序设计流程图主程序流程图如图3所示，系统先进行初始化，数据收集的功能：传感器收集气体浓度信号，信号经放大电路，经过A/D转换成AT89C51单片机可识别的数字量。在单片机内部实现将浓度值与预先设定好的报警值比拟，判定能否报警，分200ppm，1000ppm两个浓度等级报警，完善报警功能，使用户愈加便利。4.2软件设计的子程序讲明该系统子程序核心部分包括：A/D转换子程序与浓度转换子程序。其程序语句分别如下。A/D转换子程序：floatget_ADC0804()/计算ADC输入电压5系统总体设计电路图及其讲明应设计要求，本设计通过AT89C51单片机实现，AT89C51单片机的主控电路包括：时钟电路、复位电路。传感器在本设计中实现了把非电量的气体浓度信号转换成电压信号，21世纪，电子技术更新换代非常快，随着电子计算机技术的飞速发展，只能检测，自动控制彰显出了它的优势，通常接触的设备只能解决电信号，所以，需要将被测非电量的信号由传感器转换成电信号。本设计气体浓度信号收集是首要任务，传感器也就在自动控制担任首要的角色，假如传感器不能准确的对原始信号进行收集和转换，所有的自动检测和自动控制系统也就失去了它的意义，传感器的发展关乎着当代科学技术发展的命脉，所以要慎重的选用传感器。当气体浓度到达200ppm时，催化式气体传感器产生模拟电压，ADC0808将传感器产生的模拟信号，转化成AT89C51单片机所能识别的数字量电压量，由AT89C51单片机控制驱动声光报警电路。综上所述，总电路图如图4所示。