基于AT89C51的燃氣泄漏報警器設(shè)計

　　0 引言

　　隨著城鎮(zhèn)管道和罐裝燃氣的推廣普及，由于使用不當(dāng)和設(shè)備老化導(dǎo)致的燃氣泄漏爆炸或中毒事故時有發(fā)生，因此安裝燃氣報警器已越來越受到重視。然而，目前燃氣報警器的發(fā)展很不平衡，由PC機值守的大型集群監(jiān)控系統(tǒng)雖技術(shù)先進但價格昂貴，須設(shè)專用機房和專人管理，使用范圍局限于條件較好，物業(yè)管理水準(zhǔn)較高的住宅區(qū)或單位。而一般的燃氣報警器卻大都存在一些缺陷，有的功能單一，可靠性差，傳感器損壞不易發(fā)現(xiàn)，不能更換，有的產(chǎn)品利用燃氣管道專用電磁閥控制氣源，其安裝需拆動原管路，須報請燃氣公司派專人處理，十分麻煩，因此也難為廣大用戶所用。據(jù)此現(xiàn)狀，我們研制了一種基于單片機技術(shù)的燃氣泄漏報警與應(yīng)急處理器。該系統(tǒng)不僅能及時準(zhǔn)確地檢測出燃氣的泄漏，進行聲光報警，還能實現(xiàn)自動應(yīng)急處理(排風(fēng)和關(guān)閉閥門切斷氣源);傳感器損壞能自查報警，用戶可及時發(fā)現(xiàn)并能自行更換;閥門開閉裝置設(shè)計獨特，安裝無需拆動原管路，使用十分方便，因此特別適合于無條件建立或加入集群監(jiān)控系統(tǒng)的廣大燃氣用戶使用。

　　1　硬件結(jié)構(gòu)與工作原理

　　1.1 系統(tǒng)框圖

　　系統(tǒng)主要由單片機電路、檢測電路、報警電路和應(yīng)急處理電路組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　當(dāng)有燃氣泄漏時，檢測電路產(chǎn)生“氣——電”信號送單片機，單片機控制蜂鳴器發(fā)出預(yù)報警信號，經(jīng)延時、判斷，確認為事故泄漏后，發(fā)出紅光報警，同時啟動應(yīng)急處理程序，關(guān)閉閥門，切斷氣源，并開啟排風(fēng)扇排除室內(nèi)被污染的空氣;若檢測到氣敏元件損壞，系統(tǒng)關(guān)閉閥門并點亮黃色報警燈，提示用戶更換氣敏傳感器。

　　1.2 單片機電路

　　單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用Atmel公司的AT89C51，其引腳分配如圖2所示?；就庠O(shè)有晶振電路(18、19腳)和上電復(fù)位電路(9腳)，氣敏元件損壞信號和燃氣泄漏信號分別從P3.2(INT0)、P3.3(INT1)輸入，作為AT89C51的兩個中斷觸發(fā)信號，下降沿觸發(fā)方式。P1.0、P1.1分別接開關(guān)SD1和SD2，用于手動控制排氣扇和燃氣閥門，報警與應(yīng)急處理驅(qū)動信號分別從P2.0～P2.4輸出。

　　1.3 檢測電路

　　檢測電路包括燃氣泄漏檢測和氣敏元件損壞檢測兩部分，原理電路如圖3所示。氣敏傳感器選用QM型，這是由金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成的“氣——電”轉(zhuǎn)換器件。當(dāng)有燃氣泄漏時，其表面會發(fā)生化學(xué)吸附，使本身電阻(圖中AA’間的電阻)下降，且燃氣濃度越高，電阻下降越多[1]，利用該特性并通過VT1等元件組成的開關(guān)電路即可獲得“氣——電”信號，完成燃氣泄漏的檢測，調(diào)節(jié)RP 1可設(shè)置不同燃氣的報警限，C2為延時電容，用于減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響。

　　氣敏傳感器在使用中，其熱絲可能燒斷，但難以發(fā)現(xiàn)，致使用戶在毫不知情的情況下繼續(xù)使用已失效的燃氣報警器。為能及時發(fā)現(xiàn)傳感器的損壞，本系統(tǒng)特別設(shè)計了氣敏元件自檢電路(由R3～R7、VT2、VT3等組成)[2]，元件正常時，R3上有電壓信號，如熱絲燒斷，該信號為0，VT3集電極輸出低電平至單片機，點亮黃燈報警，能使用戶及時發(fā)現(xiàn)。同時，氣敏傳感器不直接焊入電路，而是通過七腳電子管座與電路連接，若損壞可方便地從管座中撥出換新，從而解決了更換難的問題。

　　1.4 聲光報警電路

　　聲光報警分別由蜂鳴器和紅、黃發(fā)光二極管完成。燃氣濃度大于預(yù)報警限時蜂鳴器由單片機輸出低電平，經(jīng)三極管驅(qū)動報警，發(fā)光二極管則由單片機直接驅(qū)動，當(dāng)確認為事故泄漏時，紅色LED點亮，當(dāng)氣敏元件損壞時，黃色LED工作。

　　1.5 應(yīng)急處理電路與閥門開閉裝置

　　應(yīng)急處理包括驅(qū)動閥門開閉裝置關(guān)閉閥門切斷氣源和打開排氣扇排風(fēng)。

　　閥門開閉裝置由小型交流電動機(與減速器成一體)、托盤、支架、撥塊等組成。電動機通過托盤及支架取與燃氣管道垂直位安裝于表前閥上，并使機、閥兩軸相對，電動機軸端上固定的撥塊套在閥門軸上，如電動機轉(zhuǎn)動則閥門軸也隨撥塊轉(zhuǎn)動，故可模仿人手控制閥門開閉。閥門從開位到閉位或從閉位到開位，閥門軸和電動機軸必須旋轉(zhuǎn)1/4圈90度，采用軟件編程或通過電路均可實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸的這一定位。為提高適應(yīng)性，本裝置選用后者，其方法是：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)輸出去控制電動機的通電時間，電路如圖4所示。當(dāng)單片機P2.4發(fā)出一負脈沖，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的3、4腳就會受到一負脈沖觸發(fā)，6腳便輸出一正單脈沖，其脈寬tw=0.7R13C7，而電動機轉(zhuǎn)動1/4圈所需的時間為T=1/(4n)=15/n秒。n為電動機減速后的轉(zhuǎn)速(單位：圈/分)，調(diào)節(jié)R13使tw=T，則可確保閥門開或閉準(zhǔn)確到位。

　　閥門開閉裝置是為本系統(tǒng)開發(fā)的專用件，除具有結(jié)構(gòu)簡單，造價低(遠低于燃氣管道專用電磁閥)，開閉動作平穩(wěn)，易控，準(zhǔn)確等特點外，由于在撥塊和支架等部件上采用了一些特殊的設(shè)計，使其具有很強的適應(yīng)性：不論閥軸長短，管道粗細均能適應(yīng);不論灶前閥、表前閥、耳型旋鈕閥、手柄式閥都能安裝;不論閥門或管道橫擺、豎放概能固定，尤為重要的是開閉閥門的控制就在原管道和閥門上進行，無需改動或重新安裝管道和閥門，而且固定、使用、維修、更換都很方便，這就克服了使用專用電磁閥時的缺點，因而容易被廣大新老燃氣用戶所接受。

　　排風(fēng)扇也是由三極管與繼電器構(gòu)成的電路驅(qū)動，其原理與圖4類似，不同的是，后者三極管由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號驅(qū)動，前者則直接由單片機輸出信號驅(qū)動。

　　2 程序設(shè)計[3]

　　程序主要由主程序、外部中斷0和外部中斷1服務(wù)程序組成。主程序?qū)ο到y(tǒng)狀態(tài)初始化時將兩個外部中斷都設(shè)置為下降沿觸發(fā)方式，開外部中斷后再進入對手動按鍵的檢測，SD1閉合時開排氣扇，斷開時關(guān)排氣扇;與之類似，SD2用來控制閥門的開閉。主程序設(shè)計成一死循環(huán)結(jié)構(gòu)，處于隨時可以響應(yīng)中斷的狀態(tài)，如圖5所示。

　　當(dāng)傳感器損壞時，外部中斷0有中斷請求信號，其服務(wù)程序完成黃光報警和關(guān)閥門功能，如圖6所示。

　　當(dāng)傳感器檢測到燃氣泄漏時，外部中斷1有中斷請求信號，其服務(wù)程序發(fā)出聲報警控制信號，調(diào)用延時程序后，再檢測P3.3的電平，如變?yōu)楦唠娖?，說明剛有的信號是某些干擾或短時可控泄漏(如燃氣灶點火時可能產(chǎn)生的瞬時泄漏)引起的，則關(guān)聲報警后返回;如仍為低電平，則判為事故泄漏，須進行應(yīng)急處理，即刻發(fā)出紅光報警、關(guān)閉閥門切斷氣源和打開排氣扇排污。此時若房主不在，系統(tǒng)則進入省電等待狀態(tài)，即：再次檢測P3.3，若為高電平，說明泄漏燃氣已排盡，系統(tǒng)關(guān)閉聲報警和排氣扇，但表前閥仍關(guān)閉，報警紅燈仍點亮，等待房主回后及時檢查處理，程序流程如圖7所示。

　　3 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用單片機技術(shù)，實現(xiàn)了控制功能的多樣化和智能化，簡化了電路，降低了成本，提高了穩(wěn)定性;傳感器損壞報警及方便更換的特點，提高了系統(tǒng)的可靠性，延長了整機的使用壽命;閥門開閉裝置的人性化設(shè)計，使系統(tǒng)更具有通用性和靈活性;另外，如果利用保留的單片機串口，增設(shè)通訊模塊和相關(guān)程序，此系統(tǒng)還可作為集群監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機和現(xiàn)場執(zhí)行機。在應(yīng)用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、靈敏。與同類報警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)性價比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。