基于A(yíng)T89C51的燃氣泄漏報警器設計

　　0 引言

　　隨著(zhù)城鎮管道和罐裝燃氣的推廣普及，由于使用不當和設備老化導致的燃氣泄漏爆炸或中毒事故時(shí)有發(fā)生，因此安裝燃氣報警器已越來(lái)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控系統雖技術(shù)先進(jìn)但價(jià)格昂貴，須設專(zhuān)用機房和專(zhuān)人管理，使用范圍局限于條件較好，物業(yè)管理水準較高的住宅區或單位。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，不能更換，有的產(chǎn)品利用燃氣管道專(zhuān)用電磁閥控制氣源，其安裝需拆動(dòng)原管路，須報請燃氣公司派專(zhuān)人處理，十分麻煩，因此也難為廣大用戶(hù)所用。據此現狀，我們研制了一種基于單片機技術(shù)的燃氣泄漏報警與應急處理器。該系統不僅能及時(shí)準確地檢測出燃氣的泄漏，進(jìn)行聲光報警，還能實(shí)現自動(dòng)應急處理(排風(fēng)和關(guān)閉閥門(mén)切斷氣源);傳感器損壞能自查報警，用戶(hù)可及時(shí)發(fā)現并能自行更換;閥門(mén)開(kāi)閉裝置設計獨特，安裝無(wú)需拆動(dòng)原管路，使用十分方便，因此特別適合于無(wú)條件建立或加入集群監控系統的廣大燃氣用戶(hù)使用。

　　1　硬件結構與工作原理

　　1.1 系統框圖

　　系統主要由單片機電路、檢測電路、報警電路和應急處理電路組成，其結構如圖1所示。

　　當有燃氣泄漏時(shí)，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)出預報警信號，經(jīng)延時(shí)、判斷，確認為事故泄漏后，發(fā)出紅光報警，同時(shí)啟動(dòng)應急處理程序，關(guān)閉閥門(mén)，切斷氣源，并開(kāi)啟排風(fēng)扇排除室內被污染的空氣;若檢測到氣敏元件損壞，系統關(guān)閉閥門(mén)并點(diǎn)亮黃色報警燈，提示用戶(hù)更換氣敏傳感器。

　　1.2 單片機電路

　　單片機電路是系統控制的核心。單片機選用Atmel公司的AT89C51，其引腳分配如圖2所示?；就庠O有晶振電路(18、19腳)和上電復位電路(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(gè)中斷觸發(fā)信號，下降沿觸發(fā)方式。P1.0、P1.1分別接開(kāi)關(guān)SD1和SD2，用于手動(dòng)控制排氣扇和燃氣閥門(mén)，報警與應急處理驅動(dòng)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體材料制成的“氣——電”轉換器件。當有燃氣泄漏時(shí)，其表面會(huì )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(guò)VT1等元件組成的開(kāi)關(guān)電路即可獲得“氣——電”信號，完成燃氣泄漏的檢測，調節RP 1可設置不同燃氣的報警限，C2為延時(shí)電容，用于減小傳感器初始穩態(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，致使用戶(hù)在毫不知情的情況下繼續使用已失效的燃氣報警器。為能及時(shí)發(fā)現傳感器的損壞，本系統特別設計了氣敏元件自檢電路(由R3～R7、VT2、VT3等組成)[2]，元件正常時(shí)，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(diǎn)亮黃燈報警，能使用戶(hù)及時(shí)發(fā)現。同時(shí)，氣敏傳感器不直接焊入電路，而是通過(guò)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(wèn)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。燃氣濃度大于預報警限時(shí)蜂鳴器由單片機輸出低電平，經(jīng)三極管驅動(dòng)報警，發(fā)光二極管則由單片機直接驅動(dòng)，當確認為事故泄漏時(shí)，紅色LED點(diǎn)亮，當氣敏元件損壞時(shí)，黃色LED工作。

　　1.5 應急處理電路與閥門(mén)開(kāi)閉裝置

　　應急處理包括驅動(dòng)閥門(mén)開(kāi)閉裝置關(guān)閉閥門(mén)切斷氣源和打開(kāi)排氣扇排風(fēng)。

　　閥門(mén)開(kāi)閉裝置由小型交流電動(dòng)機(與減速器成一體)、托盤(pán)、支架、撥塊等組成。電動(dòng)機通過(guò)托盤(pán)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(dòng)機軸端上固定的撥塊套在閥門(mén)軸上，如電動(dòng)機轉動(dòng)則閥門(mén)軸也隨撥塊轉動(dòng)，故可模仿人手控制閥門(mén)開(kāi)閉。閥門(mén)從開(kāi)位到閉位或從閉位到開(kāi)位，閥門(mén)軸和電動(dòng)機軸必須旋轉1/4圈90度，采用軟件編程或通過(guò)電路均可實(shí)現轉軸的這一定位。為提高適應性，本裝置選用后者，其方法是：利用單穩態(tài)觸發(fā)器的暫穩態(tài)輸出去控制電動(dòng)機的通電時(shí)間，電路如圖4所示。當單片機P2.4發(fā)出一負脈沖，單穩態(tài)觸發(fā)器74LS121的3、4腳就會(huì )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(dòng)機轉動(dòng)1/4圈所需的時(shí)間為T(mén)=1/(4n)=15/n秒。n為電動(dòng)機減速后的轉速(單位：圈/分)，調節R13使tw=T，則可確保閥門(mén)開(kāi)或閉準確到位。

　　閥門(mén)開(kāi)閉裝置是為本系統開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用件，除具有結構簡(jiǎn)單，造價(jià)低(遠低于燃氣管道專(zhuān)用電磁閥)，開(kāi)閉動(dòng)作平穩，易控，準確等特點(diǎn)外，由于在撥塊和支架等部件上采用了一些特殊的設計，使其具有很強的適應性：不論閥軸長(cháng)短，管道粗細均能適應;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(mén)或管道橫擺、豎放概能固定，尤為重要的是開(kāi)閉閥門(mén)的控制就在原管道和閥門(mén)上進(jìn)行，無(wú)需改動(dòng)或重新安裝管道和閥門(mén)，而且固定、使用、維修、更換都很方便，這就克服了使用專(zhuān)用電磁閥時(shí)的缺點(diǎn)，因而容易被廣大新老燃氣用戶(hù)所接受。

　　排風(fēng)扇也是由三極管與繼電器構成的電路驅動(dòng)，其原理與圖4類(lèi)似，不同的是，后者三極管由單穩態(tài)觸發(fā)器的輸出信號驅動(dòng)，前者則直接由單片機輸出信號驅動(dòng)。

　　2 程序設計[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。主程序對系統狀態(tài)初始化時(shí)將兩個(gè)外部中斷都設置為下降沿觸發(fā)方式，開(kāi)外部中斷后再進(jìn)入對手動(dòng)按鍵的檢測，SD1閉合時(shí)開(kāi)排氣扇，斷開(kāi)時(shí)關(guān)排氣扇;與之類(lèi)似，SD2用來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)閉。主程序設計成一死循環(huán)結構，處于隨時(shí)可以響應中斷的狀態(tài)，如圖5所示。

　　當傳感器損壞時(shí)，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(mén)功能，如圖6所示。

　　當傳感器檢測到燃氣泄漏時(shí)，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，調用延時(shí)程序后，再檢測P3.3的電平，如變?yōu)楦唠娖?，說(shuō)明剛有的信號是某些干擾或短時(shí)可控泄漏(如燃氣灶點(diǎn)火時(shí)可能產(chǎn)生的瞬時(shí)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(jìn)行應急處理，即刻發(fā)出紅光報警、關(guān)閉閥門(mén)切斷氣源和打開(kāi)排氣扇排污。此時(shí)若房主不在，系統則進(jìn)入省電等待狀態(tài)，即：再次檢測P3.3，若為高電平，說(shuō)明泄漏燃氣已排盡，系統關(guān)閉聲報警和排氣扇，但表前閥仍關(guān)閉，報警紅燈仍點(diǎn)亮，等待房主回后及時(shí)檢查處理，程序流程如圖7所示。

　　3 結束語(yǔ)

　　本系統采用單片機技術(shù)，實(shí)現了控制功能的多樣化和智能化，簡(jiǎn)化了電路，降低了成本，提高了穩定性;傳感器損壞報警及方便更換的特點(diǎn)，提高了系統的可靠性，延長(cháng)了整機的使用壽命;閥門(mén)開(kāi)閉裝置的人性化設計，使系統更具有通用性和靈活性;另外，如果利用保留的單片機串口，增設通訊模塊和相關(guān)程序，此系統還可作為集群監控系統中的下位機和現場(chǎng)執行機。在應用中，系統運行穩定、可靠、靈敏。與同類(lèi)報警系統相比，本系統性?xún)r(jià)比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應用前景。