易燃气体泄漏自动远程报警系统的设计*

2018-09-06曹冬平朱丽娟彭坤彦马兴峰

山西电子技术 2018年4期

曹冬平，于卫，朱丽娟，彭坤彦，滕藤，马兴峰

(扬州大学，江苏扬州 225121)

0 引言

目前家庭、特种气体厂、高校实验室和化工企业等大量使用可燃气体，可燃气体泄漏遇明火发生的失火和爆炸等重大安全责任事故给人们的生命和财产带来了巨大的损失。市面上现有的易燃气体泄漏自动报警产品功能比较简单，只有现场报警；没有长距离无线遥控报警功能；也没有可靠的自动短信通信报警功能，灵敏度和可靠性也不高。本文设计的易燃气体泄漏自动远程报警系统的目的正是基于上述需求，克服已有的设计和功能缺陷，通过精心设计电路方案、具体的电路硬件和软件设计、精选器件和符合实际情况的调试，设计出一套适合家庭、相关单位和高校实验室使用的稳定可靠的集各种报警技术为一体的新颖实用电子报警装置。

1 易燃气体泄漏自动远程报警系统的功能设计

1.1 能实现现场气体检测

根据需要，现场可布置一个或几个气体探头检测器。只要有一个气体检测器检测到易燃气体泄漏达到或超过设定阈值就立即发出低电平报警信号，因此本报警系统灵敏度高和可靠性好。

1.2 能实现现场报警

当现场出现漏气，并在空间内达到一定阈值浓度时，发出低电平信号控制现场报警电路报警，可以控制TTL电平喇叭报警；也可以控制交流220 V电铃报警。

1.3 能实现无线遥控(值班室)报警

当现场出现易燃气体泄漏，并在空间达到一定浓度时，发出低电平信号控制长距离(空间直线500 m以上)无线遥控发射器工作，装在值班室的接收器接收到信号，即发出报警信号。

1.4 能实现GSM自动短信通信报警

当现场检测到有易燃气体泄漏时，发出低电平信号给单片机。对单片机事先编程，将发送的报警信息内容和绑定的电话号码、发射次数和发射时间间隔通过C语言事先编程到单片机里，通过单片机和GSM短信通信模块的通信，实现由单片机来控制GSM短信通信模块，向绑定的电话号码自动发送短信信息，还可以群发。无论人在何处，都随时能收到报警信息。GSM短信通信模块在应用时，要插入待发送短信的经过注册的电话号码卡。

2 易燃气体泄漏自动远程报警系统的电路方案设计

2.1 系统总体方案设计

当气体检测器检测到一定浓度的气体时，即发出低电平报警信号。设置气体检测A、B两种检测方案，可以同时工作，在现场布置4个气体检测探头(1个探头也可以，可根据需要设定，用开关控制)，只要有1个探头检测到泄漏气体(空间气体达一定浓度:比如0.6～0.8)，气体检测器立即输出低电平报警信号[1]，这样增强了报警的可靠性和灵敏度。低电平报警信号一方面启动现场报警电路工作报警；一方面启动长距离无线发送电路工作，使装在值班室的无线接收电路报警；一方面启动单片机和GSM短信通信系统工作，使GSM短信通信模块自动向主人手机发送短信报警信号。总体方案图见图1。

图1 总体方案图

2.2 气体检测器[2,3]

气体传感器型号很多，在不同的场合下，使用不同型号的气体传感器，不同型号的气体传感器对不同的气体敏感，如QM-N5对CO、CH4、煤气、烟雾敏感；QM-8对H2敏感；QM-NJ9对酒精气体特别敏感；TGS2180对水蒸汽敏感。检测不同气体时，除了传感器不同，电路参数也要根据实际要求做相应的调整。

如图2[4]为气体检测器A 电路，当Q1气体传感器检测到天燃气、液化气、煤气或酒精气体时，A、B两端之间的电导率增加，电阻减少，B点的电位上升，调节Rw1，使电压比较器U1的同相端电位高于反相端电位，其输出端出高电平，经过反相器U2反相后输出低电平。平时没有检测到(一定浓度以下的)气体时输出高电平。R3为限流电阻，D2为5 V的稳压管。图中U1:LM339,D1:IN41。

如图3为气体检测器B电路，当Q2气体传感器检测到天燃气、液化气、煤气或酒精气体时，A、B两端之间的电导率增加，电阻减少，B点的电位上升，调节Rw2，使三极管T1导通，继电器吸合，常开开关闭合，输出低电平。平时没有检测到(一定浓度以下的)气体时输出高电平。Q2可选用QM-N5、QM-NJ9等，T1:9013 ，D3、D4:IN4148,继电器J:JRFDC12V。

图2 气体检测器A

图3 气体检测器B

2.3 现场报警电路[4]

输入Ui为低电平时，通过反相器输出高电平激发555定时器工作，使555定时器输出1kHz信号推动喇叭报警；同时使交流固态继电器工作推动电铃DL发声报警。

2.4 无线发射与接收电路[5]

无线报警系统由无线报警发射器和无线报警接收器组成。每个地方配一个无线报警发射器，当输入端接收到低电平报警信号时，发射器即发出报警信号，安装在值班室的无线接收器接收到信号，即发出报警信息，并同时指示具体位置。

对无线遥控距离要求：空间直线距离要长。针对长距离遥控要求，必须用大功率遥控发射器。如图4，当编码器U10(MC145026)的接收到来自延时定时电路的低电平报警信号时， U10将其地址码(A1～A5)和数据码(D6～D9)作脉冲数码调制，送入大功率放大发射模块，通过发射天线向外发射无线电波。当接收器(解码器)的地址码和发射器(编码器)的地址码一致时，接收器接收发射器发射过来的数据码报警，不同的地方发送不同的数据码。每对接收器和发射器(地址码一致)可实现4个地方报警。DIP1、DIP2是高、低电平选择信号。

图4 大功率遥控发射器

由于发射功率大，因此用电子开关U9控制其接通电源，当低电平报警信号来时，经反相后，U9开通，将电源接入电路；没有报警信号时,电路不接电源，电路就不工作，不耗费电功率，节省了电能。安装时，将大功率放大模块部分和发射天线部分装到楼顶，并做好机械牢固和防水工作。U8为反相器74LS04，U9:CD4066,U11为大功率放大发射模块,E1为发射天线。

如图5，为装在值班室的无线遥控接收电路。接收电路在收到无线电波并解调后，经接收模块U12输出串行码给解码器(U13：MC145027)的数据输入端DI，当编码与解码的地址码一致时，此时编码器中的数据从解码器中的D6～D9数据端对应输出，并一直保持到新数据到来。编码器和解码器的工作频率一致。根据发光管是否点亮判断是否有报警信号，根据哪一个发光管亮判断报警位置，也可只用一只发光管报警。实际使用时，接收天线(E2)和接收模块电路部分装到报警值班室楼顶，并做好机械牢固和防水工作。该无线发送和接收系统的特点：

1) 没有方向性，抗干扰能力强，也不会对其它设备产生干扰；

2) 能够穿透建筑物、机箱、金属设备等阻隔；

3) 遥控距离远，空间直线距离长达300 m～1 000 m。

2.5 GSM自动短信通信系统[6-9]

GSM即为全球移动通信系统(Global System of Mobile communicatio)，图6为 GSM 自动短信通信系统示意图，分单片机和GSM模块两部分。要实现GSM短信通信模块自动向主人手机发送报警信号，首先对单片机最小应用系统编程，将接收信息的电话号码(群发时有若干号码)、待发送的报警信息内容、发送次数和时间间隔等内容事先用C语言编程到单片机里，再通过单片机与GSM通信模块通信，实现单片机控制GSM短信通信模块工作，在单片机最小应用系统的P10口接收到 “0”电平报警信号时，即控制GSM模块电路自动向用户手机发出短信报警信号。GSM模块在应用时，要插入待发送短信的经过注册的电话号码卡。