公交车内可燃气体监控预警系统设计

2019-01-15杨秋贤

现代工业经济和信息化 2018年17期

杨秋贤

（吉林化工学院，吉林吉林 132022）

引言

时下，采用混合动力的公交车十分流行，其相对低耗环保的特性使得各大车厂都进行了对应改造。然而用于存储天然气的气罐在漏气时，不易被相关人员察觉，如发生泄漏时驾驶，将造成十分严重的事故。所以在车辆改造时必须为公交车配备危险物体检测装置[1]。通用的大型检测设备因成本、管理和检测耗时等原因不适合在公交车上安装[2]。本设计利用无线通讯的方式设计了一种以STC89C52单片机为控制核心的公交车内可燃气体监测预警系统，在保证检测与报警功能的前提下，实现了小体积化和低成本化。

1 系统总体结构

该系统由可燃气体浓度检测设备和监控报警设备两部分组成，两部分通过无线的方式进行通信。系统采用模块化的设计方案，检测设备包括STC89C52主单片机模块、可燃气体浓度和温湿度信号采集模块、A/D转换模块、nRF24l01无线收发模块、阀门控制模块等；监控报警设备包括STC89C52从单片机模块、nRF24l01无线收发模块、声光报警模块、显示模块、按键模块等。

2 系统电路设计

STC89C52主/从单片机模块：本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片，用来控制整个公交车内可燃气体监测预警系统的工作时序和无线通讯。单片机最小系统由单片机、晶振电路和复位电路共同组成。

nRF24l01无线收发模块：主机检测到相应的标志线后发送数据，从机接收到数据后应答并反馈回自身信息，并执行相应程序。电路如下页图1所示，CE引脚功能为使能发射或接受，由主机的微处理器P0.0 控制；CSN、SCK、MOSI、MISO 为 SPI引脚端，主机的微处理器可通过 P0.5、P0.1、P0.4、P0.2 来配置nRF24l01；IRQ为中断标志位，由主机的微处理器P0.3控制，每发送或接收一帧数据后都会触发单片机外部中断。无线接收电路与从机连接的电路和无线发射电路与主机连接电路相同，区别就是连接的引脚不同。

可燃气体浓度、A/D转换模块：由于STC89C52单片机中不自带A/D转换模块，所以需要使用ADC0832模块作为A/D转换。通过ADC0832模块和MQ-4模块的结合完成可燃气体检测电路的设计。

温湿度信号采集模块：DHT22采用3针脚：引脚1接+5 V电压；引脚2通信端接单片机的P1.4口，实现单片机和传感器的数据交互，当测量距离小于20 m时，可以外接5.1 kΩ上拉电阻实现驱动，否则，应适当减小上拉电阻；引脚3接GND端。

显示模块：单片机的P0端口与1602的DB0-DB7口相接，P2.5、P2.6、P2.7端口分别接1602控制端的E、R/W、RS端口，用来显示可燃气体浓度和温湿度的实时数据。

声光报警模块：采用PNP型三极管对蜂鸣器进行驱动。

按键模块：由2个普通按键组成，用户可根据固定的按键来设置。P2.0口连接的按键S1：切换温湿度显示，P2.1口连接的按键S2：解除声光报警。

阀门控制模块：将电磁继电器与单片机的P0.7口相连，单片机控制引脚输出高电平，则继电器控制电磁阀打开气罐阀门；输出低电平，则继电器控制电磁阀关闭气罐阀门。

图1 无线发射电路与主机连接电路图

3 系统工作过程

当主单片机上电压时，系统开始初始化nRF24l01无线发送模块（地址、信道、通信频率等），通过DHT22温湿度传感器读取当前温湿度，选通 ADC0832的测量通道0，读取天然气浓度传感器输出的0～5 V的模拟量电压值，经过温湿度补偿，计算出当前天然气浓度，并通过无线发送模块将数据打包发送。将该浓度与设定浓度进行比较，若小于后者，则单片机控制引脚输出高电平给继电器，控制电磁阀打开气罐阀门；若大于后者，单片机控制引脚输出低电平给继电器，控制电磁阀关闭气罐阀门，并通过nRF24l01无线发送模块发送报警信号给从单片机。从单片机上电后通过nRF24l01无线接收模块将数据接收，通过LCD显示模块显示出实时的天然气浓度和温湿度，并判断是否产生报警信号。若没有产生报警信号，则继续接收数据；若产生报警信号，则启动声光报警模块，蜂鸣器响起，报警灯亮起。

4 实验测试结果

使用比例调节式混合器，将天然气浓度按照不同的配置从0.1%～1.0%分成若干等份，作为被测样本。在温度25℃、湿度50%RH环境下，用本设计的可燃气体检测装置测试各样本，报警限定值设为60×10-6。经试验，当天然气浓度（质量分数）超过60×10-6时，能够启动声光报警。经过实验证明，在标准温湿度下，该系统的相对误差为±2%，在设计的精度要求范围内，具有很高的实用性。