基于单片机智能化燃气报警器的设计

揭懿晖 李天龙 胡梓东 陈旭辉 黄美莲

摘 要：以单片机和MQ-2传感器为核心设计的一款燃气泄漏报警器，可以实现声光报警功能。该报警器采用了MQ-2气敏传感器和DS18B20温度传感器分别监测燃气泄漏情况和现场温度信息，监测数据通过单片机AT89C51处理后送LCD1602显示。检测数据超过预设阈值，启动声光报警，同时触发L298N驱动风扇运行，进行排气。该报警器系统具有结构简单、性能稳定、价格低廉等优点。

关键词：MQ-2;单片机AT89C51;DS18B20

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.18.128

0 引言

随着我国经济的飞速发展，煤气、天然气、液化气等燃气已成为城市居民的主要燃料[1]。随着人们的生活也在发展和改善，作为发动机的“粮食”——燃料，使用范围也是越来越广，同时燃料使用不当引起的火灾也是越来越多，给居民生活和经济带来很多隐患。针对燃气泄漏所造成的种种事故，本文设计了一款在一定范围内对燃气火灾进行有效预警和制动的报警器，从根源上对火灾险情进行提前预警。本产品具有结构简单，造价便宜，维护成本低等优点。

1 硬件设计

硬件设计主要包括电源模块、气敏传感器模块、温度传感器模块、A/D转换模块、显示模块、单片机处理模块、电磁阀驱动模块等。其工作原理是以AT89C51单片机为核心控制，采用MQ-2传感器和DS18B20温度传感器检测燃气泄漏情况和温度变化信息。检测数据通过AT89C51芯片处理后送LCD1620液晶显示器显示。若检测到的数据超过预设阈值，则触发声光报警，同时继电器动作关闭燃气管道阀门，从而实现报警和安全保护的作用。系统的原理框图如图1所示。

1.1 单片机模块

该报警系统采用了AT89C51单片机智能芯片，选用该芯片主要是考虑经济性和可靠性，采用简单的电阻电容构成的按键电平复位方式[2]。复位电路和时钟电路构成了单片机的最小系统。复位电路由10μF电容和10KΩ电阻构成，在上电瞬间实现系统的复位，也可以利用复位按键实现复位。外连接时钟电路采用了11.0592MHZ的晶振和2个30PF的电容组成，这两种器件在布局上要尽量靠近单片机。单片机最小系统原理图如图2所示。

1.2 传感器模块

本报警系统采用了MQ-2气敏传感器和DS18B20温度传感器模块。MQ-2气敏传感器具有灵敏度高，响应快，稳定性好、抗干扰等优点，可以检测液化气、天然气、酒精等可燃气体。MQ-2传感器由二氧化锡半导体材料制成的N型半导体器件，本设计利用MQ-2传感器对可燃气体浓度进行检测，检测到的模拟信号通过A/D转换芯片ADC0832转换为数字信号，然后送入单片机AT89C51与预设阈值进行对比，判断是否启动报警器。为了提高检测系统的可靠性，同时利用数字温度传感器DS18B20检测周围环境的温度，将检测的温度信号也一并送入单片机与预设阈值对比[3]。传感器检测转换模块电路如图3所示。

1.3 显示模块

显示模块采用液晶显示器LCD1602来实现。由傳感器采集到的模拟信号经过转换芯片ADC0832转换为数字信号后，输送到液晶显示器LCD1602显示。该显示器既可以显示采集到信号，也可以显示预设的温度值和可燃气体的浓度值。其电路如图4所示。

1.4 按键模块

在单片机按键模块中，一般可以分为独立按键与矩阵按键两种形式，根据设计功能所需的按键并不多，所以本次设计选择独立按键即可。其工作原理是按键的一端都接地，另外一端对应连接单片机的IO口，由于单片机端口得电处于高电平，在按键没按下的情况下，单片机端口一直处于高电平，当按下按键时，单片机IO口直接与地相连，单片机IO口就会检测到低电平，单片机检测到低电平的时候，就会执行相对应的程序。所以单片机只要根据IO高低电平变化，即可知道是否有按键按下。在本次设计中采用了4个独立按键，按键SW1为功能设置选择键，按键SW2为加功能，按键SW3为减功能，SW4为复位功能。其按键电路如图5所示。

1.5 声光报警模块

声光报警部分由蜂鸣器和led灯两个模块组成，蜂鸣器模块的驱动采用的是PNP型三极管，只要单片机的I/O口输入低电平，这个三极管导通，蜂鸣器得电发出声音。而led灯模块即由P3.6和P3.7两个I/O口输出，当温度过高P3.6口发出信号，使得红灯得电报警;当烟雾浓度过高P3.7口发出信号，使得黄灯得电报警。其电路如图6所示。

1.6 驱动电路模块

根据AT89C5151单片机的工作特性可知，51单片机IO口输出电流在20mA左右，由于电流过小，使单片机IO口无法直接与电机相连去驱动电机运行，所以51单片机需要设计驱动电路模块。L298N是常用于驱动电路，它可同时驱动两台电机，但是根据设计功能，只需要驱动一个电机即可。根据其功能使用说明，通过在输入端IN1和IN2输入信号，经过逻辑运算后，在输出端OUT1和OUT2输出对应信号与电机相连，即电机由IN1和IN2控制，在输入端任意一个端口输入低电平，其输出端对应输出高电平，从而在输出端口形成电位差，产生电流去驱动电机运行。其电路如图7所示。

2 系统软件设计

温度传感器的温度信号检测和气敏传感器的浓度信号检测由软件编程实现。采集到的信号通过软件进行处理和显示，并判断采集的信号是否超出预设的报警值，若温度超出预设的报警值则启动红灯和声音报警;若燃气浓度值超出预设的报警值则启动黄灯和声音报警，同时启动排气扇进行排气。主程序中包括了初始化、中断功能、输入输出状态的设定等，其工作流程图如图8所示，系统的总电路原理图如图9所示。

3 结语

该报警系统通过检测气体的浓度和环境的温度共同来实现是否发生火灾或是否有燃气气体泄漏，提高了报警的可靠性。该报警系统不仅性能稳定、可靠，而且电路简单，维护成本低等优点。

参考文献：

[1]李晓明.浅析提高计量检定工作质量的有限措施[J].民营科技，2017（01）：58.

[2]马鹏飞.基于单片机的燃气报警器的设计[J].科技展望，2015（16）：78.

[3]张群强，赵巧妮.基于MQ-2型传感器火灾报警系统的设计[J].价值工程，2015（05）：96.

作者简介：揭懿晖（1995-），男，广东廉江人，本科在读，研究方向：电气工程及其自动化。