基于PROTUES甲烷浓度报警器设计及仿真

王立刚

摘要：本文设计一种甲烷浓度报警装置，在甲烷浓度设定的安全门限值后自动报警，并启动排风设备，从而达到实时安全监控作用，它适用于智慧家居或者企业的智慧生产。本文以51单片机为控制器，黑白元件作为气体传感器，详细设计了甲烷浓度报警装置的硬件电路，包括气体检测电路、执行电路、显示电路等，后通过PROTUES软件验证了该电路的可用性，具有一定的实用价值。

Abstract： In this paper， a methane concentration alarm device is designed to automatically alarm when the methane concentration is set to the safety threshold， and the exhaust device is activated to achieve real-time safety monitoring. It is suitable for smart home production of smart homes or enterprises. In this paper， the 51 single-chip microcomputer is used as the controller and the black-and-white component is used as the gas sensor. The hardware circuit of the methane concentration alarm device is designed in detail， including the gas detection circuit， the execution circuit and the display circuit. The availability of the circuit is verified by the PROTUES software. It has certain practical value.

關键词：甲烷浓度;报警;智慧家居;智慧生产;气体传感器

Key words： methane concentration;alarm;smart home;smart production;gas sensor

中图分类号：TP277                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）24-0176-04

0  引言

在社会生产生活中，甲烷气体应用不断扩大，不管是家用天然气，还是工厂生产用气，或者是矿中生产，都有可能意外泄漏的危险，威胁着人们生命安全，因此通过有效设备的检测，当甲烷浓度高于危险值时，能够及时通风或者自动关闭输气管阀门并报警，是一种有效的措施。

1  设计方案

该系统的功能基本要求是：在甲烷浓度设定的安全门限值后自动报警，并启动排风设备，从而达到实时安全监控作用，针对这一功能要求，我们设计了一个基于51单片机的控制方案。

基于单片机控制总体框图如图1所示，系统可以分三个部分，检测部分、控制部分、执行部分。检测部分主要是利用传感器的监测甲烷浓度，它包括气敏传感器、放大电路和A/D转换电路，最后把甲烷浓度模拟量转化为数字量给AT89C51分析计算。接着，AT89C51会根据检测电路传上来的数据进行计算，计算出对应的甲烷浓度，再显示电路显示。当检测电路检测到的可燃性气体浓度超过设定的阈值时，系统便会立即报警，并且控制执行电路，打开风机电机，立即把有害气体排出，降低事故发生。该阈值的设定应该根据具体环境场景和有毒气体对人产生危害或产生爆炸的最低浓度值来制定，也可根据瓦斯浓度超限相关文件规定制[1]。众所周知，用价格更为低廉的51单片机，使整个报警装置价格大幅度的下降，对于大批量生产及普通家庭使用带来了更低的成本。

2  系统的硬件设计

2.1 主控单元的设计

主控单元如图2所示。监控系统的核心将采用 AT89C51单片机，其中包括了复位电路和时钟电路。

2.2 气体检测电路设计

气体检测电路如图3所示，主要包括传感器、放大器、AD转换。黑白元件为检测电路的核心元件，黑白元件的工作原理：该传感器由测量元件（黑色）和补偿元件（白色）两部分构成，两个元件的结构和尺寸均相同，催化元件最里层是铂丝线圈，最外面是载体和催化剂形成的催化外壳，催化剂呈现黑色，故称之“黑元件”[2，3]。当其放置到要检测的气体中，打开电源，工作运行后，在催化元件里面的铂丝线圈由于有工作电流流过而发热，此时如果空气中存在甲烷气体，在一定温度和催化剂作用下，在测量元件上甲烷发生无焰燃烧，使测量元件的温度升高，增加了敏感元件铂丝的电阻值，铂丝既起到加热作用，又是热敏电阻元件。而这时补偿元件的温度保持不变，白元件电阻不变[2]。由惠斯通电桥平衡原理[4]，电桥失去平衡，检测电路就输出一个和浓度成一定比例的微弱电压值。

这里， A/D模数转换我们选择了ADC0809，如图3所示。它将采集到的气体浓度模拟信量转换为数字量。

在惠斯通电桥中，黑白元件串联，作为电桥的一臂，用普通电阻构成电桥的另一臂，再在电桥的两端加上稳定的工作电压U，则电桥的另两端就能够输出一个电压值ΔU，该电压值就是检测得到的与甲烷浓度成比例的一个值[4]。

2.3 显示电路设计

根据上面检测部分的测量信号，此时已转化为数字信号，此数据需要单片机进行调理并计算，将待显示数据传输给显示模块显示。这里，显示模块我们采用LCD1602，如图4所示。并使用单片机P0口作为数据输出口，P2.0、P2.1、P2.2作为读、写、使能端口。

2.4 报警电路设计

报警电路如图5所示，除应用蜂鸣器以外，我们还设计了一个报警LED与蜂鸣器并联，通过声光同时传达危险信号。用单片机P3.7口输出1.2kHz和600Hz的音频信号，间隔时间分别为100ms和200ms，使之产生交替鸣响。后期硬件制作可以使用音频放大器LM386，来进行驱动大功率蜂鸣器[5]。

2.5 执行电路设计

调节执行单元如图6所示，它的目的主要是报警的同时立刻打开抽风机或者换气扇，是毒气能够快速排除到室外。使用AT89C51的P1.4口输出控制电机，我们这里使用的是直流伺服电机，我们这里使用了MOC3041和可控硅SCR组成驱动电路，如图6所示。其中光电耦合器MOC3041的作用是将单片机的弱电系统与驱动电机的大电流电路隔开，以用来保护极易受干扰的单片机控制信号电路。可控硅SCR的作用可认为是一个开关，能够用小电流控制大电流，开启或关断电机，从而控制驱动风扇的电机通断。

本设计除了留有风机电机接口外，后期还可以通过其他端口扩展执行电路，例如添加电磁阀的控制，进一步切断输气管道的阀门等。

3  主程序设计及硬件电路仿真

调试过程主要应用了Keil软件和Proteus软件，Proteus是电路分析、硬件仿真，而Keil是C语言编程开发环境。

3.1 主程序设计

首先，主程序运行先进行自检、初始化，如果是第一次运行，就需要提示用户设置报警阈值并储存，否则读取设置好的阈值参数并开中断;判断串口是否为有效标志位，如果有启动数据采集，采集黑白原件传感器传来的数据，否则复位串口数据有效标志位直至采集数据;判断是否达到预设值，如果达到了预设值，系统报警并打开排气风机或关闭电磁阀等执行机构;存取数据并显示;判断系统是否复位，如果复位了就系统初始化，否则结束。主程序流程图如图7。

按照主程序流程图，用keil编写甲烷报警器C语言程序并导出hex文件，保存。

3.2 系统仿真结果及分析

用Proteus软件设计好系统原理图，把上面保存好的hex文件加载到AT89C51模型中，点击运行进行仿真，如图8所示。设置浓度阈值1500ppm[5，6]，当浓度大于1500ppm时报警。

由于仿真不能实现气体检测电路，这里仅通过滑动变阻器来模拟黑白元件传上来的电压值，再通过程序转换为浓度值。

4  结论

本文以AT89C51单片机为控制器，黑白元件作为气体传感器，详细设计了甲烷浓度报警装置的硬件电路，包括气体检测电路、执行电路、显示电路等，后通过keil设计了系统控制程序，并通过PROTUES软件验证了该电路的可用性，具有一定的参考价值。后续工作还可以把该装置加入到智能家居物联网中，给人们提供安全舒适的居住环境，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]馮凯.基于PLC的选煤厂瓦斯监控系统的研究[D].太原理工大学，2015.

[2]王春梅.基于单片机的智能煤矿瓦斯监控系统的设计[J].计算机测量与控制，2009，17（12）：2458-2460.

[3]韩宁，燕飞，杜广微.基于ARM的嵌入式煤矿安全生产监控终端[J].辽宁工程技术大学学报，2006，25（s1）：168-171.

[4]杨道生，张渝.惠斯通电桥平衡调整过程的直观化设计[J].文山师范高等专科学校学报，2007，20（4）：98-99.

[5]朱高中.基于单片机甲烷浓度监测的研究[J].中国安全生产科学技术，2012（4）：127-131.

[6]张涛.基于单片机的瓦斯浓度检测报警装置的设计与仿真[J].煤炭工程，2014，46（3）：128-130.