摘  要： 利用基于AT89S52單片機(jī)控制模塊和PT2272,、PT2262編碼解碼的DF無(wú)線通信模塊開(kāi)發(fā)了一種新的天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)，利用MQ-4氣敏傳感器作為氣體濃度檢測(cè)器件,。系統(tǒng)能在可燃?xì)怏w泄漏時(shí),，發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)聲,、光報(bào)警,，同時(shí)通過(guò)自動(dòng)裝置關(guān)閉氣閥，并打開(kāi)排風(fēng)扇,，以處置危險(xiǎn),。該系統(tǒng)在無(wú)人環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和危險(xiǎn)處置的功能，最大程度確保了天然氣使用過(guò)程中人身和財(cái)產(chǎn)的安全,。
關(guān)鍵詞： 天然氣,；監(jiān)控系統(tǒng)；控制模塊,；無(wú)線傳輸,；AT89S52

1 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
　本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為主設(shè)計(jì)控制模塊，配以氣敏傳感器檢測(cè)模塊,、無(wú)線發(fā)送模塊,、無(wú)線接收模塊、報(bào)警模塊和危險(xiǎn)處置模塊構(gòu)成,。該報(bào)警系統(tǒng)利用MQ-4型半導(dǎo)體可燃?xì)饷魝鞲衅鳈z測(cè)模塊,，用以檢測(cè)天然氣的泄漏情況，當(dāng)有天然氣泄漏時(shí),，該模塊將檢測(cè)信號(hào)傳輸給控制模塊用以決策是否需要發(fā)出報(bào)警并啟動(dòng)危險(xiǎn)處置系統(tǒng),。當(dāng)控制模塊確認(rèn)發(fā)生天然氣泄漏時(shí)，首先通過(guò)無(wú)線發(fā)射、接收電路發(fā)出報(bào)警指令,，報(bào)警模塊收到指令后發(fā)出報(bào)警信號(hào),；同時(shí)危險(xiǎn)處置模塊也會(huì)收到報(bào)警指令并動(dòng)作，關(guān)閉天然氣閥門,，并開(kāi)啟排氣扇。當(dāng)泄漏氣體低于報(bào)警閾值時(shí),，控制單元再發(fā)出指令停止警報(bào)和排風(fēng)扇的運(yùn)行,。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的工作電壓為+5 V，報(bào)警閾值為6 000 ppm,，工作溫度范圍0 ℃～40 ℃,，反應(yīng)時(shí)間為1～3 s。其具體的系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

2 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 元件選取
　考慮到系統(tǒng)的兼容性,、實(shí)用性、低成本和節(jié)能性,，選用AT89S52單片機(jī)作為控制模塊,，用PT2262/2272編碼、解碼的無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)315 MHz的無(wú)線數(shù)據(jù)通信,。
　AT89S52單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的一種非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造的低功耗,、高密度CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8 KB在線系統(tǒng)可編程的可反復(fù)擦寫1 000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器,，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu),，可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案[1]。PT2262/PT2272是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS工藝制造的低功耗,、低價(jià)位通用編碼,、解碼電路；PT2262/PT2272最多可有12位（A0~A11）三態(tài)地址端管腳（懸空,、接高電平,、接低電平），12位（A0~A11）三態(tài)地址端管腳任意組合可提供531441地址碼,，PT2262最多可有6位（D0~D5）數(shù)據(jù)端管腳,，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳串行輸出[2]。
　氣體采集模塊采用MQ-4型傳感器,，其對(duì)甲烷,、天然氣有很高的靈敏度、良好的選擇性和重復(fù)性,，且使用壽命長(zhǎng),、穩(wěn)定性好，響應(yīng)時(shí)間短，適宜于長(zhǎng)時(shí)間工作,；驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,，其電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，加熱電壓為5±0.2 V,。MQ-4傳感器輸出信號(hào)比較微弱,，需要經(jīng)過(guò)前置電路對(duì)其進(jìn)行放大、濾波,、電平調(diào)整,，以滿足單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)的要求。氣體采集模塊驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示,。
2.2 系統(tǒng)電路
　天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測(cè)模塊,、無(wú)線發(fā)送模塊、無(wú)線接收模塊,、報(bào)警模塊和危險(xiǎn)處置模塊構(gòu)成,。
2.2.1 氣體采集濃度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
　氣敏傳感器檢測(cè)模塊采集到的氣體信號(hào)通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)紸T89S52作為程序判據(jù)，當(dāng)氣體濃度達(dá)到檢測(cè)上限濃度值時(shí),，AT89S52做出判斷,，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，同時(shí)在數(shù)碼管上顯示出此時(shí)濃度值,。圖3是氣體轉(zhuǎn)換及濃度顯示模塊,，具體連接時(shí)，將圖2中P1插接件的AOUT管腳接圖3中的AOUT標(biāo)志管腳,。

2.2.2 無(wú)線收發(fā)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　無(wú)線收發(fā)模塊系統(tǒng)由DF超再生接收模塊和DF無(wú)線發(fā)射器兩部分組成,。DF模塊必須用信號(hào)調(diào)制才能正常工作，常見(jiàn)的固定碼編碼,、解碼器件如專用編碼,、解碼芯片PT2262/2272，只要簡(jiǎn)單的電路與單片機(jī)I/O接口連接即可實(shí)現(xiàn)編碼,、解碼來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信,。另外，編碼,、解碼模塊輸出腳在模塊內(nèi)部通過(guò)一個(gè)上拉39 kΩ電阻到+5 V,，使用的時(shí)候需要考慮解碼器件的輸入阻抗。

　在本系統(tǒng)中所使用的無(wú)線收發(fā)模塊編碼,、解碼具體電路如圖4所示,。

　DF超再生接收模塊的電路連接及工作原理：模塊工作時(shí)，將PT2272的A0～A7管腳與單片機(jī)I/O口連接或進(jìn)行接地或接Vcc,，作為接收模塊的地址,，進(jìn)行相應(yīng)發(fā)射器的數(shù)據(jù)接收,。將天線接收到的信號(hào)，通過(guò)DIN管腳將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串行通信方式傳給PT2272進(jìn)行解碼,，PT2272首先解碼出地址信息,，并與自身的地址進(jìn)行比較一致后，接著解碼出數(shù)據(jù)信息,，通過(guò)PT2272的D0~D3輸出[2],。在系統(tǒng)組成中將PT2272的D0~D3管腳與單片機(jī)的I/O口輸入管腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀入,，并作為控制功能的執(zhí)行信號(hào),，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。
　DF發(fā)射器模塊的電路連接及工作原理：模塊工作時(shí),，將PT2262的A0～A7管腳接地或接Vcc，作為發(fā)射模塊的地址,，數(shù)據(jù)口D0~D3分別接AT89S52的P0.0～P0.3,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將報(bào)警信號(hào)值賦給P0口的低4位，作為芯片PT2262的4位數(shù)據(jù),，經(jīng)過(guò)PT2262編碼后通過(guò)Dout管腳將地址和數(shù)據(jù)串行輸出,，經(jīng)過(guò)發(fā)射模塊，通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去[2],。
　系統(tǒng)組成時(shí)要求DF超再生接收模塊地址與DF發(fā)射器模塊地址完全一致,，確保系統(tǒng)組網(wǎng)通信的成功。該系統(tǒng)組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)一對(duì)一通信模式,、一對(duì)多通信模式和多對(duì)一通信模式,，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更具有靈活性。
2.2.3 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)
　當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時(shí),，除了顯示濃度外,，還要進(jìn)行聲光報(bào)警。單片機(jī)通過(guò)利用氣敏傳感器采集到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷是否報(bào)警,。燃?xì)鉂舛却笥陬A(yù)報(bào)警閾值時(shí),，單片機(jī)I/O口輸出低電平，可使發(fā)光二極管工作,，產(chǎn)生閃爍的燈光,。同時(shí)，輸出腳Bell輸出高電平,，Q1導(dǎo)通,，致使蜂鳴器Bell帶電工作，發(fā)出報(bào)警聲[4],。聲光報(bào)警電路如圖5所示,。

2.2.4 危險(xiǎn)處置模塊設(shè)計(jì)

　安全氣閥電路主要完成驅(qū)動(dòng)閥門開(kāi)閉裝置關(guān)閉閥門切斷氣源,。具體工作原理是：當(dāng)無(wú)線接收模塊接收到報(bào)警信號(hào)時(shí)，隨即發(fā)出一高電平,，使單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器工作,，接收到一負(fù)脈沖觸發(fā)后單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器便輸出一正單脈沖，然后利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)輸出去控制電動(dòng)機(jī)通電,，驅(qū)動(dòng)閥門關(guān)閉,。排風(fēng)扇電路也是由三極管與繼電器構(gòu)成的電路驅(qū)動(dòng)，其原理與安全氣閥電路類似,。
3 天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試與靈敏度調(diào)整
　天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)整圖2氣體采集電路中Rp可調(diào)電阻來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的測(cè)試范圍和檢測(cè)靈敏度,，本系統(tǒng)所采用的MQ-4型半導(dǎo)體可燃?xì)饷魝鞲衅鳈z測(cè)模塊可測(cè)試天然氣、甲烷的泄漏濃度范圍為300 ppm~ 10 000 ppm,，本系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警閾值為6 000 ppm,，在實(shí)際產(chǎn)品中可以根據(jù)自己的需要調(diào)節(jié)泄漏濃度的報(bào)警閾值。
　本文設(shè)計(jì)的家用天然氣泄漏監(jiān)控系統(tǒng)由氣敏傳感器檢測(cè)模塊,、控制模塊,、無(wú)線收發(fā)模塊、報(bào)警模塊和危險(xiǎn)處置模塊組成,。其中無(wú)線收發(fā)模塊的使用加強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性,，擴(kuò)展了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，更適合家庭的實(shí)際情況,。本設(shè)計(jì)在無(wú)線收發(fā)模塊的基礎(chǔ)上增添了由安全氣閥和排風(fēng)扇組成的危險(xiǎn)處置模塊,，不僅具有報(bào)警功能，而且在無(wú)人看守的情況下能夠?qū)Πl(fā)生的安全隱患及時(shí)排除,，保證財(cái)產(chǎn)的安全,，因此更具有實(shí)際意義。
在實(shí)際應(yīng)用中與同類報(bào)警系統(tǒng)相比,，本系統(tǒng)性價(jià)比更高,，使用更為方便，因此具有廣闊的應(yīng)用前景,。
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