瓦斯检测报警专家控制系统的设计

◎岳俊 华从欢

引言：矿井之中经常会因瓦斯泄漏而造成大量的人员伤亡以及财产损失。据统计80%的居民楼的火灾都是因为瓦斯泄露而引起的，而大部分的矿难都是因为瓦斯爆炸。所以瓦斯的检测与报警是十分必要的研究课题。目前，随着科技的不断发展和进步，人们的要求越来越高，瓦斯检测仪器的向智能化与自动化是必然的研究趋向。基于单片机的瓦斯检测报警专家系统产生了需求的必要。

一、总体方案设计

本瓦斯检测报警系统采用半导体气敏传感器作为检测仪器，核心处理器采用了国产的STC89C52单片机，以ADC0832数模转换模块所组成的系统。

按照系统设计功能的要求，确定系统由以下几个模块组成：主控制器，瓦斯测量检测电路，模数转换电路，数据显示电路和报警电路。

主控芯片的选择：选择使用STC89C52单片机作为主要的系统核心。此单片机价格低廉、使用简单方便，功率小，特别较经济实惠。测量瓦斯浓度的选择方案：在600℃时，某些金属氧化物吸附不同的气体后电阻会发生变化，利用这一原理可实现瓦斯浓度的测量。气敏半导体制造简单，价格低廉，使用方便。使用气敏半导体测量瓦斯浓度，操作简单，成本低廉。显示模块方案：选择LED7段数码管作为显示屏，它由七个发光二极管组成，所以几个低，操作也十分简单。但是对比LCD1602，它不能显示汉字，而且易出故障。蜂鸣器的选择：蜂鸣器是一种非常常用的报警发生模块，选择有源压电式蜂鸣器。模数转换选择：选择了8ADC0832芯片，ADC0832拥有两个模/数转换通道，可以同时进行模拟信号和数字信号的转换。在进行工作时反应快，灵敏度高，转换时间短，采用直流电源作为激励源，功率也比较低，可以广泛应用于大多数的检测装置中。

二、硬件系统设计

本系统由气敏电阻传感器检测瓦斯浓度，用ADC0832转换其进行模拟信号与数字信号的转换，将测得的数值显示在显示屏上，经由单片机处理后判断是否超过设定阈值，最后由蜂鸣器发出警报。

单片机最小系统有三个部分组成，分别是单片机、时钟电路和复位电路。

蜂鸣器消耗的功率比较高，所以在工作时需要的电流比较大，但是单片机的I/O接口的输出电流比较小，无法驱动蜂鸣器，所以需要构建一个由三极管构成的放大电路。蜂鸣器内部是一个电感，因此蜂鸣器必须在稳定的工作环境中运行，不能突变，因此为了稳定蜂鸣器的工作电流，我们需要用一个二极管来构建一个续流电路。否则，蜂鸣器在工作时可能会在电感的两端产生一个高峰值的电压，蜂鸣器的驱动三极管就会被电压击穿，并且很有可能损坏整个系统的其它模块。并且为了保证蜂鸣器在正确的情况下发出报警不会受到其他干扰，我们还需要加上一个电容，构成一个滤波电路，来过滤掉报警模块产生的纹波，防止对其他系统造成冲突，也能够起到提高系统阻抗的作用。

气敏电阻检测空气中的瓦斯含量，测量得到的数据经由ADC0832的模/数转换，变成数字信号上传到单片机，然后显示在显示屏上。

本系统的显示模块选用的是标准的工业字符型液晶显示屏，能同时显示三十二个字符，包括字母、数字和文字。它拥有小巧的体积，功耗也特别的低，可以减轻整个系统的运载负担。

三、软件系统的设计

软件系统设计的原则：软件系统是控制和协调芯片外部可控设备的系统，这个系统是不需要人为干涉的多个独立程序的合集。主要功能是监控，调度和自我维护计算机系统，负责管理软件系统中各个独立的硬件，使得它们可以构成一个可以相互沟通，相互交换数据的系统。

主体程序流程图设计：本系统的主题设计流程如下：首先启动程序，程序初始化后从感应模块读取监测数据，单片机处理后显示在显示模块上并与设定的数值进行对比，判断是否报警。

感应模块设计：瓦斯感应模块及数据转换模块设计，ADC0832读取并转换出电子数据的过程是严格遵循总线协议的，这样可以确保读取数据的时序性和转换数据的准确性。而STC89C52可以通过时序性来读取ADC0832发出的数据并且写入到显示屏中。这个过程包括初始化，读取数据，转换数据，转换为十进制，写入数据。

显示模块的软件设计：LCD1602的显示原理是点阵显示，每个点阵中的点的数据为1时点亮，数据为0时则不点亮，由此可以显示字母，数字以及文字。当我们想要在显示屏上显示数据时，只需要确定数据要显示几行几列，就可以找到点阵所对应的IP，在这个IP上设立一个起始点，输入数据的数据代码就能够显示出数据了。

报警模块的软件设计：蜂鸣器的报警原理比较简单，当输入信号为高电平时，蜂鸣器的压电片发生形变，蜂鸣器发出报警，当输入信号为低电平时，不会发出报警。

四、系统仿真实验结果分析

系统仿真使用的Proteus软件。在设定检测阈值方面使用了两个按键来调整检测阈值。气敏传感器检测数据，在AD转换器处理后输出到单片机，再由单片机发送到显示屏幕上，并且判断是否超过检测阈值。当检测的瓦斯浓度超过设定的阈值时，蜂鸣器就会运行，发出报警声。经由多次的仿真实验，可以确定该仿真与最初的设计基本一致，并且达到了最初的基本要求。

五、总结

本次设计能够实现瓦斯检测报警仪器能够是现在各种环境下正常运转，实现对瓦斯的浓度的准确测量，同时仪器还增加了蜂鸣器作为报警模块。当瓦斯浓度超过警报值时，系统会及时的发出报警声音，提示管理人员及时的作出处理，避免一些危险的后果出现。同时，本次设计中加入了数码管显示器，使整个系统能够实时的显示当前的各种数据信息，方便人员进行观察和根据数据做出合适的处理。