0 引言
隨著城鎮(zhèn)管道和罐裝燃氣的推廣普及，由于使用不當和設備老化導致的燃氣泄漏爆炸或中毒事故時有發(fā)生，因此安裝燃氣報警器已越來越受到重視。然而，目前燃氣報警器的發(fā)展很不平衡，由PC機值守的大型集群監(jiān)控系統(tǒng)雖技術先進但價格昂貴，須設專用機房和專人管理，使用范圍局限于條件較好，物業(yè)管理水準較高的住宅區(qū)或單位。而一般的燃氣報警器卻大都存在一些缺陷，有的功能單一，可靠性差，傳感器損壞不易發(fā)現(xiàn)，不能更換，有的產品利用燃氣管道專用電磁閥控制氣源，其安裝需拆動原管路，須報請燃氣公司派專人處理，十分麻煩，因此也難為廣大用戶所用。據此現(xiàn)狀，我們研制了一種基于單片機技術的燃氣泄漏報警與應急處理器。該系統(tǒng)不僅能及時準確地檢測出燃氣的泄漏，進行聲光報警，還能實現(xiàn)自動應急處理（排風和關閉閥門切斷氣源）；傳感器損壞能自查報警，用戶可及時發(fā)現(xiàn)并能自行更換；閥門開閉裝置設計獨特，安裝無需拆動原管路，使用十分方便，因此特別適合于無條件建立或加入集群監(jiān)控系統(tǒng)的廣大燃氣用戶使用。
１ 硬件結構與工作原理
1．1 系統(tǒng)框圖
系統(tǒng)主要由單片機電路、檢測電路、報警電路和應急處理電路組成，其結構如圖1所示。
當有燃氣泄漏時，檢測電路產生“氣——電”信號送單片機，單片機控制蜂鳴器發(fā)出預報警信號，經延時、判斷，確認為事故泄漏后，發(fā)出紅光報警，同時啟動應急處理程序，關閉閥門，切斷氣源，并開啟排風扇排除室內被污染的空氣；若檢測到氣敏元件損壞，系統(tǒng)關閉閥門并點亮黃色報警燈，提示用戶更換氣敏傳感器。
1．2 單片機電路
單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用Atmel公司的AT89C51，其引腳分配如圖2所示。基本外設有晶振電路（18、19腳）和上電復位電路（9腳），氣敏元件損壞信號和燃氣泄漏信號分別從P3.2（INT0）、P3.3（INT1）輸入，作為AT89C51的兩個中斷觸發(fā)信號，下降沿觸發(fā)方式。P1.0、P1.1分別接開關SD1和SD2，用于手動控制排氣扇和燃氣閥門，報警與應急處理驅動信號分別從P2.0～P2.4輸出。
1．3 檢測電路
檢測電路包括燃氣泄漏檢測和氣敏元件損壞檢測兩部分，原理電路如圖3所示。氣敏傳感器選用QM型，這是由金屬氧化物半導體材料制成的“氣——電”轉換器件。當有燃氣泄漏時，其表面會發(fā)生化學吸附，使本身電阻（圖中AA’間的電阻）下降，且燃氣濃度越高，電阻下降越多[1]，利用該特性并通過VT1等元件組成的開關電路即可獲得“氣——電”信號，完成燃氣泄漏的檢測，調節(jié)RP 1可設置不同燃氣的報警限，C2為延時電容，用于減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響。
氣敏傳感器在使用中，其熱絲可能燒斷，但難以發(fā)現(xiàn)，致使用戶在毫不知情的情況下繼續(xù)使用已失效的燃氣報警器。為能及時發(fā)現(xiàn)傳感器的損壞，本系統(tǒng)特別設計了氣敏元件自檢電路（由R3～R7、VT2、VT3等組成）[2]，元件正常時，R3上有電壓信號，如熱絲燒斷，該信號為0，VT3集電極輸出低電平至單片機，點亮黃燈報警，能使用戶及時發(fā)現(xiàn)。同時，氣敏傳感器不直接焊入電路，而是通過七腳電子管座與電路連接，若損壞可方便地從管座中撥出換新，從而解決了更換難的問題。
1．4 聲光報警電路
聲光報警分別由蜂鳴器和紅、黃發(fā)光二極管完成。燃氣濃度大于預報警限時蜂鳴器由單片機輸出低電平，經三極管驅動報警，發(fā)光二極管則由單片機直接驅動，當確認為事故泄漏時，紅色LED點亮，當氣敏元件損壞時，黃色LED工作。
1．5 應急處理電路與閥門開閉裝置
應急處理包括驅動閥門開閉裝置關閉閥門切斷氣源和打開排氣扇排風。
閥門開閉裝置由小型交流電動機（與減速器成一體）、托盤、支架、撥塊等組成。電動機通過托盤及支架取與燃氣管道垂直位安裝于表前閥上，并使機、閥兩軸相對，電動機軸端上固定的撥塊套在閥門軸上，如電動機轉動則閥門軸也隨撥塊轉動，故可模仿人手控制閥門開閉。閥門從開位到閉位或從閉位到開位，閥門軸和電動機軸必須旋轉1/4圈90度，采用軟件編程或通過電路均可實現(xiàn)轉軸的這一定位。為提高適應性，本裝置選用后者，其方法是：利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)輸出去控制電動機的通電時間，電路如圖4所示。當單片機P2.4發(fā)出一負脈沖，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121的3、4腳就會受到一負脈沖觸發(fā)，6腳便輸出一正單脈沖，其脈寬tｗ＝0.7R13C7，而電動機轉動1/4圈所需的時間為T＝1/（4n）＝15/n秒。n為電動機減速后的轉速（單位：圈/分），調節(jié)R13使tｗ=T，則可確保閥門開或閉準確到位。
閥門開閉裝置是為本系統(tǒng)開發(fā)的專用件，除具有結構簡單，造價低(遠低于燃氣管道專用電磁閥)，開閉動作平穩(wěn)，易控，準確等特點外，由于在撥塊和支架等部件上采用了一些特殊的設計，使其具有很強的適應性：不論閥軸長短，管道粗細均能適應；不論灶前閥、表前閥、耳型旋鈕閥、手柄式閥都能安裝；不論閥門或管道橫擺、豎放概能固定，尤為重要的是開閉閥門的控制就在原管道和閥門上進行，無需改動或重新安裝管道和閥門，而且固定、使用、維修、更換都很方便，這就克服了使用專用電磁閥時的缺點，因而容易被廣大新老燃氣用戶所接受。
排風扇也是由三極管與繼電器構成的電路驅動，其原理與圖4類似，不同的是，后者三極管由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出信號驅動，前者則直接由單片機輸出信號驅動。
2 程序設計[3]
程序主要由主程序、外部中斷0和外部中斷1服務程序組成。主程序對系統(tǒng)狀態(tài)初始化時將兩個外部中斷都設置為下降沿觸發(fā)方式，開外部中斷后再進入對手動按鍵的檢測，SD1閉合時開排氣扇，斷開時關排氣扇；與之類似，SD2用來控制閥門的開閉。主程序設計成一死循環(huán)結構，處于隨時可以響應中斷的狀態(tài)，如圖5所示。
當傳感器損壞時，外部中斷0有中斷請求信號，其服務程序完成黃光報警和關閥門功能，如圖6所示。
當傳感器檢測到燃氣泄漏時，外部中斷1有中斷請求信號，其服務程序發(fā)出聲報警控制信號，調用延時程序后，再檢測P3.3的電平，如變?yōu)楦唠娖?，說明剛有的信號是某些干擾或短時可控泄漏（如燃氣灶點火時可能產生的瞬時泄漏）引起的，則關聲報警后返回；如仍為低電平，則判為事故泄漏，須進行應急處理，即刻發(fā)出紅光報警、關閉閥門切斷氣源和打開排氣扇排污。此時若房主不在，系統(tǒng)則進入省電等待狀態(tài)，即：再次檢測P3.3，若為高電平，說明泄漏燃氣已排盡，系統(tǒng)關閉聲報警和排氣扇，但表前閥仍關閉，報警紅燈仍點亮，等待房主回后及時檢查處理，程序流程如圖7所示。
3 結束語
本系統(tǒng)采用單片機技術，實現(xiàn)了控制功能的多樣化和智能化，簡化了電路，降低了成本，提高了穩(wěn)定性；傳感器損壞報警及方便更換的特點，提高了系統(tǒng)的可靠性，延長了整機的使用壽命；閥門開閉裝置的人性化設計，使系統(tǒng)更具有通用性和靈活性；另外，如果利用保留的單片機串口，增設通訊模塊和相關程序，此系統(tǒng)還可作為集群監(jiān)控系統(tǒng)中的下位機和現(xiàn)場執(zhí)行機。在應用中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠、靈敏。與同類報警系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)性價比更高，使用更為方便，因此具有廣闊的應用前景。
參考文獻
[１] 劉迎春,葉湘濱. 現(xiàn)代新型傳感器原理與應用[M].北京：國防工業(yè)出版社,1998.1:153，157
[2 ] 張福學.傳感器應用及其電路精選[M].北京：電子工業(yè)出版社,1992：60
[3] 何立民. MCS－51單片機應用系統(tǒng)設計[M]. 北京：北京航空航天大學出版社 1995.9
下載文檔
