一种家用煤气报警器

一种家用煤气报警器

技术领域

本发明专利涉及单片机技术领域，具体涉及一种家用煤气报警器。

背景技术

随着经济和科学技术的快速发展，人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来 越重视，液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便，人民生活水平的提高，管道煤气 和罐装煤气已深入到寻常百姓家。

我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气和天燃气已成为多数家庭的燃料。 每年，因煤气泄露造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题，造成 的煤气中毒事故，事故发生频率随年增长。因室内煤气浓度过高，引起煤气爆炸的事故也不 少见。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已经成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能 煤气报警系统。目前家用煤气，液化气、天然气作为气体燃料，已用于家庭、旅馆，深入人民 的生活之中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事 故也时有发生。家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷、CO等气体， 甲烷是一种可燃性气体，遇到明火会发生燃烧，当浓度达到一定数量时甚至爆炸，所以如果 在煤气泄漏时打电话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲 烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。众多周知由于CO 与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍，因此，当它进入人体血液循环系统后,就会大 量取代氧而与血红素结合，抑制血液中氧气的释放，使得人体缺氧，从而导致发生头痛、耳 鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒,轻者于康复过程中可能会头昏眼 花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍，严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。

发明专利内容

本发明专利涉及一种家用煤气报警器，本发明采用了AT89S52单片机为报警器的核心 部件，对煤气报警器进行控制，本发明运用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、可靠 性好，由一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较得到 偏差，通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断，八个单元的煤气浓 度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的控 制，整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。

附图说明

图1：煤气泄露测试系统框图。

图2：MQ-9的管脚连接图。

图3：X5045引脚图。

图4：HD7279A引脚图。

图5：差动放大器结构图。

图6：DS12887引脚图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种家用煤气报警器，本发明采用了AT89S52单片机为报警器的 核心部件，对煤气报警器进行控制，本发明运用单片机实现定时控制，电路简单、价格便宜、 可靠性好，由一氧化碳气体传感器对煤气进行检测，将所得的浓度值与设定浓度值相比较 得到偏差，通过对偏差信号的处理获得控制信号，去调节煤气出气阀的通断，八个单元的煤 气浓度对应模拟量利用A/D转换为数字量，并加入了键盘输入，从而实现对家用煤气漏气的 控制，整个系统的硬件电路设计合理，性能安全可靠。

进一步的，本发明通过52系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟 信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和 针对不同气体做出相应的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，从而方便查询和日 后的工作调查。

进一步的，在本发明中，煤气泄露测试报警器装置的主要功能就是快速准确的检 测被测气体中有害气体（主要是CO有毒气体）的在空气中的含量，通过LED显示屏将CO气体 浓度显示出来，与计算机通信端口。所以为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数 据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、看门 狗。煤气泄露测试系统框如图1所示。本设计主要是依靠AT89S52系列的单片机来实现，其中 系统的工作的大概流程如下：起先由装在室内的有毒气体（一氧化碳气体）传感器获得被测 量对象原始信号，经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，再进入数模（A/D）转 换器，把原始模拟的信号转化为数字信号（电信号），从而得到被测对象的数字量信号，传给 单片机，再由单片机进行数据处理，最后得到最终的室内环境一氧化碳浓度值,将此数据通 过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标，如果超标立 即向光隔离接口输出控制信号，通过继电器打开排气扇, 如果超出下限值，切断阀关闭，并 开始进入危险期计时，如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险状态，则有可能排气 扇未能打开，或者房间发生严重一氧化碳气体泄露事故，此时启动预警信号进行光电报警 提示，提示室内人员打开门窗、关闭气源，并迅速撤离事故现场。

进一步的，一氧化碳气体传感器属于气敏传感器，通过A/D转换电路将模拟量转换 成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等相关工作。传 感器作为煤气泄露测试装置报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。本次设 计采用MQ-9半导体气体传感器，MQ-9传感器是装有活性炭过滤器的传感器，从而可以消除 杂质气体的影响，对有机溶剂或其他挥发性气体的灵敏度低，而对氢气和一氧化碳的灵敏 度高，所以非常适合用于检测人工煤制气。此传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和 回路电压（VC）。这个加热器电压（VH）用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度 而施加在集成的加热器上。VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的两端电压 （VRL）。这种传感器具有极性，所以VC需用直流电源。只要能满足传感器的电性要求，回路电 压VC和VH可以共用同一个电源电路。为了将判定值水平最佳化，并使敏感素子的功耗（PS） 低于15mW的限度值，需要选择RL的值。MQ-9的管脚连接如图2所示。

进一步的，52单片机芯片内集成了定时/计数器、中断系统和串行口等基本功能部 件，一块小的芯片就是一个完整的小微机系统，可以应用于简单的测控系统。Atmel公司是 世界著名的Flash存储器制造商。Flash存储器是一种可以反复擦写的电擦/电写闪速存储 器（FPEROM)。控制器部分采用了美国ATMEL公司的AT89S52单片机，AT89S52单片机是一个低 功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序 存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，非易失 性存储技术制造，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微 型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有 如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器 （RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，2个16位可编程定时计数器，5个中断优先级，2层 中断嵌套中断，2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器，看门狗电路。

进一步的，X5045的特点是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一 身的可编程电路。X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。这种组合设计减少了电路对电 路板空间的需求。如果当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET （复位）信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监 控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位， 直到电源电压返回到稳定值为止。X5045的存储器与CPU 可通过串行通信方式接口，共有 4096个位，可以按512 x 8个字节来放置数据。可以存放512个字节，可擦写100万次以上并 且存储100年。X5045的管脚排列如图3 所示，它共有8个引脚，各引脚的功能如下：CS：电路 选择端，低电平有效；SO：串行数据输出端；SI：串行数据输入端；SCK：串行时钟输入端；WP： 写保护输入端，低电平有效；RESET：复位输出端；VCC：电源端；VSS：接地端。

进一步的，作为煤气泄露测试装置，其中声光报警部分不可缺少，当检测到一氧化 碳有毒气体在空气中的所占的浓度比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于 一氧化碳气体含量过高而发生的意外事故。本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、 黄、绿三个LED报警指示灯。单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要 加入一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。三极管基 极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，从而避免了错误报警的发 生。用声音或是灯光报警时，连续的声响或常亮的灯光往往不易被人们的警觉，只有断续的 声音或山所的灯光才能取得最佳的报警效果。就利用时钟翻转P3.5和P1.0来转换电平，产 生短促的报警声音或闪烁灯光。

进一步的，HD7279A的特点是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴极数码管 的智能显示驱动芯片。该芯片可连接多达64个键的键盘矩阵， 并含有去抖动电路。HD7279A 芯片内部有译码器，可以直接接受16进制码，并且具有2种译码方式和多种控制指令。可以 广泛应用在仪器仪表，工业控制，条形显示器，控制面板等领域。串行接口，无需外围元件可 直接驱动LED；各个独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；循环左移和右移指令；具有段 寻址指令，方便控制独立led；64键盘控制器，内含去抖动电路。HD7279A的引脚如图4所示。

进一步的，本设计数模（A/D）转换器选择了TLC2543，该芯片是TLC2543是德州仪器 公司新型模数转换器，具有l2位的分辨率，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程， 提供的最大采样率为66KSPS，供电电流仅需1mA。它除具有通用灵活的串行接口外，还具有 高速的转换器和通用的控制能力。它被广泛运用于数据采集系统。TLC2543是l2位开关电容 逐次逼近型ADC每个器件有三个控制输入端：片选(CS)、输入/输出时钟及地址数据输入端 (DATA INPUT)。它还可以通过一个串行的3态输出端与主处理器或其它外围的串行口通讯， 输出转换结果。通过编程器件的DATA INPUT管脚串行输入的8位通道/方式控制字节的高4 位，可选择11个模拟输入通道中的任一个。可用同样的方法选用另外三个测试电压VREF-、 VREF+、VREF+ + VREF-）/2,用于转换器的枝正或其它用途。通道／方式控制字节的低四位用 于选择输出数据的长度、输出数据的顺序和是否需要单极性或双极性格式。TLC2543使用开 关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。

进一步的，生产与设计中在许多需要用A/D转换和数字采集的单片机系统中，大多 数情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，从而必须通过一个模拟放大器对其进行一定 倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，在这样的情况下，就必须选择一 种符合要求的放大器。本设计中涉及到多个传感器，而且每个传感器的输出信号不一，有些 是输出电压信号，有些是输出电流信号，所以本设计中采用不同的方法作为信号处理。本设 计采用的是LM358放大器，仅需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放 大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。本设计中差动 放大电路结构如图5所示。 LM358内部包括有两个内部频率补偿、独立的、高增益的双运算 放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，同时也适用于双电源工作模式。使用范围 包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

进一步的，DS12887实时钟芯片的特点，可作为IBM AT计算机的时钟和日历；与 MC146818B和DS12887的管脚兼容；在没有外部电源的情况下可工作10年；自带晶振及电池； 可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿；用二进制 码或BCD码代表日历和闹钟信息；有12和24小时两种制式，12小时有AM和PM提示；可选夏令 时模式；可以应用与NMOTOROLA和INTERL两种总线；数据/地址总线可以复用；内建128字节 RAM；可编程方波输出；总线兼容中断（/IRQ）；三种可编程中断。其引脚如图6所示。

进一步的，本设计中DS12887的D0到D7引脚接89S52的P0口作为数据和地址的传送 通道。片选CE由单片机的P2.7控制信号。因为要涉及到外部存储设备的写入和读取，所以 DS12887的RD和WR两个引脚，直接接89S52的RD和WR两个引脚，可以实现外部存储的通信控 制。而AS引脚自然接到单片机的ALE引脚。要使得DS12887可以正常的工作，就必须使得 RESET置于低电位200ms以上，所以在VCC之间连接一个电阻并在GND之间连接一个电容，这 样就可以使得充电时间保持有200MS以上的低电位，并且正常工作接上电源VCC。其余引脚 在本设计中均没有涉及到，所以给于置空处理。

进一步的，本次设计采用固态继电器，固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个 接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。