家用天然气泄漏监控系统设计

摘  要： 利用基于AT89S52单片机控制模块和PT2272、PT2262编码解码的DF无线通信模块开发了一种新的天然气泄漏监控系统，利用MQ-4气敏传感器作为气体浓度检测器件。系统能在可燃气体泄漏时，发出控制指令，实现声、光报警，同时通过自动装置关闭气阀，并打开排风扇，以处置危险。该系统在无人环境下实现自动报警和危险处置的功能，最大程度确保了天然气使用过程中人身和财产的安全。
关键词： 天然气；监控系统；控制模块；无线传输；AT89S52
   1 天然气泄漏监控系统设计方案
　本系统以单片机AT89S52为主设计控制模块，配以气敏传感器检测模块、无线发送模块、无线接收模块、报警模块和危险处置模块构成。该报警系统利用MQ-4型半导体可燃气敏传感器检测模块，用以检测天然气的泄漏情况，当有天然气泄漏时，该模块将检测信号传输给控制模块用以决策是否需要发出报警并启动危险处置系统。当控制模块确认发生天然气泄漏时，首先通过无线发射、接收电路发出报警指令，报警模块收到指令后发出报警信号；同时危险处置模块也会收到报警指令并动作，关闭天然气阀门，并开启排气扇。当泄漏气体低于报警阈值时，控制单元再发出指令停止警报和排风扇的运行。设计该系统的工作电压为+5 V，报警阈值为6 000 ppm，工作温度范围0 ℃～40 ℃，反应时间为1～3 s。其具体的系统框图如图1所示。
   
   2 天然气泄漏监控系统实现
2.1 元件选取
　考虑到系统的兼容性、实用性、低成本和节能性，选用AT89S52单片机作为控制模块，用PT2262/2272编码、解码的无线收发模块实现315 MHz的无线数据通信。
　AT89S52单片机是ATMEL公司生产的一种非易失性存储技术制造的低功耗、高密度CMOS 8位单片机，片内含8 KB在线系统可编程的可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案[1]。PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗、低价位通用编码、解码电路；PT2262/PT2272最多可有12位（A0~A11）三态地址端管脚（悬空、接高电平、接低电平），12位（A0~A11）三态地址端管脚任意组合可提供531441地址码，PT2262最多可有6位（D0~D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出[2]。
　气体采集模块采用MQ-4型传感器，其对甲烷、天然气有很高的灵敏度、良好的选择性和重复性，且使用寿命长、稳定性好，响应时间短，适宜于长时间工作；驱动电路简单，其电路设计电压范围宽，加热电压为5±0.2 V。MQ-4传感器输出信号比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，以满足单片机对输入信号的要求。气体采集模块驱动电路如图2所示。
2.2 系统电路
　天然气泄漏监控系统由气敏传感器检测模块、无线发送模块、无线接收模块、报警模块和危险处置模块构成。
2.2.1 气体采集浓度检测模块设计
　气敏传感器检测模块采集到的气体信号通过ADC0809转换成数字信号传输到AT89S52作为程序判据，当气体浓度达到检测上限浓度值时，AT89S52做出判断，发出报警信号，同时在数码管上显示出此时浓度值。图3是气体转换及浓度显示模块，具体连接时，将图2中P1插接件的AOUT管脚接图3中的AOUT标志管脚。
   
   
2.2.2 无线收发模块系统设计
　无线收发模块系统由DF超再生接收模块和DF无线发射器两部分组成。DF模块必须用信号调制才能正常工作，常见的固定码编码、解码器件如专用编码、解码芯片PT2262/2272，只要简单的电路与单片机I/O接口连接即可实现编码、解码来实现数据通信。另外，编码、解码模块输出脚在模块内部通过一个上拉39 kΩ电阻到+5 V，使用的时候需要考虑解码器件的输入阻抗。
   
   　在本系统中所使用的无线收发模块编码、解码具体电路如图4所示。
   
   　DF超再生接收模块的电路连接及工作原理：模块工作时，将PT2272的A0～A7管脚与单片机I/O口连接或进行接地或接Vcc，作为接收模块的地址，进行相应发射器的数据接收。将天线接收到的信号，通过DIN管脚将接收到的数据通过串行通信方式传给PT2272进行解码，PT2272首先解码出地址信息，并与自身的地址进行比较一致后，接着解码出数据信息，通过PT2272的D0~D3输出[2]。在系统组成中将PT2272的D0~D3管脚与单片机的I/O口输入管脚相连，实现数据的读入，并作为控制功能的执行信号，实现系统的功能。
　DF发射器模块的电路连接及工作原理：模块工作时，将PT2262的A0～A7管脚接地或接Vcc，作为发射模块的地址，数据口D0~D3分别接AT89S52的P0.0～P0.3。系统设计中将报警信号值赋给P0口的低4位，作为芯片PT2262的4位数据，经过PT2262编码后通过Dout管脚将地址和数据串行输出，经过发射模块，通过天线将数据发送出去[2]。
　系统组成时要求DF超再生接收模块地址与DF发射器模块地址完全一致，确保系统组网通信的成功。该系统组网可实现一对一通信模式、一对多通信模式和多对一通信模式，使系统设计更具有灵活性。
2.2.3 报警模块设计
　当发生气体泄漏时，除了显示浓度外，还要进行声光报警。单片机通过利用气敏传感器采集到的数据来判断是否报警。燃气浓度大于预报警阈值时，单片机I/O口输出低电平，可使发光二极管工作，产生闪烁的灯光。同时，输出脚Bell输出高电平，Q1导通，致使蜂鸣器Bell带电工作，发出报警声[4]。声光报警电路如图5所示。
   
   2.2.4 危险处置模块设计