隨著石油、煤炭等傳統(tǒng)燃料的減少，可燃氣體在工業(yè)和人們的家庭生活中得到了廣泛的應(yīng)用。這些氣體雖然為人們的生產(chǎn)生活提供便利，創(chuàng)造價值，但仍需對其濃度進行有效監(jiān)控，以防范火災(zāi)、氣體中毒等對人們生命財產(chǎn)造成的危害。

　　本文給出一種基于STC12C5A60S2單片機的可燃氣體報警儀的設(shè)計。硬件方面，先給出總體的設(shè)計方案，然后按功能要求對各硬件電路單元進行分析設(shè)計。軟件方面，依據(jù)硬件的功能，設(shè)計了可燃氣體報警儀的總體方案，并介紹了各功能模塊的實現(xiàn)方法。

　　1基于STC12C5A60S2單片機的可燃氣體報警儀的硬件設(shè)計

　　1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

　　報警儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2為核心，配合其他的外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、按鍵輸入、聲光報警等功能。

　　首先，氣體傳感器送來的微小電壓信號經(jīng)信號調(diào)理單元放大后，轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號傳送給STC12C5A60S2單片機;然后，在單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，濃度比較，線性化處理;最后，將氣體濃度送入LED顯示單元并判斷氣體濃度是否超出報警限值。

　　當氣體濃度處于正常狀態(tài)時，綠燈點亮;當氣體濃度超出設(shè)定限值時，聲光報警單元立即發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮完成對氣體的檢測報警，同時啟動通風(fēng)換氣設(shè)備及時加強通風(fēng)并利用電磁閥關(guān)閉氣體通道，使氣體濃度迅速降低到安全點。該系統(tǒng)還可以通過RS-232總線與上位機進行串口通信，便于在線采集和處理數(shù)據(jù)，更改報警限值等。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1可燃氣體檢測電路

　　本設(shè)計采用費加羅公司生產(chǎn)的一款氣體傳感器TGS813，該氣體傳感器對甲烷等可燃還原性氣體有很高的靈敏度。當存在檢測氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而增加。在實際應(yīng)用中，可使用簡單的電橋電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)化為與該氣體濃度相對應(yīng)的電信號。然而通過電橋電路產(chǎn)生的輸出電壓信號一般比較微弱，需要做適當?shù)恼{(diào)理才可以轉(zhuǎn)換成適合A/D轉(zhuǎn)換的電壓。

　　TGS813數(shù)據(jù)采集電路如圖2所示。圖中R8、R9、R10和氣敏電阻RS構(gòu)成一個電橋，實現(xiàn)電阻到電壓的轉(zhuǎn)換。運算放大器A1A接成電壓跟隨器，和電阻R7、穩(wěn)壓管D1組成穩(wěn)壓電路，為電橋供電。電橋轉(zhuǎn)換后的輸出電壓通過LM324的另外一個運算放電器A2A進行放大，放大的倍數(shù)通過電阻R11進行調(diào)節(jié)，以便輸出合適的電壓供A/D轉(zhuǎn)換。

　　2.2主控單元電路

　　主控單元電路圖如圖3所示，微處理器STC12C5A60S2是一款單時鐘/機器周期的單片機，是高速/低功耗/超強干擾的增強型8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，但是速度快8～12倍。內(nèi)部自帶A/D，D/A轉(zhuǎn)換器、實時時鐘，看門狗等，減少了外圍器件的數(shù)目，降低了系統(tǒng)成本。

　　在圖3中，單片機的外圍連接除了基本的復(fù)位電路，還有溫度補償電路、串口連接電路和鍵盤電路。由于氣體傳感器TGS813的RS隨溫度變化較大，為提高系統(tǒng)精度必須對結(jié)果進行溫度補償或者溫度修正。本系統(tǒng)采用溫度傳感器DS18B20采集溫度，然后用軟件方法對測量值進行溫度修正。RS-232串口的連接，可以實現(xiàn)系統(tǒng)與PC機的通信，可從PC機下載最新的數(shù)據(jù)，也可將檢測數(shù)據(jù)上傳至PC機。

　　鍵盤電路有模式（MODE）、加（+）、減（-）、確認（ENTER）4個獨立的控制按鍵。按下模式鍵，表示系統(tǒng)進入調(diào)試狀態(tài)，此時可以按下+鍵或者-鍵對報警值進行設(shè)定，設(shè)定完畢按ENTER即退出設(shè)定模式。

　　2.3聲光報警電路

　　作為可燃氣體報警儀，聲光報警部分不可缺少，本設(shè)計中的聲光報警電路包括蜂鳴器和紅、黃、綠三個LED報警指示燈。具體表現(xiàn)形式如下：

　　1）紅色燈點亮?xí)r說明環(huán)境中的可燃氣體含量已經(jīng)超過限值，此時黃色和綠色燈熄滅，蜂鳴器發(fā)出聲音報警;

　　2）黃色燈點亮?xí)r說明可以檢測到環(huán)境中可燃氣體的存在，但其濃度沒有達到報警限值，此時紅色和綠色燈熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲;

　　3）綠色燈點亮?xí)r說明傳感器沒有檢測到可燃氣體，一切正常，此時紅色和黃色熄滅，蜂鳴器不發(fā)聲;

　　4）當3種顏色指示燈同時點亮并且蜂鳴器不發(fā)聲，表示系統(tǒng)進入設(shè)定狀態(tài)，可能是模式切換或者進行標定;圖4聲光報警單元聲光報警單元與單片機的連接如上圖4所示，圖中對蜂鳴器的驅(qū)動加入一個PNP三極管，這樣不僅能使蜂鳴器的聲音更加響亮，并且三極管基極電路保證了只有在單片機輸出為低電平時，蜂鳴器才會發(fā)聲，避免了誤報警的發(fā)生。

　　3軟件設(shè)計

　　3.1軟件設(shè)計思想

　　軟件設(shè)計解決的主要問題是氣體濃度信號的A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波、溫度補償、線性化處理、濃度顯示、按鍵設(shè)置以及聲光報警等。由于功能較多，故采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，每個模塊只負責(zé)單獨的一項功能，便于后期的調(diào)試和編譯。

　　3.2主程序設(shè)計

　　系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

　　3.3主程序初始化設(shè)計

　　傳感器預(yù)熱后，程序開始初始化，這部分主要實現(xiàn)I/O口輸入輸出狀態(tài)的設(shè)定、寄存器初始化、中斷使能等功能。

　　3.4數(shù)字濾波子程序設(shè)計

　　氣體傳感器在對氣體濃度采樣時會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，需要對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，具體的方式為：先對N個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下N-2個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，最后將算術(shù)平均值送至寄存器。本文中N取10，即調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換連續(xù)進行10次采樣。

　　3.5按鍵及聲光報警子程序設(shè)計

　　本設(shè)計采用查詢式按鍵結(jié)構(gòu)，定時對按鍵進行掃描，實現(xiàn)對按鍵的動態(tài)監(jiān)控。

　　聲光報警是在氣體濃度超過設(shè)定值時，該裝置被啟動，以提示操作人員采取安全措施或者自動控制相關(guān)安全裝置。為防止誤報，在程序設(shè)計上要對氣體濃度進行快速重復(fù)檢測和延時報警，從而判斷出是管道中氣體的泄漏還是由于打開閥門產(chǎn)生的暫時氣體微量散失。

　　4結(jié)束語

　　本系統(tǒng)采用高性能、集成化的STC12C5A60S2單片機作為核心器件，設(shè)計了適合工業(yè)和小型場合使用的可燃氣體報警儀。在設(shè)計中充分利用其高速數(shù)據(jù)處理能力和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實現(xiàn)了儀器的小型化、智能化。在軟件的設(shè)計中，采用中位值平均數(shù)字濾波算法，對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行濾波處理，最大限度地排除現(xiàn)場干擾，降低可燃氣體報警器的誤報概率，提高了儀器的精確度。