摘 要：煤气作为一种使用方便，利用率高的清洁能源给人们带来了便利，同时煤气泄露产生的严重后果也给我们带来了诸多损失，惨痛的教训让我们心有余悸.煤气报警装置是一种能够对各种室内环境下CO浓度进行实时监控，并且能够在CO浓度含量超出人体承受能力时，发出警报的电子设施.本次设计的煤气报警装置的核心是STC89C52单片机.利用CO气敏传感器模块进行数据采集接收浓度数字信号，再由ADC0832转换电路将具体浓度的模拟信号显示在LCD显示器上，同时将实时的浓度值与设定值进行比对，通过这种数据处理方式对煤气泄露进行有效的监控以及报警.
关键词：CO检测；单片机控制；报警系统
随着科技发展，人民群众的生活水平发生了天翻地覆的变化，煤气已经普遍进入了千家万户，结果使大家都能享用到低廉、洁净的燃料.不可否认的是，煤气的推广使用为广大群众带来了便利，但因为煤气使用不当或管道老化而发生的惨剧也屡见不鲜.通常人们所说的煤气中毒就指的是CO中毒，在一些农村地区，即使没有使用煤气，煤炭的不充分燃烧也会产生大量的CO，但是CO气体是一种没有颜色没有味道也没有刺激性的气体，普通人想察觉它很不容易.CO中毒的原因是其代替O2和肺部的血红蛋白聚集，导致机体缺氧，继而就会产生中毒反应［1-3］.表1简单介绍了在不同浓度环境中，人体的中毒反应.
表1 人在不同CO浓度下的反应
Tab.1 Human responses at different CO concentrations
1 煤气报警装置总体设计的要求
本设计一共分为两部分，即硬件电路部分、软件程序部分.系统总框图如图1所示.
硬件方面利用STC89C52单片机电路制作一氧化碳报警器，主要包括负责数据采集的一氧化碳气体传感器模块、负责显示数据的LCD液晶显示模块、负责设置报警浓度的键盘控制模块、负责把数字信号转换为模拟信号的A/D转换模块、负责报警提醒的声光报警模块以及负责切断煤气源的电磁阀执行模块.
“键盘控制程序”、“ADC0832信号转换程序”、“LCD液晶显示器显示程序”是软件设计的组成部分.优秀的键盘模块设计有助于有效地提高系统的可靠性和稳定性.单片机处理的是数字信号，而传感器只能检测到模拟信号，因此模数转换器ADC0832则不可缺少.当测量的浓度超过提前设置的报警浓度值时，控制报警器报警［4-6］.具体要实现的功能如下：
①平常电磁阀处于开启状态，报警装置也不会报警.
②当室内CO浓度达到100 ppm时，系统应该开启报警状态，蜂鸣器鸣音，LED灯闪烁，电磁阀闭合，阻止煤气泄露.
③当CO浓度降低到100 ppm以下时，系统恢复正常，报警停止.④能够在LCD液晶显示屏上显示实时测试出的CO浓度值.
1.1 硬件设计部分
图2是硬件主电路图.
1）STC89C52单片机的选择
煤气浓度监测模块是以单片机STC89C52为核心进行煤气浓度的采集、数据传输及故障检测.这一款单片机正常运行时功耗很低、性能也比较稳定，完全可以实现简易的单片机的设计，片内集成了高达256字节的运行空间、具有8 K容量的可编程Flash存储器、可以反复擦写1000次、不仅如此它还能支持64 K容量大小的外部存储扩展，并且它的时钟频率可以设置在0～33 MHz之间［7-9］.
2）一氧化碳气体传感器MQ-7介绍
MQ-7是一种采用二氧化锡（SnO2）材料生产而成的传感器，当传感器在低温条件下（1.5 V加热）检测空气中的CO气体时，此时传感器的电导率则会随着CO浓度的增大而变大，然而当传感器在高温条件下（5.0 V加热）工作时，则会对低温条件下吸附的杂散气体进行清洗处理［10-12］.在此次设计过程中，通过将传感器植入到硬件电路中，可以把电导率的变化转化为气体浓度相对应的输出信号.因此，MQ-7气体传感器具有灵敏度高、物美价廉的特点，特别适合于CO气体的检测［13-15］.
图1 系统总框图
Fig.1 General schematic diagram of the system
图2 硬件设计的主电路图电路图
Fig.2 Main circuit diagram of hardware designw
3）报警电路的选择
采用蜂鸣器作为鸣音报警方式，即通过在蜂鸣器两端引入3～15 V的直流工作电压，就可以产生3 kHz左右的蜂鸣振荡音频信号［16-18］.图3给出了声光报警电路，从图中可以看出，LED被接入到电路中，其目的是当蜂鸣器报警时，LED也会立即发光，共同提醒人们此时检测到空气中含有CO气体，同时在LED两端并联了一个1 K的电阻，其目的是通过分压整流的作用进而保护LED的安全性［19］.其中，在报警电路的外围电路连接时，将单片机的P1.0引脚连接到三极管的基极并作为输入端，其高电平有效.具体表现为当P1.0输出高电平“1”时，三极管处于导通状态，此时蜂鸣器通电进而发生报警；相反，输入低电平信号时，由于三极管处于截止状态，蜂鸣器将停止报警.
4）电磁阀执行电路
常开型DC12V电磁阀处于开启状态时不通电，不影响煤气输送，接通电源阀门自动闭合.基于此原理，在该设计中当实际浓度大于设定的报警浓度时，蜂鸣器报警，LED灯闪烁，单片机给继电器一个信号，使电磁阀上电，阀门关闭，以此切断煤气源.保证了人们的生命财产安全［20］.
5）按键控制电路
控制核心单片机的P3.0和P3.1接连加、减两个按键.这样的连接方法使每个独立按键都有一个I/O口与其相连接，极大地减少了程序上的麻烦，通过按增减两个按键，直接设置需要的报警浓度［21］.
图3 声光报警电路
Fig.3 Acousto-optic alarm circuit
1.2 软件设计部分
如图4所示，当电源在整个系统中接通时，STC89C52单片机上电复位首先出现一次，随后主程序开始运行.系统初始化运用在程序开始时，然后显示LCD正常工作；用键扫描来确定是否有键输入，如果有一个按钮按下，处理的关键则是包含在键盘扫描中，然后测量一氧化碳、存储并显示数据.接着进行数据对比由单片机来完成，判断是否需要报警，若单片机从传感器接收的数据与预先设定的报警浓度数值相符，则给蜂鸣器信号，使其报警，最后返回到键盘扫描处.若无需报警，则直接返回到键盘扫描处，重新循环.
总体实物图如图5.
图4 主程序流程图
Fig.4 Main program flow chart
图5 总体实物图
Fig.5 Overall physical map
2 结语
设计的一氧化碳报警器在实践中反复测试，各方面性能均能达到设计要求；LCD液晶显示屏上显示实时测试出的CO浓度值，测量浓度值准确，反应灵敏.当室内CO浓度达到100 ppm时，系统开启报警状态，蜂鸣器鸣音，LED灯闪烁，电磁阀闭合，阻止煤气泄露；当CO浓度降低到100 ppm以下时，系统恢复正常，报警停止.可见在基本的报警功能上，根据实际情况添加了切断煤气源的电磁阀执行电路，使人们的生命财产安全得到了进一步的保障.
