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摘要：当前随着社会的发展，天然气、液化气等燃料已经成为了居民日常使用的主要燃料，但是在实际生活中，由于人们的疏忽以及燃气设备的故障等，会出现燃气泄露的问题，严重时还会引发火灾和爆炸等重大安全事故，不仅会给人们造成一定的经济损失，甚至还会造成一定的人员伤亡。本文主要研究以单片机为核心的燃气报警器的设计，以期通过发挥报警器的功能，减少燃气泄漏事件的发生。
关键词：单片机；燃气报警器；设计；作用
近年来，随着燃气泄漏事故的频发以及人们安全意识的提升，人们开始普遍注重燃气报警器的使用。然而当前市场中的燃气报警器大部分都存在一定的缺陷，只具备监测与燃气泄漏报警功能，而且监测和显示的精确程度不够，造价也较高。而笔者在实践过程中发现采用气敏传感器和单片机二者结合的燃气报警器各方面的性能都相对较高，检测精度较高，而且造价远远低于目前市场上的报警器，具有一定的实用价值，下面具体介绍该项设计。
1.燃气报警器的作用
1.1燃气泄漏报警功能
燃气泄漏报警是燃气报警器的主要功能，可以有效避免燃气泄漏所造成的经济损失和人员伤亡。燃气报警器的感应器在检测到发生燃气泄漏时会产生相应的输出脉冲，控制器在接受到感应器的输出脉冲后会做出相应的判断和处理，启动报警功能，同时显示当前泄漏的燃气量，并自动将燃气阀门关闭，开启排风扇，降低室内燃气浓度，并及时将燃气泄漏的情况反映至用户。通过这一列的操作可以有效避免燃气泄漏所造的火灾或者爆炸事故。
1.2燃气消耗量读取功能
目前使用的燃气表除了具备常规的燃气显示的功能外，还具备脉冲输出的功能，按照用户消耗燃气的量输出一定比例脉冲信号，燃气报警器在接收到脉冲信号之后，会实时显示出当前用户燃气消耗量，并可以供用户读取。
2.基于单片机的燃气报警器设计原理
本燃气报警器的设计主要以单片机为报警器的核心，同时配置气敏传感器与温度传感器，从而实现对室内环境中燃气泄漏情况和室内温度的监测，监测的信息经过单片机的处理后实时显示在燃气报警器的显示器上，用户可以随时进行读取。若气敏传感器检测到当前室内出现燃气泄漏的情况，且温度传感器检测到室内环境的温度较高，会快速将检测信息反馈至单片机，单片机快速做出判断和反应，触发声光报警系统，并自动关闭燃气阀门，阻止燃气进一步泄漏，同时自动启动排气扇，降低室内燃气浓度，避免引发火灾或者爆炸。出发燃气报警器的室内燃气泄漏浓度用户可以通过报警器上的按键进行设置和调节。本燃气报警器具体的设计原理如下图所示：
燃气报警器设计原理示意图
3.燃气报警器硬件电路设计
3.1检测电路设计
在本燃气警报器中检测电路主要由温度传感器电路、气敏传感器电路以及延时电路共同构成，具体如下图所示。气敏传感器电路主要由敏感性材料制作而成，在常温环境中其固有的电阻Ra在~之间，而当空气当中的燃气浓度出现上升时，其电阻值会随燃气浓度的上升而减小，回路电流会开始增加，这就使得负载电阻两端的输出电压会逐渐增加。温度传感器电路主要是由与电阻所组成，当所监测环境中的温度出现下降时，电阻会随温度下降而增大，从而补偿输出电压。延时电路主要是由晶闸管、热敏电阻和电阻共同组成。燃气报警器通电时，热敏电阻值较小，气敏电阻值也较小，晶闸管开始导通，电流经过然后回到负极，起到对负载输出的电压的限幅作用。当燃气报警器通电2min左右时，热敏电阻值达到最大值，此时延时电路开始停止工作，且Ra电阻也开始增大，检测电路整体进入正常运行状态。
检测电路设计示意图
3.2控制和显示电路设计
控制和显示电路主要由单片机、显示器以及键盘电路共同构成，本燃气报警器的单片机采用的是单片机，其口内设置有转换器，检测电路输出端可以直接连接到单片机口，不需要另行添加转换器，一定程度上降低了成产成本。显示器使用12864液晶显示器，显示器可以显示文字、数字、字符，可以直接与单片机连接，显示单片机输出的信息。键盘电路使用独立式的键盘，分别为“+”键、“-”键以及功能键。单片机极其外围的电路设计如下图：
单片机极其外围的电路设计示意图
3.3电路参数调整测试
本燃气报警器所显示的数值为空气中泄漏燃气的浓度，但是气敏传感器向单片机的输出信号为电压信号，需要单片机对电压信号进行转化，将电压值转化为具体的数值，然后通过换算显示当前空气中泄漏燃气的浓度百分数。此外，由于空气中泄漏燃气浓度和检测电路的输出电压间为非线性关系，需要通过实验来确定二者之间的相互对应关系，具体操作为，调整燃气报警器的零点以及满量程值，当检测到空气中泄漏燃气的浓度是0时，检测电路的输出电压也是0；当检测到空气中泄漏燃气浓度达到100%时，调整电阻阻值，使检测电路的输出电压为3。其余的数值可以依据此方法在实验过程中一一获取到。然后再利用软件查表方式计算出表格数据。这样可以有效保证检测的精度。
4.燃气报警器软件设计
燃气报警器的软件设计方面主要由三方面构成，分别是转换软件、键盘扫描软件以及显示驱动软件。转换软件的设计：先将单片机口内的转换器，进行状态的转换，并设置相应的转换通道，以便单片机可以将温度传感器和器皿传感器的输出信号进行转化。键盘扫描软件设计主要采用独立式设计，其需要的程序相对比较简单。显示驱动软件的设计需要按照报警器的显示要求进行，编写完之后需要进行测试。具体如下图所示：
软件程序框示意图
5.燃气报警器整体测试
首先将编写好的软件程序录入到单片机当中，然后进行不通电测试，即不接通电路测试显示器输出数值是否精确。先模拟输入0的电压值，检查显示器是否显示当前空气中泄漏燃气浓度为0；然后模拟输入3的电压值，检查显示器是否显示当前空气中泄漏燃气浓度为100%。此外还可以随机选择模拟电压值进行检测，经过多次测量之后，进行综合分析，如果显示器显示的数值误差在5%以内，即测试结果正常，若显示器显示数值的误差超过5%，则需要在此进行实验调整，以确保显示的精度。调整后，在此进行不通电模拟测试，直到显示误差达到合理范围内为准。其次进行通电测试，选择一个封闭的较小的环境，安装好燃气报警器，向空气中缓慢释放燃气，测试燃气报警器是否能有效检测到环境中的变化，并及时触发报警装置，并启动其他防护措施。测试结束后，确定其实际效果达到使用标准即可投入使用。
结语
综上所述，随着煤气、天然气等气体燃料的普及，防止燃气泄漏问题必然会越来越重要，因此，对于燃气报警器的研究具有极大的现实意义。本文根据笔者的研究，以单片机为核心设计了一款燃气报警器，根据实际测试效果，其显示器显示精度较高，反应极为快速，而且这款燃气报警器的造价相对较低，适合居民住宅中使用，可以有效防范燃气泄漏的发生，具有一定的实用价值。
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论文作者:奚亮
论文发表刊物:《科技新时代》2019年4期
论文发表时间:2019/6/17
标签：燃气论文; 报警器论文; 单片机论文; 电路论文; 浓度论文; 电压论文; 测试论文; 《科技新时代》2019年4期论文;