摘 要
由于经济和科技的飞速发展，人们开始更加重视生活质量的提高和生活环境的改善。作为清洁能源的天然气进入万千民众家中得到广泛使用，给民众的生活带来诸多便利，减少了城市的空气污染，还提高了人们的生活质量和效率。但是随着城市密集型住宅区的增加，更需要重视住户的安全问题，天然气作为隐形的"危险品"潜伏在我们身边，如果管道和阀门的密封性能不合格，一旦发生泄漏特别容易发生事故，威胁民众的生命及财产的安全。对此，针对家庭用户，在厨房等有易燃气体的场所安装报警器，能够帮助用户时刻监测这些危险气体的变化，避免发生爆炸和中毒事故，会成为未来的发展方向。因此，本文对以上问题，设计出了天然气泄漏报警器。
此设计主要利用了MQ-5传感器采集气体的浓度信号，由系统设置浓度和电压之间的关系，令浓度与电压发生转换、能够显示出当下天然气浓度与声光提示报警构成的报警装置。该检测系统能够检测出当下天然气的浓度，检测出的天然气浓度不超过设定报警设定值的时候，数码管显示器仅显示测出的可燃气体浓度;如果传感器检测出天然气浓度高于系统设定的报警阈值时，系统会给出声光报警，并且还附带语音提醒。结果表明整套系统表现出良好的检测性能和安全性能。
关键词：天然气；气体泄漏报警；MQ-5传感器；安全
3天然气泄露报警的硬件部分设计
3.1 STC89C52单片机
单片机，以前运用在工业的控制方面，也被称为微控制器。这个设计当时是为了让更多的功能集中在一个体积虽小但是更加完善的计算机系统中，这样使得高度集中的系统能够被用在更加严格要求的控制设备。因特尔当时设计出一款名叫Z80的处理器，从此款处理器问世以后，单片机和专用处理器便不再一起被发展。
最早以前的单片机通常是4位或8位的。最熟知的便是因特尔的8031，它的使用方式简单，又非常可靠，收获了无数的赞美。随着科技的进步，也应对工业生产的要求，后来又研制出16位的单片机，但是因为当时的消费能力，单片机的发展受到阻碍。到90年代的电子消费热潮时期，单片机又一次站在了电子产品历史的主舞台。处理能力翻倍增长，制造成本不再高昂，当时32位高端单片机的性能可以直追专用处理器。此时单片机的工作环境已经不仅仅是裸机的环境下了，曾被应用在各种高端的掌上电脑与手机上。
此设计选用STC89C52单片机，低成本、低功耗和超强的抗干扰能力是我们设计的首选。如果我们想要修改程序可以选择用+5V或+12V的电压直接擦除即可，使用起来非常方便，8K的程序储存器使用起来也非常方便，如图3.1为单片机的管脚图。
图3.1 单片机芯片管脚图
3.2 传感器的选择
此系统为了检测环境中天然气的浓度，而天然气中首要的气体成分为甲烷（CH4），需求直接监测的是空气中的CH4浓度，直接选择使用气敏传感器作为此次的主要部件。环境空气的成分有许多种，往往有我们不需要的因素会影响测量的准确性，所以必须精挑细选一款只对甲烷灵敏，对其他气体不灵敏的传感器，最终对比过后选择用这款MQ-5气敏传感器。此传感器具有很高的敏感度、良好的检测性、成本低、长时间稳定工作。MQ-5传感器是由微型三氧化二铝陶瓷管为包装、灵敏层主要由二氧化锡组成，在它的内部是用塑料或者不锈钢制成的，里面的核心是测量电极，除此之外还有一个加热器，加热器对此元件非常重要，它负责给测量用的气敏元件提供了工作环境[2]。气敏元件是把6只管脚封装在它的内部，其中有4个管脚负责提取信号的任务，另外两个管脚就负责接通加热的电流线，在测量中按照等效电路来计算与之相对应的校对数值。MQ-5传感器是由两部分构成了它的标准回路：第一部分是用来加热的，第二部分是用来表示电阻值的输出回路。图3.3为MQ-5传感器电路图。
图3.3 MQ-5传感器电路图
MQ-5传感器的应用特点：
MQ-5传感器在环境空气中，对可燃烧的成分相当敏感，本设计的核心就是监测可燃气体，当然是首选。二氧化锡的物理特性是导电率很低，非常适合做气敏材料。当传感器监测到周围的环境中包含可燃气体时，MQ-5气敏元件随着在它左右可燃气体的浓度升高，内部的元件的导电率也开始增加，导电率变化内部的电流也会增大，再由信号输出[3]。多种可燃气体都可以被此传感器监测到，更是提高了报警器的安全性和价值，加上低廉的制作成本，非常适合本次设计。
3.4 键盘电路
此设计一共用了4个独立按键：一个为设置键，长按可以进入设置报警阈值界面；一个为按键加，在报警值设置界面按下可以让预定值增大；一个为按键减，在报警值设置界面按下会让预定值减小；一个录音键，本次报警器加入了语音报警系统，可以将自己的声音录进系统中，长按进入录音界面，此时按下可以开始录音。单片机初始输出高电平，当使用者按下按键后，输出低电平，单片机才会处理这个输出的信号。键盘电路如图3.5所示。
图3.5 键盘电路图
4 天燃气泄漏检测报警系统的软件部分
4.1 软件介绍
本次的软件编写部分是用keil C51进行编写。Keil C51是美国Keil Software公司生产的51系列兼容单片机c语言软件开发系统，能够完美兼容之前版本的文件，提供了许多开发方案：C编译器、宏汇编等。Keil C51生成目标代码的效率非常高，由语句编写出的汇编代码很紧凑，容易理解。Keil C51软件更加适合用C语言去创作，不容易出错还简单易上手。Keil C51软件界面如图4.1所示。
图4.1 Keil 5软件界面
本次的电路设计选用的是Altium Designer，Altium Designer非常强大，从各方面为设计者提供便捷，全面的布局能力使它在软件界叱咤风云，多重技术的加持让开发更加得心应手，为使用者避免了很多细小问题的发生，节省了使用者的大量时间。
在使用AD绘画的电路图和PCB之前，先简单介绍一下其库文件。每个AD软件都包含两个基库Miscellaneous Devices.IntLib和Miscellaneous Connectors.IntLib。MiscellaneousDevices.IntLib库主要包括我们经常使用的电阻、电容器、电感、控制芯片等。Miscellaneous Connectors.IntLib库主要包括我们常用的接口库。当然，如果需要这两个基础资料库中没有的零件，可以在Altium官方网站寻找下载，而我们完全可以先建立我们自己的库，为其中添加一下自己常用的图。
电路图完成后，需要检查电路是否完全满足我们的要求，然后进行电气规格检查，修正所有的错误，完成所有的规格检查，检查是否有错误，还需要检查我们的所有部件的包装是否合格。
4.2 主程序框图
本次主程序设计首先初始化LCD1602液晶显示器，由MQ-5气敏传感器测得的模拟量交给ADC0809转换，下一步读取转换出的数值，在LCD1602液晶显示器中显示具体的数值是多少，判断设置的状态，接下来语音播报当前的数值，判断当前数值是否超出安全值，若超过限值，则继续语音播报常开继电器断开，变成闭合，下一步判断录音键是否按下，如果按下则开始注意切换新的语音文件，扫描设置的限定值，最终回到读取数值的阶段。不停的循环检测。主程序流程图如图4.2所示。
图4.2 主程序流程图
4.5 系统调试
在调试系统时，决定分为各个模块阶段进行。首先，气体的检测部分很重要，该模块将模拟量转换为数字量，其原理与数字电压计的设计相同。因此，该部分的系统调试以数字电压计为原理，并基于数字电压计的原理进行调试。接着测试A/D转换模块，检测模块的信号输入到转换模块，开始转换，直到转换结束将数据发送给单片机，可以在显示器中有数值变化。下一步测试数码管的显示器是否显示，用设计的按钮程序设定警报值，然后综合气体浓度和按钮值，完成了该系统的警报预定值调节部分。接着追加声音警报和音响警报的部分，本系统选择用喇叭播放录音，同时点亮LED灯。在测试中发现喇叭偶尔会发出滋滋的电流声，经过搜查百度知道后得知这是因为电路板的焊接问题会造成一些干扰，在操作是避免接触到背板的线。反复进行多次实验测试，完成了整个系统的程序。
在连接好电路板后，把写好的程序烧录到单片机上。确认没有错误后，打开系统电源，报警器的显示器显示规定值为20ppm时，可按下加减按钮进行调节。设定警报值后，不点亮打火机，只放出可燃性气体，出口朝向MQ-5传感器，显示器的数字逐渐变化，警报器生效，LED灯点亮，发出声音警告：浓度超标。图4.4为调试图。
图4.4 调试图
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