解冻库煤气自动报警与通风系统设计

解冻库煤气自动 报警与通风 系统设计

张政东

鞍钢集团 本钢北营铁运公司，辽宁 本溪 117017

摘 要：本文研究的是煤气报警系统的扩展应用，解冻库负责冬季炼铁炼焦原燃料的解冻工作，使用的加热设备为煤气炉，通过煤气（高炉煤气、焦炉煤气）的燃烧产生热量，通过送风机将热量吹入暖库内。众所周知，煤气含有的主要气体为一氧化碳，而且炼铁所用的煤气不同于家用可燃煤气，其中高炉一氧化碳含量最高可达25%，而转炉煤气的一氧化碳含量高达60-80%，对人有致命的伤害，因此对空气中煤气含量的检测是保证安全生产的重要环节。本设计通过对煤气的检测，当煤气含量超过安全标准时，报警器发出声光报警，同时对室内的空气进行通风，降低室内煤气含量。保证作业人员安全。

关键词：一氧化碳检测；气体传感器；单片机；声光报警

1 煤气报警系统采用的技术路线

系统的工作流程为非电信号的待测气体由传感器转化为模拟电信号后由A/D转换单元将该模拟信号进行数模转换，转换后的数字信号送至单片机，单片机将检测之后的数据进行处理，根据其浓度得出的系统所处环境是否安全，对传感器测得数据进行补偿和修订，如果达到报警值则通过声光报警单元进行报警，并可通过液晶显示芯片读出结果。

2 煤气报警系统的总体设计分析

2.1煤气报警系统的设计分析

本系统硬件设计的核心是一片AT89C52单片机，软件程序主要是完成监测、运算、显示等功能，包括主程序、信号采集和处理子程序、数据传送程序、显示子程序、执行子程序等。以上程序由MCS-51汇编语言开发完成，力求实现程序的结构化、模块化，加强软件的抗干扰能力。

2.2煤气报警系统的硬件总体结构

系统的总体结构如图1所示，由图可以看出，整个系统的工作流程是： CO浓度传感器将参数采集以后经A/D转换送至单片机经过智能处理以后，通过I/0扩展口做出相应的输出。

图
1 系统总体结构图

3 煤气报警系统硬件设计

3.1 单片机模块设计

3.1.1 单片机选择

主模块是整个单片机控制器的核心，主模块的核心器件是单片机AT89C52。

3.1.2 “看门狗”电路设计

当系统发生故障时，只要看门狗定时器达到其可编程的超时极限,RESET引脚立即自动产生一个持续200ms的高电平复位信号。当电源电压VCC降到4.5V以下时，RESET引脚立即自动产生电平复位信号，并一直保护到电源电压恢复正常。在系统电源上电或掉电时，RESET引脚也立即自动产生一个高电平复位信号。这样，就能有效地防止系统死机、数据误写及误操作等故障现象的发生。

3.2 数据采集功能模块设计

3.2.1 传感器型号选择

可燃性气体传感器属于气敏传感器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

3.2.2 传感器信号检测回路及气体传感器信号调理

（1）传感器信号检测回路

TGS842传感器优点之一就是其信号处理电路简单，TGS842传感器在纯净空气中的电阻值为15KΩ，所以我们选择一个电阻与TGS842串联进行分压，可以使传感器表现出最好的特性。

（2）气体传感器信号调理

传感器检测回路输出的电压信号在一定的范围之内进行变化，但是这个范围却不一定会符合所使用的A/D芯片的测量范围，我们在传感器检测回路的输出信号与A/D芯片之间加入一个信号调节电路，这样可以对传感器的信号进行一定的调整。

3.3 声光报警单元与通风机电路

声光报警单元作为可燃气体检测仪，声光报警部分不可缺少，当检测到可燃气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于可燃气体含量过高而发生的意外事故。

本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。

3.3.1 声光报警表现形式如下

（1）红色灯点亮时表示被测得可燃气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；

（2）黄色灯点亮表示传感器检测到可燃气体的存在，但其浓度没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声；

（3）绿色灯点亮表示传感器没有检测到可燃气体，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声；

（4）当3种颜色指示灯同时点亮的时候，且蜂鸣器不发声，表示系统进入设定状态，可能是模式切换或者进行标定；

3.3.2 通风机驱动电路

当有害气体浓度达到一定的浓度时引脚将给出底电平，同时继电器K吸合，使通风机工作，开始缓期。当浓度底于安全水平时，给出高电平通风机停止工作，利用并联二极管保护继电器。

3.4 人机接口电路设计

3.4.1 键盘电路

本论文具有4个独立控制按键，分别为模式键（MODE）、加（+）、减（-）、确认（ENTER）键。四个控制键的功能如下：

按下MODE键，红黄绿三个指示灯点亮，表示系统进入调试状态，报警功能被屏蔽，液晶显示器显示上一次设定的报警值的气体浓度值，此时如果按下+键或者-键，设定值会根据按下的键相应的增加或者减小报警值，当调试到满意值时如果按下ENTER键，则报警值被保存，系统重启之后，新的报警值生效，系统将按照新的报警值进行报警。

3.4.2 LED显示电路

下位机的显示模块主要由4片的数码LED显示块和4片74LS164构成，一片164对应一片LED块，作为一个显示位，共有4位以串联的形式连接起来。由于74LS164的特性决定了显示模块的显示方式是静态的类型。

4 煤气报警系统软件设计

4.1 主程序设计

在软件编程上，采用结构化模块化的设计方法，主程序为最基本的程序运行操作平台或称底层平台。然后根据硬件设计的需要，把硬件模块的各功能的程序也写成模块化结构。

4.2 部分功能模块程序设计

4.2.1 数据采集模块设计

采用的是中位值滤波法，该方法是把多次采样的结果，按照从大到小的顺序进行排列，取中间值为本次采样值。中值滤波法能有效地克服因偶然因素引起的波动干扰。

4.2.2 键盘模块软件设计

在对按键的编程要注意以下两点：

（1）判断键的按下：按下时单片机的输入为0，否则为1。

（2）去抖动：当测试表明有键按下后，紧接着就进行去抖处理。为了保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行输入。采用时间延时迟一些躲过抖动，延时时间大约为10～20ms即可。

5 煤气报警系统测试

本文结合我公司解冻库实际生产的相关要求，设计出一种具有实用性的煤气报警系统的设计方法，包括系统总体结构、单片机的下位机的软硬件设计等。 本设计开发的单片机煤气报警系统，其可以独立完成数据的采集、显示、控制等功能。运用了传感器技术实现对一氧化碳的监测管理。在整个系统硬件设计过程中，采用模块化设计。以最基本的核心单元作为最小系统，把要实现的功能以模块的形式加入到最小系统中来，使得系统结构清晰，设计过程简洁化，在实际应用中如果出现故障能够自动实现重新启动不会使整个系统瘫痪。

参考文献：

[1]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京航天航空大学出版社，1993.

[2]张振容,晋明武，王毅平编著.MCS-51单片机原理及实用技术[M].人民邮电出版社，2003.

[3]康华光.电子技术基础－模电部分[M].高等教育出版社，1987.

[4]李学礼.AT89C52单片机参考手册，北京博飞有限公司出版，2001.