楊秋賢

（吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022）

引言

時下，采用混合動力的公交車十分流行，其相對低耗環(huán)保的特性使得各大車廠都進行了對應(yīng)改造。然而用于存儲天然氣的氣罐在漏氣時，不易被相關(guān)人員察覺，如發(fā)生泄漏時駕駛，將造成十分嚴(yán)重的事故。所以在車輛改造時必須為公交車配備危險物體檢測裝置[1]。通用的大型檢測設(shè)備因成本、管理和檢測耗時等原因不適合在公交車上安裝[2]。本設(shè)計利用無線通訊的方式設(shè)計了一種以STC89C52單片機為控制核心的公交車內(nèi)可燃氣體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，在保證檢測與報警功能的前提下，實現(xiàn)了小體積化和低成本化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由可燃氣體濃度檢測設(shè)備和監(jiān)控報警設(shè)備兩部分組成，兩部分通過無線的方式進行通信。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計方案，檢測設(shè)備包括STC89C52主單片機模塊、可燃氣體濃度和溫濕度信號采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、nRF24l01無線收發(fā)模塊、閥門控制模塊等；監(jiān)控報警設(shè)備包括STC89C52從單片機模塊、nRF24l01無線收發(fā)模塊、聲光報警模塊、顯示模塊、按鍵模塊等。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計

STC89C52主/從單片機模塊：本設(shè)計采用STC89C52單片機作為主控芯片，用來控制整個公交車內(nèi)可燃氣體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的工作時序和無線通訊。單片機最小系統(tǒng)由單片機、晶振電路和復(fù)位電路共同組成。

nRF24l01無線收發(fā)模塊：主機檢測到相應(yīng)的標(biāo)志線后發(fā)送數(shù)據(jù)，從機接收到數(shù)據(jù)后應(yīng)答并反饋回自身信息，并執(zhí)行相應(yīng)程序。電路如下頁圖1所示，CE引腳功能為使能發(fā)射或接受，由主機的微處理器P0.0 控制；CSN、SCK、MOSI、MISO 為 SPI引腳端，主機的微處理器可通過 P0.5、P0.1、P0.4、P0.2 來配置nRF24l01；IRQ為中斷標(biāo)志位，由主機的微處理器P0.3控制，每發(fā)送或接收一幀數(shù)據(jù)后都會觸發(fā)單片機外部中斷。無線接收電路與從機連接的電路和無線發(fā)射電路與主機連接電路相同，區(qū)別就是連接的引腳不同。

可燃氣體濃度、A/D轉(zhuǎn)換模塊：由于STC89C52單片機中不自帶A/D轉(zhuǎn)換模塊，所以需要使用ADC0832模塊作為A/D轉(zhuǎn)換。通過ADC0832模塊和MQ-4模塊的結(jié)合完成可燃氣體檢測電路的設(shè)計。

溫濕度信號采集模塊：DHT22采用3針腳：引腳1接+5 V電壓；引腳2通信端接單片機的P1.4口，實現(xiàn)單片機和傳感器的數(shù)據(jù)交互，當(dāng)測量距離小于20 m時，可以外接5.1 kΩ上拉電阻實現(xiàn)驅(qū)動，否則，應(yīng)適當(dāng)減小上拉電阻；引腳3接GND端。

顯示模塊：單片機的P0端口與1602的DB0-DB7口相接，P2.5、P2.6、P2.7端口分別接1602控制端的E、R/W、RS端口，用來顯示可燃氣體濃度和溫濕度的實時數(shù)據(jù)。

聲光報警模塊：采用PNP型三極管對蜂鳴器進行驅(qū)動。

按鍵模塊：由2個普通按鍵組成，用戶可根據(jù)固定的按鍵來設(shè)置。P2.0口連接的按鍵S1：切換溫濕度顯示，P2.1口連接的按鍵S2：解除聲光報警。

閥門控制模塊：將電磁繼電器與單片機的P0.7口相連，單片機控制引腳輸出高電平，則繼電器控制電磁閥打開氣罐閥門；輸出低電平，則繼電器控制電磁閥關(guān)閉氣罐閥門。

圖1 無線發(fā)射電路與主機連接電路圖

3 系統(tǒng)工作過程

當(dāng)主單片機上電壓時，系統(tǒng)開始初始化nRF24l01無線發(fā)送模塊（地址、信道、通信頻率等），通過DHT22溫濕度傳感器讀取當(dāng)前溫濕度，選通 ADC0832的測量通道0，讀取天然氣濃度傳感器輸出的0～5 V的模擬量電壓值，經(jīng)過溫濕度補償，計算出當(dāng)前天然氣濃度，并通過無線發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。將該濃度與設(shè)定濃度進行比較，若小于后者，則單片機控制引腳輸出高電平給繼電器，控制電磁閥打開氣罐閥門；若大于后者，單片機控制引腳輸出低電平給繼電器，控制電磁閥關(guān)閉氣罐閥門，并通過nRF24l01無線發(fā)送模塊發(fā)送報警信號給從單片機。從單片機上電后通過nRF24l01無線接收模塊將數(shù)據(jù)接收，通過LCD顯示模塊顯示出實時的天然氣濃度和溫濕度，并判斷是否產(chǎn)生報警信號。若沒有產(chǎn)生報警信號，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)；若產(chǎn)生報警信號，則啟動聲光報警模塊，蜂鳴器響起，報警燈亮起。

4 實驗測試結(jié)果

使用比例調(diào)節(jié)式混合器，將天然氣濃度按照不同的配置從0.1%～1.0%分成若干等份，作為被測樣本。在溫度25℃、濕度50%RH環(huán)境下，用本設(shè)計的可燃氣體檢測裝置測試各樣本，報警限定值設(shè)為60×10-6。經(jīng)試驗，當(dāng)天然氣濃度（質(zhì)量分數(shù)）超過60×10-6時，能夠啟動聲光報警。經(jīng)過實驗證明，在標(biāo)準(zhǔn)溫濕度下，該系統(tǒng)的相對誤差為±2%，在設(shè)計的精度要求范圍內(nèi)，具有很高的實用性。

5 結(jié)語

本設(shè)計采用了STC89C52單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片，對公交車內(nèi)可燃氣體監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的電路進行了設(shè)計，本文所設(shè)計的系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、體積小和高精度等特點，并且安裝簡單方便，可維護性好，具有無線傳輸?shù)墓δ?，可以很好地實現(xiàn)對車內(nèi)可燃氣體的監(jiān)測。