燃气泄漏报警系统仿真设计与实验

宋志平，叶　柳，杨　名

(安徽大学，安徽 合肥　230601)



燃气泄漏报警系统仿真设计与实验

宋志平，叶柳，杨名

(安徽大学，安徽 合肥230601)

摘 要：给出以单片机为核心的燃气泄漏报警系统仿真设计与实验的完整流程：包括设计要求、总体方案、Proteus环境下的原理图设计及软硬件仿真调试实验等。可以为温度、压力、光强等其它常见物理量测量控制系统仿真设计与实验提供参考。

关键词：测量系统；仿真设计与实验；单片机控制；Proteus仿真平台

物理量自动测量与控制系统的应用领域非常广泛，小到日常的家用电器，大到航空航天遥感测量设备均能看到这类系统的应用。这类系统通常以单片机等微控制器作为控制中心[1-4]，其电路和软件设计流程具有一定的通用性，可以相互借鉴。本文以燃气泄漏报警系统为例，从系统的设计需求出发，给出了系统的实现方案，并在Proteus仿真软件平台上完成了电路原理图设计、软件设计及软硬件仿真调试等全过程。可为实现类似的物理量测量控制系统设计实验提供有益参考。

1燃气泄漏报警系统设计

1.1设计要求

燃气泄漏报警系统可以实时监测燃气泄漏浓度，并在泄漏浓度超出安全范围时切断气源，给出警报信号，以确保用户的用气安全。燃气泄漏报警系统的具体设计要求如下：

※能实时监测并显示燃气泄漏浓度；

※能准确判断燃气泄漏浓度是否超标；

※如果泄漏浓度超标，能及时切断气源，并发出声光报警信号。

1.2设计方案

根据燃气泄漏报警器的设计要求，可采用图1所示的设计方案。

图1中的传感器将泄漏的燃气按浓度不同转换成不同大小的电信号。通常，传感器输出的电信号幅度较低，需经过放大器放大至模数转换器(ADC)线性度较好的幅值范围。模数转换器将放大处理后的模拟量转换成对应的数字量，供单片机读写和进一步处理。单片机是整个燃气泄漏报警系统的测量控制处理中心，实现数据采集、转换处理、显示及报警控制等功能。显示器模块可以实时显示泄漏燃气的浓度值。当测量得到的泄漏燃气浓度值高于设定的安全浓度值时，单片机先切断气源开关，同时启动声光报警模块工作，报警灯亮，扬声器发出警报声音。

2燃气泄漏报警系统仿真实验

Proteus是目前可用来进行软硬件联合仿真调试实验的最先进的虚拟电子实验室软件平台[5-7]。利用Proteus仿真实验室平台软件，我们开展了燃气泄漏报警系统电路和程序仿真设计实验。包括电路原理图仿真设计、测控程序的编写及软硬件联调等几方面工作。

2.1原理图仿真设计

图2是在Proteus仿真实验室软件环境下设计的燃气泄漏报警系统电路原理图。

图中利用滑动变阻器对5 V电源分压模拟燃气浓度传感器。Proteus仿真软件元件库中，滑动变阻器模型的中间抽头位置可调节，通过改变滑动变阻器中间抽头的位置可改变中间抽头与滑动变阻器两端接线柱间的电阻值。因此，当滑动变阻器中间抽头的位置改变时，中间抽头与地间的电压值会随之改变，其效果等效于燃气泄漏浓度不同时，传感器输出不同的电压值。

Proteus仿真软件元件库中的模数转换器为理想器件，在整个测量电压范围内，可以认为具有良好的线性。因此仿真原理图设计中可以省去放大器，将滑动变阻器中间抽头直接连接至模数转换器的输入端。原理图中使用的是8通道、8位模数转换器ADC0808，利用其中的任一个通道(本原理图中使用的是IN0)，可将传感器输出的模拟电压转换成8位的数字量。单片机控制启动ADC0808工作，读取转换结果，并将结果送数码管显示。同时，将转换结果与预设的燃气泄漏安全阈值浓度进行比较，如果大于阈值浓度则切断气源开关，点亮红色LED灯报警，扬声器发出警报声音。否则，绿色LED灯亮，表示泄漏燃气浓度处于安全值范围。

2.2软件流程

燃气泄漏报警系统由硬件和软件两部分组成，其全部功能均是由CPU执行程序控制相关的硬件模块实现的。仿真实验时，软件既可以用汇编语言也可以用C51编写。其流程如下图3所示。

2.3仿真调试实验及结果

在Keil C环境下，完成燃气泄漏报警系统程序的编辑、编译，生成HEX文件。在Proteus原理图设计环境下，将生成的HEX文件加载到原理图的CPU中，按下原理图仿真运行按钮，CPU开始执行程序，燃气泄漏报警系统开始工作。调节滑动变阻器中间抽头的位置， 模拟不同的燃气泄漏浓度，分析判断系统的所有功能模块是否正常工作。如与设计的功能不符，可利用Proteus仿真实验平台提供的虚拟仪器(如万用表、示波器等)对存在的问题跟踪定位，

排除硬件和软件设计中可能存在的错误。

(1)燃气泄漏浓度低于设定的阈值；(2)燃气泄漏的浓度高于设定的阈值

图4是经过软件、硬件调试后的燃气泄漏报警系统仿真运行效果图。

当泄漏的燃气浓度低于设定的安全浓度阈值时(仿真调试时设计的安全浓度阈值为2.00)，绿色LED灯亮，表示处于安全状态，蓝色的LED灯亮表示燃气管道阀门是打开的。七段数码管实时显示当前燃气泄漏的浓度(由于仿真实验，传感器是模拟的，无法进行燃气浓度的标定，数码管显示的是滑动变阻器中间抽头对地的电压值)。系统仿真运行的效果如图4(1)所示。当泄漏的燃气浓度高于预先设定的安全阈值时，首先CPU将控制切断燃气阀门，继电器断开，蓝色的LED灯熄灭，接着使红色LED灯点亮，并通过扬声器发出报警声音，显示器则显示发现泄漏超阈值时刻的燃气泄漏浓度值(同图4(1)，实际显示的是电压值)。系统仿真运行的效果如图4(2)所示。

3结论

根据燃气泄露报警系统的设计要求，在Proteus仿真软件平台上完成了燃气泄露报警系统的仿真设计与调试。最终的仿真调试结果表明燃气泄露报警系统的电路和软件设计是正确的，达到了预先的设计要求。燃气泄露报警系统是典型的物理量测量控制系统，其仿真设计、调试及实验过程对相关系统的设计具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]闫文林，张永祥，张冠芬.智能化多功能物理量测量仪[J].物理实验，2013，33(12)：9-12.

[2]韩雪，阎焜，袁振中,等.基于STC89C52单片机的测速计设计[J].大学物理实验，2015，28(3)：66-69.

[3]潘勇，孟庆斌.基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J].电子测量技术，2008，31(9)：91-94.

[4]黄兴洲，薛德宽，刘雪林，等.基于单片机的自供电供暖温度智能调控装置[J].大学物理实验，2015，28(2)：73-76.

[5]于博，杨晓庆.基于Keil C51与Proteus仿真联合的单片机应用研究[J].软件工程师，2015，18(9)：51-52.

[6]聂茹.基于Proteus的汽车空调控制系统的设计与仿真[J].系统仿真技术，2012，8(4)：346-350.

[7]张明长.Proteus仿真软件在物理实验教学中的应用[J].大学物理实验，2012，25(5)：68-71.

Simulation Design and Experiment of Gas Leakage Alarm System

SONG Zhi-ping,YE Liu,YANG Ming

(Anhui University,Anhui Hefei 230601)

Key words：measuring system；simulation design and experiment；control based on SCM；Proteus software

Abstract：The whole process,including the design requirements,design scheme,schematic design and the hardware and software simulation debugging experiment on the Proteus environment,is prevented on the simulation design and experiment of the gas leakage alarm system which is cored by the SCM,which will provide a reference on simulation design and experiment to the other similar physical quantities measuring control system,such as temperature,pressure etc.

收稿日期：2016-01-27

基金项目：安徽大学2014年省级质量工程项目(2014zy007，2014gxk008，2014xnzx002，2014tszy004)；安徽大学本科教育质量提升计划项目(xjyykc1402，xjtszy1401)

文章编号：1007-2934(2016)03-0027-05

中图分类号：O 4-33

文献标志码：A

DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.003.009