张清驰
山东协和学院工学院 济南 250107
摘 要
无论是在化工厂还是在我们家庭厨房内都存在着可燃气体，例如在化工厂会有可燃气体甲烷和有毒气体乙醇的存在。通过了解其危害性，针对此了解并且结合自己所学的专业知识和导师的指导，研发制作了一种专门预防和控制可燃气体的报警控制器，它不仅仅是重要的燃气预防措施也是安全使用燃气的最后底线。可燃气体报警控制器的研发并不复杂然而实用性强、产品廉价、操作简单深受消费者的喜爱。可燃气体报警控制器的工作原理是通过探头中的传感器收集附近气体然后通过电路将模拟量转换成数字信号最终传送给可燃气体报警控制器的总电路，当可燃气体浓度值超过可燃气体报警控制器或者控制电路中设定范围，控制器就会通过执行模块或者执行电路发出报警信号报警灯报警或者执行关闭燃气阀门等动作。
关键词：传感器 控制器 报警信号 数字量 模拟量 探测器
1.课题研究背景和意义
本次研究是利用STM32单片机控制技术，来实现可燃气体甲烷的精准气体报警器，此报警器对甲烷实施精准的检测，当甲烷浓度超过设置浓度时单片机控制电路进行报警，外部链接风机进行控制以防止事故的发生。由于STM32单片机的性价比很高，运用STM32单片机进行监控可燃气体报警探测器的核心是传感器，由于本设计采用半导体材质敏感度高、稳定性强、抗干扰能力强、寿命长等优势，达到了国内顶尖水平，所以本产品常用于化工厂、消防站、军队、医院、学校、石油、煤矿以及家庭等重要场所。为了方便消费者了解信息做好预防准备，采用了液晶显示模块，而液晶显示模块分为还分为动态显示和静态显示动静结合两种模式。
综上所述，可燃气体报警控制器的研发主要利用了直变交转换单元、显示单元、问题处理模块单元、控制单元以及气体检测单元，共同组成可燃气体报警控制器。
2. 硬件部分设计调试
2.1 硬件部分的设计
2.1.1系统的组成
可燃气体报警控制器整个系统分别由气体浓度显示模块、报警模块、电源、485信号输出五部分组成。
本系统以STM32单片机为核心的主要元器件，可燃气体探测器中的气体传感器将收集到的周围环境信息传递给STM32单片机，单片机再将处理过的信号发出，此时报警单元（报警灯、蜂鸣器）运作报警灯点亮蜂鸣器响起。针对浓度的高低蜂鸣器会发出不同频率的声音，当浓度低时蜂鸣器的声音频率低，当浓度高时为高报状态，蜂鸣器发出声音频率高[2]。
2.1．2元器件的选型
由于STM32单片机性能高、成本低、功耗小等原因。广泛应用于弱点产品中，由于两种性能不同可以分为STM32F103(增强型）和STM32F101(基本型）STM32F103型号的时钟频率为72MHZ，比相同16位产品的性能得到了大大提升，两个型号都内置32K-128K的内存。它的主流型号为：STM32F0、STM32F1与STM32F3。低功耗型号为：STM32L0、STM32L4、STM32L1。高性能型号：STM32F4、STM32F2和STM32F7。在STM32F107与STM32F105互联型系列之前意法半导体推出了多种系列例如增强型、基本型和互补型等系列。新产品采用增强型系列72HZ处理频率[1]。有64KB-256KB闪存和20KB-64KB内存嵌入式SRAM。
结合STM32基础设计理念，研发人员升级优化了功能、存储器、引脚数量和性能等。此时的硬件岁小但是满足了客户的个性化和应用化需求。STM32单片机增强了接口使得它的使用效果更加灵活多变，这使得研发人员用同一个软件也可以实现多个设计功能。新型STM32单片机具有节省能源和使用方便电压低等优势[2]。其电压在2.0V-3.6V之间的工作电压范围兼容了主流电池技术。其中还有电池专用引脚.闪存执行代码为72HZ频率，电流消耗低仅为27mA。低功耗模式有4种消耗的电流仅为2uA为了节省电能可从低功耗模式下启动。启动电路使用STM32内部生成的8MHz信号，将微控制器从停止模式唤醒用时小于6微秒。
2.1.3 系统的控制与操作
1. 监控状态
开机后需设置系统的正常状态，分线、主电和各种设备接通，确认无误后接通电源，打开电源开关，显示版本号、各通道量程，随后控制器缓冲预热，会有30秒时间预热传感器，以便报告准确，预热完毕，控制器就会正常运行。
2. 检测
如果周围气体浓度值大于报警器设置的气体浓度值，此时报警灯闪烁，相关继电器闭合，蜂鸣器发出报警声。按消音键可凊除声音，按控制键可断开关联继电器，清除报警。当周围气体浓度值低于报警控制器设置的值时，报警器停止报警，但是已闭合的继电器不会断开，为安全考虑请手动关闭。
3.软件设计与调试
3.1硬件部分设计与调试
检查完毕没有问题后PCB板通电，然后用示波器测试STM32单片机频率是否正常，如果正常则晶振完好单片机正常工作，若无则晶振电路出现故障及时排除[2]。检查数码管显示是否正常，若不正常则译码器可能有故障或者无输出电压，若有则可能数码管可能损坏。最后测试电压有无24V输出，如果没有问题，则硬件调试完毕[1]。
3.2软件系统调试
写完程序后进入最后的调试阶段。调试阶段先保证子程序的无误，然后调试整个程序系统的调试。直到整个程序系统的顺利运行，设计才算正式完成。传感器将采集到空气中的信息传输给单片机进行处理，当空气中的可燃气体大于20%小于40%时报警器实现一级报警简称低报。然后将信号再次反馈给传感器，传感器进行二次采集，再次将采集信号传输给单片机处理当空气中的可燃气体浓度大于40%时报警器进行二级报警简称高报如果采集信号仍小于40%则仍然为低报。
4.说明书
界面说明
【数码管显示器】显示当前气体浓度
【正常指示灯】设备正常工作，与探测器连接正常
【故障指示灯】通道中的数有误，通道数据没有在正常的工作区间
【一级报警、二级报警灯】周围气体大于报警控制器设置值，报警灯被点亮并且继电器闭合
5.总结
本文设计研发的可燃气体报警控制器主要采用的是数字电路中的STM32单片机，经济实惠，有利于消费者的使用以及实现产品化的发展。此次产品的研发主要是通过可燃气体探测器中的传感器检测到空气中的甲烷，输出的模拟电压量通过A/D值传入单片机STM32中进行处理。然后可燃气体探测器通过信号线连接控制器，将信号传输到控制器中，控制器中的显示屏显示气体浓度值，当控制模块气体值小于周围环境中的可燃气体值时，报警器报警模块发出报警声音，同时报警灯点亮以达到报警提示的目的。可燃气体报警探测器还可以通过外接排风扇与电磁阀相连接实现远程控制，预防事故的发生。
参考文献
[1]张晓峰,吕良海,白光,白永强.基于隐患排查实践的农村煤改气工程安全问题浅谈[J].城市燃气.2018(09):45-46
[2]岑康,唐军英,张优,王飞,查四喜,罗敏.基于SE-DEA的居民户内燃气设施安全管理效能评价[J].油气储运.2018(05):03-04.