【文章內(nèi)容簡介】 電磁閥切斷氣源，以確保安全（張路，2022）。溫度檢測報警系統(tǒng)的核心設(shè)備是溫度傳感器。溫度傳感器的發(fā)展算是經(jīng)歷了以下的3 個階段：（1）傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，含敏感元件，主要是能夠進行非電量和電量之間的轉(zhuǎn)換。（2）模擬式集成溫度傳感器/控制器。（3）數(shù)字式智能溫度傳感器。目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式、集成化向智能化及網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展（Mills et al，2022）。數(shù)字式溫度傳感器也稱智能溫度傳感器，是在 20 世紀 90年代中期問世。它是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和自動測試技術(shù)（ATE）的結(jié)晶。如今，國際上已開發(fā)出多種智能溫度傳感器系列產(chǎn)品。智能溫度傳感器內(nèi)部包含溫度傳感器、A/D 傳感器型號處理器、信號處理器、存儲器和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器（CPU）、隨機存取儲存器（RAM ）和只讀存儲器（ ROM）。數(shù)字式溫度傳感器能傳輸出溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的溫度控制量，能適配各種微控制器（MCU），并且可以通過軟件來實現(xiàn)測試功能，即智能化水平取決于軟件的開發(fā)水平。進入 21 世紀后，溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。而在濕度檢測報警方面，雖然在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、環(huán)保、國防、科研、航天等部門，經(jīng)常需要對環(huán)境濕度進行測量及控制。但在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標準也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設(shè)備價格十分昂貴。近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器的研發(fā)領(lǐng)域取得了很大的進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度檢測控制系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術(shù)提高到新的水平?？偠灾?，溫濕度傳感器的應(yīng)用很廣泛，其性能會直接影響到溫濕度測量系統(tǒng)的準確度和可靠性。由于技術(shù)和成本原因，幾年前大多使用傳統(tǒng)的溫濕度傳感器，即模擬式傳感器，尤其是要求可靠的濕度測量仍然停留于干、濕球測量法。這種方法不僅使用麻煩,而且往往受到應(yīng)用場合的限制（黃軍輝等，2022）。目前國內(nèi)外對可燃氣體報警器、溫度報警器、濕度報警器的研究可以說是已經(jīng)進入一個比較成熟的階段。可是能夠結(jié)合多個方面，多路檢測報警、實用性強，而且能夠廣泛應(yīng)用的多路報警器的研制還不是很成熟，重大危險事故還是時有發(fā)生，所以這一方面的研究還是值得我們探討。2 系統(tǒng)功能及方案設(shè)計 系統(tǒng)方案比較方案一：采用 AT89S51 單片機作為中央處理單元（郭天祥， 2022），同時選用FIGARO 費加羅催化燃燒式可燃氣體傳感器模塊 FCM6812 對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，選用濕度傳感器模塊 HR202 對空氣濕度進行檢測，利用數(shù)字溫度傳感器模塊 DS18B20 對空氣溫度進行檢測，單片機處理單元讀取可燃氣體傳感器以及溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。報警器用發(fā)光二極管分別表示（徐百匯等，2022）。方案二：采用功能和性價比較高的 AVR ATmega16 單片機作為中央處理單元，選用 MQ_2 氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，MQ_2 氣體傳感器具有雙路信號輸出，即模擬量輸出及 TTL 電平輸出，可以采集到氣體濃度的真實值，或者直接輸出高低電平，也就是當測量濃度大于設(shè)定濃度時，TTL 輸出低電平，在這里我們直接檢測測量濃度是否大于設(shè)定濃度，同時選用 AM2301 溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進行檢測，即采集出溫度和濕度的實際值，單片機處理單元讀取溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，并接受氣體傳感器發(fā)送的高低電平，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。報警器用發(fā)光二極管分別表示，同時用蜂鳴器發(fā)出聲音警報，以提醒監(jiān)控人員。方案二中用到的 AVR 單片機是 Atmel 公司的產(chǎn)品，片內(nèi)資源豐富，接口也比AT89S51 單片機更強大，功耗也比較低，帶 AD 轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品多。另外 AVR 單片機還有一個好處，就是能支持 ISP 下載程序；方案一中可燃氣體傳感器用的是 FIGARO 品牌的催化燃燒式可燃氣體傳感器 TGS6812，該傳感器采用催化原理，可以檢測甲烷，液化石油氣，酒精干擾小，線形輸出，精密尺寸做工，但是這種傳感器模塊很貴，而 MQ_2 氣體傳感器對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度、具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復特性等優(yōu)點，性價比高；方案二中使用 AM2301 溫濕度傳感器代替方案一中的濕度傳感器模塊 HR202 和溫度傳感器模塊 DS18B20，電路簡單、使用方便，而且有較高靈敏度；方案二中報警器模塊增加了蜂鳴器，能夠更好地提醒監(jiān)控該人員，以防產(chǎn)生不必要的損失。終上所述，本設(shè)計采用方案二。 系統(tǒng)整體方案設(shè)計 本系統(tǒng)整體方案框圖如圖 1 所示。本系統(tǒng)利用傳感器對環(huán)境中的溫濕度以及可燃氣體進行檢測，當這些參數(shù)不符合預定設(shè)置的參數(shù)值時，就會自動報警。選用 MQ_2 氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體濃度進行檢測采集，MQ_2 氣體傳感器具有雙路信號輸出即模擬量輸出及 TTL 電平輸出，可以采集到氣體濃度的真實值，或者直接輸出高低電平，也就是當測量濃度大于設(shè)定濃度時，TTL 輸出低電平，在這里直接檢測測量濃度是否大于設(shè)定濃度，同時選用 AM2301 溫濕度傳感器對溫度和空氣濕度進行檢測，即采集出溫度和濕度的實際值，采用功能和性價比較高的 AVR ATmega16 單片機作為中央處理單元，讀取溫濕度傳感器所采集到的溫度和濕度值，并接受氣體傳感器發(fā)送的高低電平，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行處理分析并實現(xiàn)自動報警。本設(shè)計可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃性氣體的濃度，以及空氣溫濕度，當達到預先設(shè)定的上限或下限報警設(shè)定值時，發(fā)出聲音報警和信號，實現(xiàn)多路報警功能，以提示操作人員采取安全對策或自動控制相關(guān)安全裝置。ATmega16溫度過高報警器溫度過低報警器濕度過高報警器濕度過低報警器可燃氣體報警器可燃氣體傳感器溫濕度傳感器圖 1 系統(tǒng)整體方案框圖 系統(tǒng)功能介紹系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能如下：環(huán)境參數(shù)信息的采集。本系統(tǒng)可以檢測空氣中以烷類氣體為主的多種可燃可爆性氣體的濃度，以及環(huán)境溫度和空氣濕度。利用傳感器對環(huán)境中的溫度和濕度以及可燃可爆性氣體進行檢測。選用具有雙路信號輸出，即模擬量輸出及 TTL 電平輸出，而且 TTL電平輸出的靈敏度可調(diào)的 MQ_2 氣體傳感器對現(xiàn)場可燃性氣體的濃度進行檢測，同時選用應(yīng)用了專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性的 AM2301 溫濕度傳感器對環(huán)境溫度和空氣中的濕度進行檢測。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，能同時對溫度和濕度進行檢測，采集出溫濕度的當前值。對采集到的信息進行自動處理并分析。采用功能和性價比較高的 AVR ATmega16單片機作為中央處理單元，對環(huán)境參數(shù)進行采集處理，并不斷分析、處理所采集的環(huán)境參數(shù)信息，將采集到的環(huán)境參數(shù)值與預先設(shè)置的理想值進行比較從而為報警提供數(shù)據(jù)依據(jù)。自動報警。當環(huán)境參數(shù)值達到預先設(shè)定的上限或下限報警設(shè)定值時，將會發(fā)出聲音報警和信號燈指示。聲音警報采用了有源蜂鳴器，而信號燈采用發(fā)光二極管，當環(huán)境參數(shù)值不在期望值當中時蜂鳴器發(fā)出鳴聲，同時相應(yīng)的發(fā)光二極管發(fā)光，以提示監(jiān)控人員采取安全對策或使自動控制相關(guān)安全裝置做出相關(guān)反應(yīng)。該報警器可以實時、準確地檢測可燃性氣體以及溫濕度并且可以長時間可靠無誤地報警。3 報警系統(tǒng)硬件設(shè)計 單片機原理 單片機原理概述單片機（singlechip microputer）又稱為“微控制器 MCU”,也就是把微型計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的單芯片微型計算機。由于單片機的高度集成化，縮短了系統(tǒng)內(nèi)的信號傳送距離，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的配置，大大提高了系統(tǒng)的運行速度以及可靠性。同時它的指令系統(tǒng)又非常適合工業(yè)控制的要求，所以單片機在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到了廣泛的應(yīng)用（王衛(wèi)星，2022）。單片機的典型結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。時鐘 數(shù)據(jù)存儲器I/O 口CPU程序存儲器定時/計數(shù)器片內(nèi)總線圖 2 單片機典型結(jié)構(gòu)圖 ATmega16 單片機的介紹本系統(tǒng)設(shè)計中所選用的單片機是 ATmega16 單片機。ATmega16 單片機作為硬件部分的主控芯片，具有功能強大、性價比較高等特點。其引腳如圖 3 所示。圖 3 ATmega16 引腳圖ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16 有如下特點 :16 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié) EEPROM，1K 字節(jié) SRAM，32 個通用 I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行 USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝)的 ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個 SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時 CPU 停止工作，而 USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與 ADC 以外所有 I/O 模塊的工作，以降低 ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展 Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作(周潤景等，2022)。