一种基于LPC2138的智能家用燃气报警系统设计

该文设计了一款智能化家用燃气报警系统，该系统利用LPC2138微处理器及可燃气体传感器对家庭内可能泄露的燃气浓度进行监测，实现了可燃气体泄露时候能够及时给出报警信号，并通过GSM模块给用户发出信息，同时给出控制信号。运行结果表明：该系统运行稳定，能满足家庭燃气报警的需求，并能融入未来智能家居的应用。

【关键词】可燃气体报警 LPC2138 数据采集

1 概述

天然气作为一种清洁高效的能源，越来越多地走入了大部分居民家庭的日常生活，然而由于使用燃气用具不规范等人为原因造成的燃气中毒事件却接二连三的发生。而家用燃气报警器作为一种有效预防燃气泄漏事件发生的民用安全防范器具，不被大多家庭所重视，且目前大多家用燃气报警器只有简单的报警功能，并无基于其他网络平台的报警及报警后进一步防范措施的处理功能。在智能家居技术、物联网技术高速发展的今天，设计一种智能化的燃气报警系统必然为给人民群众的财产生命安全奠定一定的基础。

本文设计了一种智能家用燃气报警系统，该系统以ARM7芯片与可燃性气体传感器相结合，实时监测家用燃气气体浓度来检测是否有可燃性气体泄漏，如有泄漏并超过安全范围，通过声光报警并自动启动排风扇等相关防范措施。

2 系统结构

系统主要由可燃气体传感器、信号处理模块、主控芯片、通信模块、报警模块及控制模块等组成。如图1所示。

在家庭厨房及卫生间各安装一个可燃气体传感器，通过主控机控制来监测燃气泄漏存在的危险。可燃气体传感器将现场检测的气体浓度转换为电信号，并通过主控芯片控制的信号处理模块将电信号处理，通过RS485传送到气体报警控制电路；再根据检测值分别与报警上/下限进行比较，当某个探测器检测到的浓度超过上限或低于下限时，通过控制模块输出报警信号，发送信息至用户手机，并开启排风装置，也可以通过主控机进行消音和报警响应。

3 硬件设计

3.1 可燃气体传感器

天然气的主要组成是 CH4，煤气的主要组成有CO、H2、CH4等碳氢化合物、CO2等，液化气主要含有丁烯（C4H8）、丙烷（C3H8）、丙烯（C3H6）、丁烷（C4H10）等。从成本及实际情况考虑，本系统选择了能对CH4和CO进行检测的可燃气体传感器。管道天然气中的 CH4 属于可燃气体，用催化燃烧式气敏元件NAP-55A比较合适。催化燃烧式气敏传感器几乎能响应所有可燃气体，几乎所有非可燃气体都不能响应。测量 CO 的敏感气体元件常用电化学和半导体 2 种，电化学传感器精确度高，灵敏度高，故选用电化学气敏元件测量 CO 气体。传感器采用恒压供电，传感器工作电压VGG为（2.5 ±0.125）V，工作电流为（150～180）mA。

3.2 LPC2138芯片

本系统以ARM7芯片与可燃气体传感器为硬件核心部件。其中ARM芯片选择了飞利浦公司的LPC2138芯片，LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32 位ARM7TDMI-STM CPU 的微控制器，并带有512 kB 的嵌入的高速Flash 存储器，128 位宽度的存储器接口。独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行，较小的芯片封装，功耗极低。LPC2138芯片内部还自带10位逐次逼近型A/D转换器。在A/D转换的过程中，基准电压的稳定对A/D转换的结果十分关键。LPC2138具有独立的基准电压源引脚，这样就能够很好的保持基准电压的恒定，这对提高转换精度很有利。

3.3 传感器故障检测设计

国家标准明确规定了在可燃气体报警仪器出现故障，不能正常工作时要发出故障提示。传感器出现故障时，仪器将无法进行正常采样，不能正常的显示当前浓度，存在很大安全隐患，此时仪器应该通过声光报警等方式提示报警仪的使用者。传感器故障检测一般可直接从检测电路获取信号，电化学传感器的工作主要是依靠电流变化，当传感器损坏无法正常工作时，恒势电路不再平衡，电流变化不再正常并会导致电压和正常状态时的电压有很大差别。故可从运算放大器提取信号判断传感器的状况。

3.4 GSM模块

短消息发送模块采用TC35i模块，TC35i西门子工业GSM模块是一个支持中文短信息的工业级GSM模块，工作在EGSM900和GSM1800双频段，电源范围为直流3.3～4.8V，电流消耗休眠状态为3.5mA，空闲状态为25mA，发射状态为300mA，通过接口连接器和天线连接器分别连接SIM卡读卡器和天线。SIM电压为3V/1.8V，TC35i的数据接口（CMOS电平）通过AT命令可双向传输指令和数据，支持Text的SMS，可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。LPC2138通过I/O端口控制TC35的开关机、复位等，通过串口与TC35进行数据通信，通信速率为9600Kbps，采用8位异步通讯方式，1位起始位，8位数据位，1位停止位。

4 软件设计

LPC2139该芯片具有移植操作系统的功能，移植操作系统后可提高系统利用率及系统实时性，在本设计中选用移植uC/OS-II操作系统。uC/OS-II操作系统是一个完整可移植的占先式多任务内核，源码公开。在本次设计中，软件完成数据采集、数据处理，系统自诊断、GSM通信、发送报警信号、发送控制信号等功能。图2为系统软件流程图。

5 总结

文中设计了一种基于LPC2138的家用可燃气体报警系统，采用了新的硬件电路设计，具有一定的智能化，可以根据可燃气体泄漏的浓度实现报警功能，包括声光报警及SMS发送，且可以发出控制信号控制排风扇等设备工作，来达到降低燃气泄漏的危险。该系统运行结果表明，系统运行稳定，可以融合于智能家居的使用，给家庭安全使用燃气奠定了一定的基础。

参考文献

[1]李娜.支持多通讯方式的可燃气体报警系统设计[J].仪表技术与传感器，2012（02）：42-44.

[2]任先平，章红.基于ZigBee网络的家用燃气报警系统[J].计算技术与自动化，2014（03）：141-144.

[3]赵春艳.基于GPS的便携式燃气管网巡检报警仪的研究[D].硕士学位论文.山东：山东轻工业学院，2012：11.

作者单位

苏州市计量测试研究所 江苏省苏州市 215000