1. 引言
燃气安全无小事，关乎到每个家庭的生命和财产安全 [1] 。燃气一旦使用不妥就会发生火灾、爆炸和令人窒息的严重安全事故 [2] [3] 。燃气事故不仅会造成巨大的人员伤亡，还会造成城市的大规模破坏、公共设备丧失等，这将会给社会的稳定带来极其恶劣的影响 [4] 。针对燃气的必要性及其危害性，设计并实现一种易于安装、功耗低、工作稳定的燃气自我保护系统十分必要。
以实现燃气的安全、高效使用为目的，本文设计并实现一种基于增强型微处理器的燃气检测自保护系统。在完成该系统硬件设计与软件编程后，对其进行实物测试。测试结果显示：本文所设计与实现系统可以有效地实现燃气检测值异常时的自我保护、自我切断功能；系统具有响应时间短、多级燃气检测值异常保护设置等功能，具有一定的应用价值。
2. 测试系统总体设计
本文所设计并实现的自我保护系统分为硬件部分和软件编程两个部分。为使得该系统的具有高效、低价等特性，系统硬件部分选取价格相对低廉、易于编程的增强型微处理STC15F2K60S2作为系统的控制器，双舵机模块SERVO-C1/C2作为系统执行元件，采用485实现检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a和系统控制器之间的信息交互、系统硬件部分所需+5 V/+24 V供电电路等。该系统通过软件编程可以完成系统各部分的控制与通讯。首先在KEIL集成环境下采用C语言编写，通过烧录导入到STC15F2K60S2芯片上运行。
该系统的工作流程概述为：可燃气体报警器GT-ACE23222a通过485将燃气检测的数值实时上传至系统控制器STC15F2K60S2；系统控制器STC15F2K60S2通过判定实时采集所得燃气数值与系统软件编程所设定异常值对比；根据不同等级燃气检测值的异常值，系统控制器STC15F2K60S2通过控制舵机模块SERVO-C1/C2的响应速度来实现该系统多级燃气检测值异常下的自我保护之关断功能且可燃气体报警器GT-ACE23222a亦会通过声光进行燃气值异常报警；当GT-ACE23222a燃气检测的数值恢复正常后，系统控制器STC15F2K60S2通过控制舵机模块SERVO-C1/C2来实现该系统自我保护之打开功能，如图1所示。
Figure 1. Overview of system workflow
图1. 系统工作流程概述图
3. 硬件部分设计
该系统硬件部分主要包括系统的控制器增强型微处理STC15F2K60S2、系统执行元件双舵机模块SERVO-C1/C2、通讯模块485、检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a及供电电路等组成。
3.1. 增强型微处理STC15F2K60S2
该系统选取增强型微处理STC15F2K60S2作为控制器 [5] [6] 。STC15F2K60S2属于增强型8051 CPU，指令代码完全兼容传统8051，可支持RS485下载，具有8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM可当3路D/A使用等特性。该系统控制器电路原理图如图2所示。
Figure 2. Electrical schematic diagram of the controller
图2. 控制器电气原理图
图2中，STC15F2K60S2引脚P2.7/P2.6作为SERVO-C1/C2的控制引脚；引脚P3.1/P3.0作为TX-TTL/RX-TTL引脚用于实现系统软件的下载及通讯模块485的通讯引脚；引脚P1.2/P5.4作为检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a声光报警的状态引脚。
3.2. 执行元件双舵机模块SERVO-C1/C2
该系统选取执行元件双舵机模块 [7] SERVO-C1/C2用于实现在增强型微处理STC15F2K60S2控制下的系统关断/打开动作控制，其电路原理图如图3所示。
Figure 3. Schematic diagram of servo motor circuit
图3. 舵机电路原理图
图3中，舵机1-J2/2-J3通过SERVO-C1/C2与STC15F2K60S2引脚P2.7/P2.6连接用于接收该系统的控制信号，行程开关J4用于实现该系统的多级响应控制。
3.3. 通讯模块485
该系统通讯模块485主要用于MAX485 [8] 实现增强型微处理STC15F2K60S2与可燃气体报警器GT-ACE23222a直接的485通讯，其电气原理图如图4所示。
Figure 4. Electrical schematic diagram of communication module 485
图4. 通讯模块485电气原理图
图4中，MAX485的引脚RO/DI通过TX-TTL/RX-TTL与增强型微处理STC15F2K60S2的引脚P3.1/P3.0连接；引脚A/B实现与燃气体报警器GT-ACE23222a的M485+/−的连接。
3.4. 检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a
该系统的检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a [9] 。该检测元件具有总线信号传输，系统抗干扰能力强，布线经济，安装方便快捷；RS485总线通讯(标准MODBUS协议)接口；带显示含声光报警等特点。该系统中检测元件电气原理图如图5所示。
Figure 5. Electrical schematic diagram of detection components
图5. 检测元件电气原理图
图5中，PLUG/PLUG-FLAG通过STC15F2K60S2的引脚P1.2/P5.4将检测元件的状态信息进行通讯；M485+/−通过MAX485实现与STC15F2K60S2的信息通讯。
3.5. 供电电路
该系统供电电路主要选取K7805-3AR3用于实现STC15F2K60S2的5 V供电及GT-ACE23222a的24 V供电，其电气原理图如图6所示。
图6中，本文所涉及系统采用24 V电源供电便于实现GT-ACE23222a的24 V供电，进而采用K7805- 3AR3输出稳定的+5 V电源用于实现该系统舵机、STC15F2K60S2等硬件部分的+5 V供电。
4. 软件编程实现
该系统通过软件编程可以完成系统各部分的控制与通讯。首先在KEIL集成环境 [10] 下采用C语言编写，通过烧录导入到STC15F2K60S2芯片上运行，其软件编程工作流程图如图7所示。
5. 系统测试
在完成该系统硬件部分及软件编程的基础上，实现该燃气检测自保护系统的实物，并选用卡式炉罐气来模拟被测对象可燃气体用于实现系统测试，测试结果示意图如图8所示。
Figure 8. Schematic diagram of system testing: (a) system open; (b) system close
图8. 系统测试示意图：(a) 系统打开；(b) 系统关断
图8中，当可燃气体报警器GT-ACE23222a检测可燃气体值正常时，STC15F2K60S2控制舵机SERVO- C1顺时针/C2逆时针动作，从而保证该系统保持打开状态；当可燃气体报警器GT-ACE23222a检测可燃气体值异常时，STC15F2K60S2控制舵机SERVO-C1逆时针/C2顺时针动作，从而保证该系统保持关断状态。测试结果显示：该系统可以有效的实现燃气检测值异常时的自我保护、自我切断功能；系统具有响应时间短、多级燃气检测值异常保护设置等功能，具有一定的应用价值。
6. 结语
以实现燃气的安全、高效使用为目的，本文设计并实现一种基于增强型微处理器的燃气检测自保护系统。该系统选取增强型微处理STC15F2K60S2作为系统的控制器，双舵机模块SERVO-C1/C2作为系统执行元件，采用MAX485实现检测元件可燃气体报警器GT-ACE23222a和系统控制器之间的信息交互。在完成该系统硬件部分及软件编程的基础上，实现该燃气检测自保护系统的实物，并选用卡式炉罐气来模拟被测对象可燃气体用于实现系统测试。系统测试结果显示：该系统可以有效的实现燃气检测值异常时的自我保护、自我切断功能；系统具有响应时间短、多级燃气检测值异常保护设置等功能，具有一定的应用价值。
基金项目
江苏省市场监督管理局科技项目“燃气预警系统远程测试装置及检测方法研究”(项目编号：KJ2022051)。