電量均衡的無線傳感器網絡分簇算法

燃氣(人工煤氣、天然氣、液化石油氣)的普及，提高了生產效率、市民的生活質量，但在使用燃氣的過程中，因燃氣泄漏、廢氣等原因造成的燃氣爆炸、中毒等意外事故時有發(fā)生，給人們的生命和財產安全帶來了嚴重的威脅，因此安全使用燃氣一直是燃氣主管部門工作的重中之重。燃氣泄漏報警器能有效監(jiān)測環(huán)境中可燃氣體或毒性氣體(如CO)的濃度，一旦其濃度超出報警限定值，就能發(fā)出聲光報警信號，并且能自動開啟排風扇把燃氣排出室外，甚至能通過聯(lián)動裝置自動切斷燃氣供應防止燃氣繼續(xù)泄漏，起到安全防范的作用。但報警器選用得是否合理，直接關系到其功能的充分發(fā)揮。該設計所研究的可燃性氣體報警器正是應這種要求而開發(fā)的。

該設計所研究的可燃性氣體報警系統(tǒng)是利用傳感器對可燃氣體濃度信號進行監(jiān)測并且轉變成電壓信號，然后與設定的電壓信號進行比較，當氣體濃度超過設定值時實現(xiàn)智能報警并能打開風扇進行換氣。目前市場上家用可燃性氣體報警器的價格一直居高不下，并且需要定期更換傳感器，更讓人們進一步加大了投資，使得普通用戶難以承受。該設計的燃氣報警裝置的線路簡單，各種器件的價格相對低廉，這使得整體成本大大降低。相信在科技飛速發(fā)展的今天，燃氣報警裝置的價格逐步降低是必然趨勢，燃氣報警裝置將廣泛地被人們認可并普及使用，為人們的人身財產安全樹立一道可靠的屏障。該設計采用氣敏傳感器TGS813對可燃性氣體濃度進行監(jiān)測，正常工作時氣敏傳感器輸出電壓信號與設定的電壓值通過比較器進行比較。當氣體濃度超標時，氣敏傳感器輸出的電壓值超過正常時的電壓值，從而使比較器正向輸出；然后通過三極管放大后，輸出驅動音響裝置發(fā)出聲音并且驅動繼電器線圈使風扇自動打開，從而實現(xiàn)音響報警及自動換氣功能。

1系統(tǒng)的總體設計

該設計的可燃性氣體報警通風裝置，采取單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成。它的電路結構簡單，使用元件相對較少，使其制作成本大大降低，經濟實用，適應了燃氣報警器價格逐步降低的趨勢，具有較高的性價比。圖1即為可燃性氣體報警系統(tǒng)設計的方案框圖，其主要組成電路為：電源電路、穩(wěn)壓電路、傳感器及設定電壓、比較電路、放大電路、風扇控制及報警電路。


具體方案的工作流程分析：電源電路經過降壓變壓器向電路提供12 V的直流電源，經過穩(wěn)壓電路的三端穩(wěn)壓管后輸出8 V穩(wěn)定的電壓，然后通過傳感器后和設定電壓進行比較。當可燃性氣體濃度不超標的時候，傳感器的輸出電壓比設定電壓小，從而使比較電路中電壓比較器反相端輸出低電平，故不能驅動風扇報警電路工作。而當可燃性氣體濃度超標時，傳感器的輸出電壓將大于設定的電壓值，從而使比較電路中電壓比較器同相端輸出高電平，經過放大電路進行信號放大，然后輸出驅動風扇控制的繼電器線圈使風扇自動打開和音響報警電路發(fā)出連續(xù)聲音報警信號。

2 硬件電路的設計

2.1電源模塊的設計

穩(wěn)定的電源是各種電子電路的動力源，被人譽為電路的心臟。眾所皆知，所有用電設備，包括電子儀表、家用電器等對供電電壓都有一定的要求。該設計的電源電路的主要包括兩個部分：電源變壓器和三端穩(wěn)壓管的選擇。電源模塊設計的基本思想是：采用AC220 V／AC12 V的降壓變壓器得到一個交流的12 V電壓，然后經過單相橋式整流電路把交流電流變成直流電流，再經過濾波龜容濾波之后，接到三端穩(wěn)壓管7808后，輸出即為穩(wěn)定的直流8 V電壓。

雖然整流濾波電路能將正弦波變換成較為平滑的直流電壓，但是一方面由于電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產生相應的波動；另一方面由于整流濾波電路內阻的存在，當負載變化時，內阻上的電壓將發(fā)生變化，于是輸出電壓平均值也隨之產生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網電壓的波動而波動，隨著負載電阻的變化而變化，為了獲得良好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。即在電源電路中加入了三端集成穩(wěn)壓器LM7808進行穩(wěn)壓。

三端穩(wěn)壓管是指只有三條引腳輸出的集成電路，用78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。一般三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入／輸出電壓差約為2 V，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓。一般應使電壓差保持在4～5 V，即經變壓器變壓，晶閘管整流，電容器濾波后的電壓應比穩(wěn)壓值高一些。因電路需要的電壓為8 V，而經變壓器及整流裝置輸出的電壓為12 V左右，故該設計選用IC7808型三端穩(wěn)壓管，輸出8 V的穩(wěn)定電壓。

具體的電源模塊及三端穩(wěn)壓管連接圖如圖2所示。



2.2 氣敏傳感器的選擇

隨著微電腦和微電子技術的日益普及和應用，對傳感器的性能、數(shù)量及用途提出了新的需求，這就使人們更加重視對新型傳感器的開發(fā)。

傳感器電路設計的基本思想：電路通過三端穩(wěn)壓管IC7808輸出8 V的恒定電壓，供給傳感器的加熱電路和檢測電路。加熱電路需要5 V的電壓才能正常工作，所以在傳感器的加熱電路上串聯(lián)一個電阻使加熱電路能夠得到5 V的正常工作電壓。檢測電路由氣敏傳感器TGS813，R1和滑動變阻器RL組成，輸出電壓進入電壓比較器的同相輸入端，它是R1和RL電阻兩端的壓降輸出?？扇夹詺怏w與傳感器相接觸并且濃度超標時，檢測電路的輸出電壓將會超過設定的基準電壓，這時比較器同相端輸出高電平，使后面的三極管起到作用，從而驅動喇叭和繼電器線圈進行工作。

氣敏傳感器種類繁多。這里的通風裝置所用的氣敏傳感器TGS813屬N型半導體類氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結體。當吸附還原性氣體(例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機溶劑蒸氣等)時，電導率上升。當恢復到清潔空氣中時，電導率恢復。TGS傳感器就是將這種電導率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測出氣體的濃度。

TGS傳感器最大優(yōu)點是壽命長，TGS傳感器的靈敏度特性只隨四季的溫濕度變化而呈周期性變化，并沒有單調變化的趨勢，說明SnO2半導體氣體傳感器有極長的壽命。因設計是針對家用可燃性氣體的，故選擇針對天然氣、液化氣的TGS813型氣敏傳感器對氣體進行監(jiān)測。TGS813氣敏傳感器的主要參數(shù)：加熱電壓為DC／AC(5 V±0.2 V)，著火溫度537℃，爆炸極限為5％～15％，溫度為200℃T≤300℃_。傳感器設定的警告報警濃度應該為LEL(爆炸下限)的10％，危險報警濃度應該為LEL(爆炸下限)的20％，而TGS813型氣敏傳感器的爆炸極限是5％(空氣中的百分比)，也就是50 000 ppm，故報警濃度應為5 000～10 000 ppm。

為了補償溫度和濕度對傳感器特性的影響，同時為了獲得更高的精度，故使用熱敏電阻或濕敏傳感器對電路進行補償。該設計的傳感器電路及溫度補償電路如圖3所示。



2.3 信號比較放大回路的設計

信號比較放大電路的作用：當氣體濃度超標時，傳感器將輸出比設定電壓更大的電壓信號。該信號經過電壓比較器后正向輸出，然后在經過放大三極管進行放大，從而有足夠的電流去驅動繼電器線圈和音響報警裝置。信號比較放大的基本電路圖如圖4所示。


2.4報警通風裝置電路的設計

報警電路是系統(tǒng)的重要組成部分之一。要求設計的報警裝置能夠連續(xù)報警，故不能夠直接在電路中接蜂鳴器和喇叭裝置，必須在電路中接有能夠連續(xù)產生脈沖信號的裝置。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動地產生矩形脈沖，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又把矩形波振蕩器叫作多諧振蕩器。

555定時器是一種多用途的數(shù)／?；旌霞呻娐?，利用它能極方便地構成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等裝置。它使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產生與變換、測量與控制等很多領域都得到了廣泛的應用。故該設計選擇NE555構成的多諧振蕩器作為脈沖信號源。在NE555多諧振蕩器的輸出引腳接一個起放大作用的三極管，從而保證電路有足夠大的電流去驅動揚聲器。風扇控制電路也是系統(tǒng)的組成部分之一。該設計的風扇控制采用了繼電器控制的方式。繼電器是一種根據(jù)外界輸入的一定信號(電的或非電的)來