洪俊雄，朱兆優(yōu)

（東華理工大學(xué)電子工程系，江西 撫州 344000）

在石油、煤炭、化工生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)裝置時?？赡苄孤┛扇夹詺怏w如CO、CH4等，當(dāng)這些氣體濃度在空氣中達(dá)到一定數(shù)值時，隨時有可能發(fā)生爆炸、火災(zāi)事故，威脅著工作人員和設(shè)備的安全。因此，在生產(chǎn)過程中，嚴(yán)密監(jiān)測空氣中可燃性氣體濃度，是能否安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。

文章介紹了可燃?xì)怏w檢測與報警裝置的硬件及軟件設(shè)計，該裝置可以通過更換氣體傳感器，來實現(xiàn)不同可燃性氣體濃度的檢測與報警。

1 硬件電路設(shè)計

（1）硬件電路結(jié)構(gòu)。本裝置以單片機(jī)為核心，其硬件電路主要包括氣體檢測模塊、指示燈和蜂鳴器、機(jī)械手驅(qū)動模塊、遠(yuǎn)程報警控制電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

（2）主控制器的特點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了片內(nèi)帶有A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)STC12C5201AD，其特點(diǎn)如下：①高速：1個時鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核；②寬電壓，不怕電源抖動：5.5～3.3V；③寬溫度范圍：-40℃～85℃；④增加第二復(fù)位功能腳（內(nèi)部高可靠復(fù)位，可調(diào)整復(fù)位門檻電壓）；⑤增加外部掉電檢測電路（P1.2），可在掉電時，及時將數(shù)據(jù)保存進(jìn)EEPROM；⑥低功耗設(shè)計：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）；⑦工作頻率：0～35MHz，相當(dāng)普通 8051：0～420MHz⑧時鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設(shè)置;⑨1K字節(jié)片內(nèi)FLASH程序存儲器，256字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器；⑩有片內(nèi) EEPROM，有硬件看門狗（WDT）；輥輯訛ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器/仿真器；輥輰訛8通道，8位高速ADC，速度可達(dá)30萬次/秒，2路PWM還可當(dāng)2路D/A 使 用 ；輥輱訛2 通 道 捕 獲/比 較 單 元 （PWM/PCA/CCP）；輥輲訛4 個16位定時器：兼容普通8051的定時器T0/T1，2路PCA實現(xiàn)2 個定時器；輥輳訛全雙工異步串行口（UART），兼容普通 8051 的串口；輥輴訛無法解密 ，采用宏晶最新第六代加密技術(shù)；輥輵訛超強(qiáng)抗干擾：高抗靜電，輕松過4KV快速脈沖干擾。

（3）可燃?xì)怏w檢測?？扇?xì)怏w檢測由可燃?xì)怏w傳感器來實現(xiàn)，它是一種對單一或多種可燃?xì)怏w濃度具有靈敏響應(yīng)的探測器?？扇?xì)怏w傳感器有催化型和紅外光學(xué)型兩種。催化型可燃?xì)怏w傳感器是利用難熔金屬鉑加熱后的電阻變化來測定其氣體濃度，當(dāng)可燃?xì)怏w進(jìn)入探測器時，在鉑絲表面引起氧化反應(yīng)（無焰燃燒），其產(chǎn)生的熱量使鉑絲的溫度升高，而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化；而紅外光學(xué)型，則是利用紅外傳感器通過紅外線光源的吸收原理來檢測現(xiàn)場環(huán)境的碳?xì)漕惪扇細(xì)怏w。

圖2 氣體檢測流程

本裝置采用催化型可燃?xì)怏w傳感器，將氣體濃度值的變化轉(zhuǎn)換為電路中電阻值的變化，進(jìn)而由硬件電路實現(xiàn)到電壓值的轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。由于本裝置對精度要求不高，因而采用MCU片內(nèi)的8位A/D，具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化流程如圖2所示。

（4）氣體超標(biāo)報警處理。通過氣體檢測電路與片內(nèi)A/D，獲得氣體濃度值對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)，與系統(tǒng)設(shè)定的報警臨界值比較，如果處于報警范圍之內(nèi)，則通過發(fā)光二極管的閃爍和蜂鳴器的鳴叫來實現(xiàn)報警動作，解決了可燃性氣體報警的問題。

當(dāng)系統(tǒng)處于報警狀態(tài)時，可以通過操作繼電器來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制報警，也可以通過操作繼電器來驅(qū)動機(jī)械手動作——打開或者關(guān)閉氣閥，來實現(xiàn)報警后的系統(tǒng)自處理，解除系統(tǒng)的報警狀態(tài)，進(jìn)入報警提示狀態(tài)——指示之前出現(xiàn)過報警狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，僅報警指示燈閃爍，蜂鳴器關(guān)閉，該狀態(tài)可由手動按鍵取消。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本裝置軟件設(shè)計包括氣體濃度數(shù)據(jù)采集模塊、氣體報警臨界點(diǎn)標(biāo)定模塊和按鍵處理模塊。

（1）氣體濃度采樣。把可燃?xì)怏w傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過調(diào)理后輸入到單片機(jī)的A/D采樣端口，電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值 （本系統(tǒng)采用5V作參考電壓），單片機(jī)用定時器控制在一定時間間隔內(nèi)采集一次A/D轉(zhuǎn)換值。氣體濃度經(jīng)氣體傳感器轉(zhuǎn)換的電壓值U與對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)值X有這種關(guān)系：U/5=X/255，其中U的單位為V。為了減小誤差，采取8次連續(xù)A/D轉(zhuǎn)換取平均值。

（2）臨界點(diǎn)標(biāo)定。在通常意義上，報警臨界點(diǎn)的設(shè)定是直接在程序中通過運(yùn)算設(shè)定相應(yīng)的濃度值，而在該裝置中是采用系統(tǒng)標(biāo)定模式下人工設(shè)定報警臨界點(diǎn)。系統(tǒng)初始進(jìn)入標(biāo)定模式，進(jìn)行氣體報警臨界點(diǎn)的標(biāo)定，即通過A/D轉(zhuǎn)換獲取最終的氣體濃度值，作為后面系統(tǒng)正常監(jiān)測模式下取得的A/D轉(zhuǎn)換值的報警狀態(tài)判定值。同樣，在該處A/D采樣也采用連續(xù)8次取平均值。

（3）按鍵處理。系統(tǒng)在設(shè)定周期內(nèi)查詢按鍵，根據(jù)不同的系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理——即當(dāng)系統(tǒng)是處于正常監(jiān)測狀態(tài)，進(jìn)行一種處理；當(dāng)系統(tǒng)處于報警狀態(tài)（包括報警提示狀態(tài)），進(jìn)行另一種處理。

（4）主要流程圖。主要流程圖見圖3、圖4。

圖4 主程序流程圖

3 結(jié)語

基于STC12C5201AD單片機(jī)的可燃?xì)怏w檢測與報警裝置具有小型化、智能化、操作使用簡單以及較強(qiáng)的抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，信號檢測和報警準(zhǔn)確。經(jīng)生產(chǎn)單位對其性能進(jìn)行測試，符合設(shè)計要求，能夠在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用，也可以在家庭中預(yù)防煤氣泄漏方面應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]朱兆優(yōu).單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]王來忠，馮展杭.可燃?xì)怏w檢測報警聯(lián)動排風(fēng)控制系統(tǒng)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（8）:39-40.

[3]汪冰冰，劉曉波.工業(yè)過程CO氣體濃度檢測技術(shù)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（2）:61-63.