劉竹琴，白澤生

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安 716000）

0 引言

隨著石油化學(xué)工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種氣體越來越多地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活，易燃、易爆、有毒氣體的種類和應(yīng)用范圍在不斷增加，及時(shí)可靠地檢測(cè)可燃性氣體，對(duì)于保障安全生產(chǎn)和人民生命健康意義十分重大［1］。20世紀(jì)30年代，國外開始研究開發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速［2，3］。20世紀(jì)60年代，日本研制成了第一臺(tái)接觸燃燒式家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器。我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警器，但主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色［4，5］。目前，國內(nèi)外檢測(cè)可燃性氣體有可燃?xì)怏w探測(cè)器、可燃?xì)怏w檢漏儀、可燃?xì)怏w報(bào)警控制器，這些檢測(cè)儀器側(cè)重不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)一種集探測(cè)、檢漏、報(bào)警為一體的高精度顯示報(bào)警器，且具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、檢測(cè)范圍廣、價(jià)格低廉、多功能等特點(diǎn)，具有十分重要的意義和價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)方案如圖1所示。以傳感器和單片機(jī)為核心，將氣體傳感器檢測(cè)到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，把氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，根據(jù)氣體體積分?jǐn)?shù)和電壓信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再對(duì)該模擬信號(hào)進(jìn)行分析處理，并通過A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示，同時(shí)與編程設(shè)定的安全值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到的氣體體積分?jǐn)?shù)超過安全值時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈點(diǎn)亮或蜂鳴器報(bào)警，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)下降到安全值以下時(shí)，報(bào)警停止 。

圖1 設(shè)計(jì)方案原理圖Fig 1 Principle diagram of design scheme

2 可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)報(bào)警器設(shè)計(jì)

2．1 硬件電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)報(bào)警器硬件電路如圖2所示。主要有半導(dǎo)體氣敏傳 感 器 MQ—2［8，9］、A/D 轉(zhuǎn) 換 器 ADC0804、單 片 機(jī)STC89C52［10，11］、顯示電路和報(bào)警電路等五部分組成。

傳感器MQ—2將檢測(cè)到的可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)變換為電信號(hào)，由連接在其負(fù)載上的電阻器將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804的引腳6實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字輸出信號(hào)（DB0—DB7）直接送給單片機(jī)（ADC0804的18引腳至11引腳依次連接在STC89C52的1引腳至8引腳）的 P1．0—P1．7。單片機(jī)處理后的輸出信號(hào)由STC89C52的32—39腳和21—26腳送給顯示單元顯示當(dāng)前的氣體體積分?jǐn)?shù)，采用的是動(dòng)態(tài)顯示的方法進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)顯示。單片機(jī)輸出同時(shí)控制LED和蜂鳴器聲光報(bào)警電路。LED的正極接電源正極（+5 V），負(fù)極串聯(lián)1 kΩ電阻器后接在單片機(jī)的P2．0端。蜂鳴器采用NPN3041三極管來驅(qū)動(dòng)，三極管基極串聯(lián)一電阻器接在單片機(jī)的集電極P2．1端，發(fā)射極接蜂鳴器后接地。當(dāng)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)小于安全設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)引腳21輸出高電平，引腳22輸出低電平，無聲光報(bào)警;當(dāng)檢測(cè)到的可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)大于體積分?jǐn)?shù)安全設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)引腳21輸出低電平，引腳22輸出高電平，蜂鳴器將報(bào)警，同時(shí)LED閃爍。

電路中還加了2個(gè)手動(dòng)報(bào)警按鍵，單片機(jī) P3．6和P3．7端分別連接1個(gè)按鍵后接地。當(dāng)按下S4時(shí)蜂鳴器報(bào)警，LED閃爍，S5用來取消報(bào)警。

2．2 程序設(shè)計(jì)

主程序流程圖如圖3所示，由于氣體傳感器MQ—2需要一定的預(yù)熱時(shí)間才能可靠工作，所以，采用延時(shí)程序?qū)鞲衅鬟M(jìn)行預(yù)熱。程序設(shè)計(jì)對(duì)傳感器預(yù)熱一段時(shí)間，在預(yù)熱的同時(shí)，設(shè)定所要檢測(cè)可燃性氣體體積分?jǐn)?shù)的上限值。主程序還包括顯示子程序，T0中斷子程序等，以完善顯示報(bào)警的功能。

3 標(biāo)定與實(shí)驗(yàn)

3．1 標(biāo) 定

按照J(rèn)JG 693可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器計(jì)量檢定規(guī)程規(guī)定［4］對(duì)本檢測(cè)報(bào)警器進(jìn)行標(biāo)定，使用的標(biāo)準(zhǔn)氣體是標(biāo)準(zhǔn)瓶裝99．9%的甲烷。標(biāo)定時(shí)，首先給系統(tǒng)加電15 min左右，待傳感器與電路穩(wěn)定工作后開始。在每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)（配制甲烷體積分?jǐn)?shù)0%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%）上正程和返程各測(cè)試2次，取其平均值。由于輸出與輸入呈非線性關(guān)系，故還要對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性化擬合，擬合后的直線所對(duì)應(yīng)的值為最終標(biāo)定值。標(biāo)定報(bào)警點(diǎn)為25%的體積分?jǐn)?shù)值。

3．2 實(shí) 驗(yàn)

標(biāo)定好的檢測(cè)報(bào)警器對(duì)甲烷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，與配制好的甲烷進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1。

表1 測(cè)量數(shù)據(jù)Tab 1 Measurement data

測(cè)試結(jié)果表明:檢測(cè)報(bào)警器很好地實(shí)現(xiàn)了4位數(shù)碼顯示，檢測(cè)甲烷的精度達(dá)到0．01%，檢測(cè)的最大偏差為1．80%，而且能夠在甲烷25%的體積分?jǐn)?shù)值時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警。該檢測(cè)報(bào)警器在實(shí)驗(yàn)室中還對(duì)異丁烷和液化氣進(jìn)行了檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)異丁烷的最大偏差為3．74%，檢測(cè)液化氣的最大偏差為3．45% 。

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖Fig 2 Diagram of system hardware circuit

圖3 主程序流程圖Fig 3 Flow chart of main program

4 結(jié)束語

可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)報(bào)警器硬件電路簡單，成本低，實(shí)現(xiàn)了可燃性氣體的四位顯示，精度達(dá)到了0．01%。應(yīng)用程序用C語言編寫，充分利用芯片資源，提高了測(cè)量精度和代碼執(zhí)行效率，減小代碼容量。對(duì)可燃性氣體采用濾波、線性化處理等，不但最大限度地排除現(xiàn)場(chǎng)噪聲干擾，降低可燃性氣體報(bào)警器誤報(bào)概率，而且實(shí)現(xiàn)了線性化擬合。該檢測(cè)報(bào)警器已在延安市液化氣站和天然氣供應(yīng)公司使用，效果良好。

［1］ 陳城明．一起液化氣鋼瓶爆炸事故的分析和思考［J］．安全與健康，2002（17）:33 －35．

［2］ 楊邦朝，張益康．氣體傳感器研究動(dòng)向［J］．傳感器世界，1997（9）:1－8．

［3］ 徐甲強(qiáng)，韓建軍，孫雨安，等．半導(dǎo)體氣體傳感器敏感機(jī)理的研究進(jìn)展［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（11）:5 －8．

［4］ Hiranaka Y，Abe T．Gas-dependent response in the temperature transient of SnO2gas sensors［J］．Sensors and Actuators B:Chemical，1992，9（3）:177 －182．

［5］ Yamazoe Noboru，Sakai Go，Shimanoe Kengo．Oxide semiconductor gas sensors［J］．Catalysis Survey Asia，2003（7）:63 －75．

［6］ 王彩君，黃智進(jìn)．便攜式氣體濃度測(cè)量儀［J］．傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2000，13（3）:233 －235．

［7］ 羅 勇，毛曉波．紅外檢測(cè)瓦斯傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2007（8）:4－6．

［8］ 蘭建軍，辛紅偉．氣體傳感器在液化氣泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（9）:139 －141．

［9］ 深圳翰群科技有限公司．MQ—2傳感器技術(shù)參數(shù)手冊(cè)［EB/OL］．2011—04—20．http:∥www．contintech．com/canping．a(chǎn)sp?id=57＆offset=9．

［10］羅學(xué)恒．單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010．

［11］潘小青，黎定國，劉紅兵，等．簡易可燃?xì)怏w濃度測(cè)試儀設(shè)計(jì)［J］．華東理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（3）:257 －260．

［12］唐宜新．可燃?xì)怏w報(bào)警器的計(jì)量檢定［J］．廣西質(zhì)量監(jiān)督導(dǎo)報(bào)，2008（11）:29－30．