張玉杰，伍瑩瑩

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西西安　710021)

0　引言

針對消防壓力氣瓶存在的問題[1-2]，文中提出一種消防壓力氣瓶安全監(jiān)控裝置，其實時監(jiān)控氣瓶內(nèi)氣壓和氣瓶承壓狀態(tài)，系統(tǒng)自動監(jiān)測并能夠?qū)崟r發(fā)現(xiàn)故障并報警，消防壓力氣瓶及時處理各種故障。對氣瓶的承壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)檢測到氣壓值超出預(yù)設(shè)壓力閾值時，則驅(qū)動電磁閥動作執(zhí)行爆破，避免爆炸、漏氣等事故的發(fā)生，確保消防設(shè)施安全運(yùn)行。當(dāng)監(jiān)測到氣瓶出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，則通過LED指示燈立即報警，通知管理員及時維修。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

消防壓力氣瓶安全監(jiān)控設(shè)備實時檢測氣瓶壓力狀態(tài)，氣瓶壓力狀態(tài)檢測包括承壓狀態(tài)檢測和氣瓶內(nèi)部氣壓狀態(tài)檢測。監(jiān)控設(shè)備對氣壓狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷氣瓶處于正常狀態(tài)，還是出現(xiàn)裂紋或者漏氣現(xiàn)象，通過LED指示燈指示氣瓶當(dāng)前的狀態(tài)。如果氣瓶出現(xiàn)裂紋，則驅(qū)動爆破執(zhí)行電路，強(qiáng)制消防壓力氣瓶放氣，防止意外事故的發(fā)生。如果氣瓶出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，則通過LED指示燈指示氣瓶出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。消防壓力氣瓶總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　消防壓力氣瓶總體結(jié)構(gòu)框圖

其以SONIX27E65微控制器為核心，包括電源電路、承壓狀態(tài)檢測電路、內(nèi)部氣壓檢測電路、自檢電路、爆破執(zhí)行電路、LED指示燈電路。

2　氣瓶監(jiān)控設(shè)備硬件設(shè)計

氣瓶狀態(tài)檢測包括承壓狀態(tài)檢測和氣瓶內(nèi)部氣壓狀態(tài)檢測，下面分別介紹。

2．1承壓狀態(tài)檢測電路設(shè)計

PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子壓電材料，它既具有壓電性又有薄膜柔軟的機(jī)械性能，靈敏度高、頻帶寬、使用方便、能緊貼體壁等一系列特點(diǎn)。PVDF壓力傳感器的測量原理是PVDF薄膜在承受一定外力或變形時，薄膜的2個極化面就會產(chǎn)生大小相等、極性相反的電荷，因此可以把它看成是二極板上聚集異性電荷，中間為絕緣體的電容器[3]。在開路狀態(tài)下，其輸出端的電荷和電壓關(guān)系式為：

將PVDF制作成條狀，并以螺旋狀緊貼于消防壓力氣瓶的瓶壁外表面，當(dāng)消防壓力氣瓶因裂紋擴(kuò)張而出現(xiàn)快速膨脹時，PVDF傳感器的應(yīng)變信號經(jīng)放大轉(zhuǎn)換為電壓信號，微控制器通過檢測此電壓信號來檢測消防壓力氣瓶承壓狀態(tài)。PVDF壓電薄膜傳感器具有高內(nèi)阻的特點(diǎn)，其輸出信號的前置放大電路設(shè)計必須滿足輸入和PVDF傳感器的阻抗匹配，即把PVDF的高阻抗輸入轉(zhuǎn)換成低阻抗輸出，同時將輸出微弱信號放大以便于后續(xù)處理。

圖2　PVDF壓電傳感器前置放大電路

采用超低噪聲、高速、高輸入阻抗的AD745運(yùn)算放大器進(jìn)行電荷放大，電荷放大電路為信號調(diào)理電路中第一級，原始的電荷信號經(jīng)過電荷放大電路之后轉(zhuǎn)換成電壓信號。第二級放大電路采用低功耗精密運(yùn)算放大器OP07，第二級放大實際上是對前置電荷放大電路的一個適當(dāng)調(diào)節(jié)，如：

式中：Vi為電荷放大器的輸入;Vo為放大電路的輸出。

第三級為整流電路，將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號，微控制器通過檢測此直流電壓信號，對氣瓶的承壓狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)檢測到氣壓值超出預(yù)設(shè)壓力閾值時，則驅(qū)動電磁閥動作執(zhí)行爆破。

2．2內(nèi)部氣壓檢測電路設(shè)計

內(nèi)部氣壓檢測電路采用X型硅壓力傳感器MPX2100，將壓力信號轉(zhuǎn)換為差模電壓信號，其轉(zhuǎn)換精度高、靈敏性強(qiáng)、線性度好。MPX2100的2引腳和4引腳之間輸出與壓力成正比的差模電壓信號，U1A主要完成差模信號的放大，U1B是電壓跟隨器，用于防止運(yùn)放的反饋電流流入傳感器的負(fù)端，U1C和U1D用于電壓信號的調(diào)節(jié)，最終形成Vout1電壓信號(0～4.9 V)。零壓力時，傳感器的2和4端之間的壓力差為零。設(shè)2端和4端的共模電壓各為4 V，則U1A的端電壓也是4 V，該電壓經(jīng)U1C和U1D電路使其輸出為零。輸出端的零壓力偏置由R16和RP1引入。放大器的增益為

合理的選擇增益使傳感器滿量程輸出時，輸出端的電壓達(dá)到合理的單片機(jī)可以采集到的值。該電壓信號接入SONIX27E65的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換通道，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到對應(yīng)的壓力，從而實現(xiàn)對鋼瓶內(nèi)部氣壓的監(jiān)測。

圖3　內(nèi)部氣壓檢測電路

通過在消防壓力氣瓶內(nèi)的瓶塞處安裝MPX2100氣壓傳感器來實時檢測瓶內(nèi)氣體的壓力，當(dāng)檢測到的氣壓值低于預(yù)設(shè)氣壓閾值，則判斷壓力氣瓶存在漏氣現(xiàn)象，對于壓力不足的氣瓶則要及時進(jìn)行故障報警，通知管理員及時維修避免壓力不足而引起滅火效果不佳。

2．3爆破執(zhí)行電路設(shè)計

電磁閥采用型號為ZYE-1038的直流推拉式電磁鐵，電磁閥安裝在消防壓力氣瓶外的瓶塞處，當(dāng)微控制器通過PVDF傳感器檢測到壓力氣瓶發(fā)生膨脹時，則在P2．0和P0．0輸出低電平，光耦U2和U3的輸出端導(dǎo)通，光耦U3的引腳4被拉低，MOS管Q3導(dǎo)通，驅(qū)動電磁閥動作執(zhí)行爆破，強(qiáng)制消防壓力氣瓶放氣，防止意外事故的發(fā)生。

圖4　爆破執(zhí)行電路

3　氣瓶軟件設(shè)計

氣瓶程序設(shè)計采用層次化設(shè)計思想，以任務(wù)驅(qū)動的方式完成程序設(shè)計，軟件劃分為應(yīng)用層、界面層和底層驅(qū)動層3個層次[4]，氣瓶節(jié)點(diǎn)的軟件架構(gòu)圖如圖5所示。底層驅(qū)動層主要包含EEPROM存儲器操作、LED指示、中斷和定時這些與硬件相關(guān)的驅(qū)動程序，界面層主要為應(yīng)用層與底層驅(qū)動之間提供數(shù)據(jù)交互，應(yīng)用層是通過對界面層各個變量以及標(biāo)志位的操作控制底層驅(qū)動層各模塊來完成所需功能，根據(jù)氣瓶節(jié)點(diǎn)功能，將應(yīng)用層劃分為數(shù)據(jù)采集任務(wù)、傳感器自檢任務(wù)、電磁閥自檢任務(wù)、故障報警任務(wù)[5]。為了保證系統(tǒng)的可靠性，避免電磁閥執(zhí)行誤動作，因此，將通過P1．0對控制端口P2．0電平進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)P2．0為低電平時，微控制器通過P1．0讀取P2．0電平，每隔5ms讀取1次，如果讀取3次都為低電平，說明P2．0口輸出的信號不是干擾脈沖，則將P0．0拉低，驅(qū)動電磁閥動作執(zhí)行爆破。電磁閥執(zhí)行任務(wù)流程圖如圖6所示。

圖5　氣瓶節(jié)點(diǎn)軟件架構(gòu)圖

圖6　電磁閥執(zhí)行任務(wù)流程圖

4　結(jié)束語

系統(tǒng)以SONIX27E65為核心處理器，設(shè)計了一種消防壓力氣瓶安全監(jiān)控設(shè)備，系統(tǒng)能夠有效解決消防壓力氣瓶因裂紋或損傷而突發(fā)性爆炸、慢性漏氣、故障檢測不便等問題，保障了人民的生命和財產(chǎn)安全。試驗測試表明，該系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，效率高，故障檢測準(zhǔn)確度高、操作靈活方便，實時性好。在實際消防應(yīng)用中，能夠滿足消防壓力氣瓶對瓶內(nèi)氣壓和氣瓶承壓狀態(tài)實時監(jiān)控，自動監(jiān)測能實時發(fā)現(xiàn)故障并報警，避免突發(fā)性爆炸和漏氣現(xiàn)象的功能需求。

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