黃 歆

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

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新型可燃性氣體報(bào)警儀的研制

黃 歆

(南京工業(yè)大學(xué) 電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京 211816)

介紹新型可燃性氣體報(bào)警儀的設(shè)計(jì)，可用于對(duì)丙烷、丁烷、氫氣及其他可燃性氣體的檢測，用于檢測可燃?xì)怏w爆炸性；采用C8051F020單片機(jī)，通過2M007型電阻式氣敏傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過放大電路放大，傳入單片機(jī)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用算術(shù)平均濾波對(duì)數(shù)據(jù)過濾，再通過一系列的數(shù)據(jù)處理，顯示可燃性氣體濃度，通訊方式采用以sim300通訊模塊的GPRS通訊的新型可燃性氣體報(bào)警系統(tǒng)；軟件設(shè)計(jì)采用C語言編程，靈活方便、具有強(qiáng)大的移植性；如空氣中可燃性氣體濃度超標(biāo)，開始報(bào)警，顯示屏上顯示出大于閥值的可燃性氣體濃度，且通過無線通訊使手機(jī)也正常收到了報(bào)警短信；該系統(tǒng)功能齊全，操作簡便，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

可燃性氣體；報(bào)警；濃度測量; GPRS

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，可燃性氣體作為新的能源，越來越多地出現(xiàn)在日常生活中和工業(yè)生產(chǎn)中，體現(xiàn)了重要的工業(yè)價(jià)值，給人們帶來利益的同時(shí)，也帶來了安全隱患。

如果有可燃性氣體泄漏，又沒有得到一個(gè)有效地處理，就會(huì)產(chǎn)生極大的惡性后果，所以必須可靠且及時(shí)檢測可燃性氣體[1]。

1 可燃性氣體報(bào)警儀的結(jié)構(gòu)及原理

可燃性氣體報(bào)警儀以C8051F020單片機(jī)為核心，使用2M007電阻式氣體傳感器，配合外圍設(shè)備采集信號(hào)、放大電路、顯示濃度、顯示狀態(tài)、報(bào)警等。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

傳感器將采集到的微弱的電壓信號(hào)經(jīng)過放大，接著傳給單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換，然后對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，算出對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值，數(shù)據(jù)濾波、判斷是否超出報(bào)警限值，正常狀態(tài)時(shí)指示燈綠色常亮，一旦超過報(bào)警限值指示燈紅色閃爍并伴隨著警鈴。

當(dāng)有可燃性氣體(如CH4)在空氣中出現(xiàn)時(shí)，傳感器內(nèi)電阻會(huì)產(chǎn)生變化，形成電壓差，再經(jīng)信號(hào)調(diào)理送入單片機(jī)進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理就可以得出傳感器現(xiàn)在的電阻。然后根據(jù)電阻與可燃性氣體濃度之間的映射關(guān)系就可以算出可燃性氣體的濃度。

可燃性氣體的濃度和電阻的關(guān)系如下：

(1)

式中,C為檢測氣體的濃度；RS為一定濃度下的傳感器電阻；m為器件對(duì)氣體濃度變化的敏感性;n與氣體類型，器件材料有關(guān)。

2 可燃性氣體報(bào)警儀的硬件設(shè)計(jì)

2.1 可燃性氣體報(bào)警儀的設(shè)計(jì)方案

在可燃性氣體報(bào)警儀中，采用C8051F020單片機(jī)。是一種功能強(qiáng)大微控制器，可處理多種混合信號(hào)高效且兼容MCS-51指令集，帶12位AD轉(zhuǎn)換，積分非線性誤差小于±0.75LSB。它接受來自傳感器檢測到的濃度信號(hào)，然后對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理，然后數(shù)字濾波，最后送給LCD顯示，并控制后續(xù)電路的動(dòng)作，同時(shí)查詢是否有按鍵按下。值班人員能實(shí)時(shí)觀測到可氣體濃度，做出相應(yīng)處理，當(dāng)氣體濃度大于設(shè)定值產(chǎn)生報(bào)警，同時(shí)通過GPRS給手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。可燃性氣體報(bào)警儀主要由測量傳感器模塊、放大電路、報(bào)警、鍵盤、LCD、通訊模塊等組成。如圖2所示。

圖2 硬件框圖

2.2 2M007型半導(dǎo)體氣敏元件檢測原理

采用了2M007型氣體傳感器，此半導(dǎo)體屬于氧化錫氣敏材料，當(dāng)以恒定直流電源通過加熱絲進(jìn)行加熱，使元件處在200～300 ℃時(shí)，氧化錫吸附氧，形成氧的負(fù)離子吸附，元件中的電子密度減少。當(dāng)空氣中有可燃性氣體存在時(shí)會(huì)引起電導(dǎo)率的變化，阻值變化，將濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。2M007氣體傳感器的檢測原理如圖3，其中2-5為加熱絲兩級(jí)之間為加熱電壓5 V，6-4為敏感電阻第一測量極，3-1為敏感電阻第二測量極。

圖3 半導(dǎo)體元件檢測原理

2.3 信號(hào)放大電路

傳感器檢測到的可燃性氣體濃度信號(hào)是十分微弱的，所以有必要對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大，使電壓信號(hào)滿足C8051F020單片機(jī)輸入要求，2M007是半導(dǎo)體型氣體傳感器，是電阻型傳感器，因此串聯(lián)一個(gè)參考電阻后經(jīng)過放大電路可將放大信號(hào)傳遞給C8051F020單片機(jī)內(nèi)部的ADC進(jìn)行處理。電路使用單極性供電，所以使用同相比例放大電路，可減少開銷。傳感器輸出的信號(hào)Vi經(jīng)過運(yùn)放的同相端，輸出電壓V0通過R4接到運(yùn)放的反相端并通過R3接到參考電壓。由集成運(yùn)算放大器的特性可知:

(2)

(3)

由式(2)(3)可以得出:

(4)

所以電路的放大倍數(shù)：

(5)

圖4 放大電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

軟件程序包括: 初始化、濃度采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊、報(bào)警等。程序用C語言編寫，選用silicon Labs的集成開發(fā)環(huán)境，它具有基本測試項(xiàng)目的各項(xiàng)功能，該軟件的主要特點(diǎn)包括：可配置口字體；還具有單步調(diào)試和斷點(diǎn)監(jiān)視的功能；可以通過仿真器和單片機(jī)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 可燃性氣體濃度數(shù)據(jù)處理

(6)

根據(jù)一元函數(shù)求極值原理可得：

(7)

平均值濾波法對(duì)信號(hào)的平滑度取決于N。N越大，平滑度越高，但濾波系統(tǒng)的靈敏性變低；采樣次數(shù)N相對(duì)小時(shí)，平滑程度低，但濾波系統(tǒng)的靈敏性高。最后應(yīng)平衡計(jì)算時(shí)間和濾波效果，選取適當(dāng)?shù)牟蓸又礜。它適用于對(duì)周期脈動(dòng)信號(hào)的濾波。所以本系統(tǒng)采用算術(shù)平均值法。

4 通訊

采用無線GPRS通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場情況。首先要配置無線通信模塊，本系統(tǒng)使用的是SIM300，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，實(shí)現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)的高速傳輸。

使用方法：用戶要找到一個(gè)有IP地址的服務(wù)器，通過sim300進(jìn)行連接，接通后會(huì)有提示，最后sim300向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)就可以了。發(fā)送程序比較繁瑣，這里就不寫出，下面寫出較為簡單的接收程序：

Void GET(void)

{ unsigned char data_over=0;

T0_10ms_count=0;

RI=0;

do{while(!RI)

{if(T0_10ms_count==3000) { data_over=1;

break; }

};

RI=0;

*i=SBUF;

if(*i==0x0A&&*(i-1)==0x0D)

{if(*(i-2)=='K'||*(i-2)=='R'||*(i-2)=='T') {if(*(i-3)=='O'||*(i-3)=='C'||*(i-3)=='E')

data_voer=1; }}

i++;}

while(data_over!=1);

i=AT_BUFF;

Delay (50000);

}

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

讓可燃性報(bào)警器預(yù)熱3分鐘，裝置運(yùn)行正常，警燈警鈴都沒有出現(xiàn)報(bào)警狀況，在空氣中加入適量的民用煤氣10秒鐘左右，開始報(bào)警，顯示屏上顯示出大于閥值的氣體濃度(實(shí)驗(yàn)時(shí)濃度達(dá)到22%，報(bào)警器閥值設(shè)置是20%)，且手機(jī)也正常收到了報(bào)警短信，把裝置拿到正?？諝庀录s一分鐘停止報(bào)警。從以上實(shí)驗(yàn)可以證明該可燃性報(bào)警器可投入工業(yè)使用，或者民用。

6 結(jié)束語

可燃性氣體報(bào)警器主要用于檢測所在工業(yè)現(xiàn)場中的可燃?xì)怏w的濃度，然后將測得的氣體濃度信號(hào)通過GPRS發(fā)送給報(bào)警平臺(tái)，通過LCD顯示氣體濃度值。當(dāng)濃度值超過報(bào)警回差時(shí)，可以通過繼電器輸出控制警鈴和警燈，以告知現(xiàn)場工作人員并及時(shí)采取措施。它可以廣泛運(yùn)用于工業(yè)場合，具有較高的實(shí)用價(jià)值及發(fā)展背景[3]。

[1] 高京衛(wèi),李 軍,韓 毅,等.基于ADμC812單片機(jī)的可燃性氣體監(jiān)測報(bào)警儀的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子術(shù),2008,31(2):189-191.

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Development of a New Type Combustible Gas Alarm Apparatus

Huang Xin

(College of Electrical Engineering and Control Science, Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China)

This paper Introduces a new type of combustible gas alarm system whose main controller is C8051F020 ,it is through bridge circuit measurement signal and differential amplifier circuit amplifier, then the arithmetic average filter is adopted to data filtering, and through a series of data processing, display of combustible gas concentration. Its communication is based on sim300 GPRS communications module communication . The system is simple, and fully functional, and it has the very high application value.

combustible gas; give an alarm;concentration measurement;GPRS

2014-05-08；

2014-06-24。

黃 歆 (1990-) ，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要從事工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與監(jiān)控，工業(yè)檢測儀表設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0296-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.083

TP216

A