王志斌，李世中，崔 巍

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

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煤氣泄漏自動報警與自動排氣裝置設計

王志斌，李世中，崔 巍

(中北大學 機電工程學院，太原 030051)

針對目前市場中的煤氣報警器生產(chǎn)成本高和檢測到煤氣泄漏沒有相應自動處理功能的問題，提出了多點自動檢測、自動報警和自動排氣的方案；設計了多檢測點的無線傳輸電路，自動報警及自動排氣電路；為了實現(xiàn)無線傳輸?shù)哪康?，對無線傳輸?shù)陌l(fā)送與接收程序進行了設計；通過軟件仿真工具對煤氣泄漏自動報警與自動排氣裝置的電路進行仿真與分析；實驗結果，基于相同的一氧化碳檢測指標要求，煤氣泄漏自動報警與自動排氣裝置的硬件電路選用性能相對較差的一氧化碳傳感器可以檢測到一氧化碳的泄漏信號；實驗結論，采用多點自動檢測報警的措施降低了對傳感器性能的要求，達到了降低成本的目的，自動排氣功能增強了報警器的綜合性能。

煤氣泄漏;無線傳輸;多點檢測;自動報警;自動排氣

0 引言

煤氣作為一種重要的燃料被廣泛用于各種工業(yè)爐和實際生活中，給生活和生產(chǎn)帶來便利的同時也帶來了許多的安全隱患。經(jīng)過調(diào)查和查詢相關資料發(fā)現(xiàn)，煤氣報警產(chǎn)品并沒有在生產(chǎn)尤其是生活中得到廣泛的應用。主要原因是相關報警器產(chǎn)品采用單個一氧化碳傳感器進行檢測，相應的對一氧化碳傳感器的性能要求比較高，從而導致了生產(chǎn)成本高，針對這一問題提出采用多點檢測的方案。相關的煤氣報警器產(chǎn)品檢測到煤氣泄漏時只有提醒的功能，沒有相應的自動處理功能，針對這一問題提出了通過報警器與排氣扇有機整合以實現(xiàn)自動排氣的方案。

1 多點檢測的理論分析

室內(nèi)的一氧化碳濃度要求不超過24 ppm。 一氧化碳濃度100 ppm是允許的最大值。設某一空間(廚房抽象成長方體V1模型研究)為長3 m、寬2 m、高3 m的長方體空間，體積是18 m3。如果廚房內(nèi)煤氣泄漏的體積VO≥(18×10-4)/cm3，則分辨率為1 ppm的一氧化碳傳感器就能檢測到煤氣泄露(c為煤氣中一氧化碳的濃度，作為煤氣的主要成分之一，一般占23%～31%左右。)。如果按照相關的煤氣報警器產(chǎn)品采用單點檢測的原理(報警器中只使用單個的一氧化碳傳感器)，對一氧化碳傳感器各項性能指標都有較高的要求。

如果將長方體空間劃分成若干個相同的小的長方體空間，取特定的小長方體空間V2作為研究對象。綜合考慮泄漏煤氣擴散速度v與一氧化碳傳感器的響應時間t等因素，當煤氣發(fā)生泄漏時(相對于長方體V1模型，泄漏的煤氣中的一氧化碳濃度大于等于100 ppm),所研究的小長方體空間可以把泄漏的煤氣都囊括進來。因此，研究對象小長方體空間V2中一氧化碳的濃度是長方體空間V1的β倍(β=(V1/V2))。如果將煤氣泄漏的檢測點布置在長方體空間V2內(nèi)，那么選用相對分辨率和靈敏度較低的一氧化碳傳感器也能達到的檢測性能要求 。對一氧化碳分辨率和靈敏度等各方面的性能降低了要求，從而達到降低成本的目的。

由于煤氣發(fā)生泄漏的小的長方體空間不能確定，因此提出了布置多點檢測的方案。根據(jù)不同的廚房面積以及不同的使用環(huán)境等因素可以靈活的選取檢測點的個數(shù)。

2 煤氣泄漏自動報警與自動排氣裝置總體方案設計

2.1 系統(tǒng)的組成

煤氣泄漏自動報警與自動排氣裝置系統(tǒng)由信號處理與識別電路、單片機STC89C52與NRF905模塊[1]組成的無線傳輸電路和外圍控制電路三部分組成。系統(tǒng)的方塊圖1中，虛線框內(nèi)是一個檢測點的組成部分。根據(jù)具體的應用場合，系統(tǒng)可以包含不同的檢測點個數(shù)，如A檢測點、B檢測點等等。系統(tǒng)的方塊圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的方塊圖

2.2 系統(tǒng)的工作原理

一氧化碳傳感器檢測到煤氣的泄漏信號時，經(jīng)過信號的預處理濾波和放大[2]，再經(jīng)過積分器和電壓比較器的識別。自動檢測電路的比較器輸出一個電平(UOH、UOL)，經(jīng)過ADC0804轉換[1]輸出8位二進制數(shù)，程序?qū)敵龆M制數(shù)的大小進行判斷。如果大于比較值，通過程序?qū)⒎澍Q器與單片機STC89C52相連的接口賦為低電平，蜂鳴器發(fā)出聲響，NRF905發(fā)送模塊發(fā)送預設的數(shù)據(jù)，NRF905接收模塊接收數(shù)據(jù)，通過程序?qū)⑼鈬刂齐娐放c單片機STC89C52相連的接口賦為低電平，外圍控制電路工作，最后控制排氣扇的狀態(tài)[2-4]。如果小于比較值，將不執(zhí)行后面的動作，繼續(xù)與下次ADC0804轉化后的二進制數(shù)進行比較。

多點檢測的方塊圖中進氣扇和排氣扇采用對稱布置，增強排氣效果。定時器開關與繼電器的開關是并聯(lián)關系，二者任意一個開關閉合，氣扇都能正常工作。

3 電路設計

3.1 自動檢測電路

選用LM358芯片對傳感器的信號進行放大，由于傳感器輸出的是電流信號(微安(μA)級別的電流信號)，放大之后負載需要電壓驅(qū)動，因此放大電路選擇電壓串聯(lián)負反饋的結構[5]。根據(jù)電壓并聯(lián)負反饋電路的放大倍數(shù)[5]計算公式：

(1)

式中，Auif為電壓并聯(lián)負反饋電路的放大倍數(shù)；Ii為電流信號源的電流(mA)；Uo為輸出電壓(V)；If為反饋電流(mA)；Fiu為反饋系數(shù)；R=R1=2 MΩ。

為了使電路之間不產(chǎn)生相互干擾，選擇有源濾波電路濾除高頻信號的干擾。低通濾波器中的LM385起電壓跟隨器的作用，輸入電壓取決于RC的取值[5]。根據(jù)截止頻率[5]計算公式：

(2)

式中，f為截止頻率(Hz)；R為電阻(kΩ)；C為電容(μF)；R=R2=1 kΩ，C=C1=100 nF。

為了更加精準地對信號的識別，先經(jīng)過積分運算電路對信號的處理，再經(jīng)過單限比較器(反應靈敏)。在積分電路中，輸出電壓[5]的計算公式：

(3)

式中，t1、t2為積分時間(s)；uI為積分器的輸入電壓(V)；uo為積分器的輸出電壓(V)；R=R3=2 kΩ，C=C2=100 nF。

電阻R4為靜態(tài)平衡電阻，用來補償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào)，一般取 R3=R4[5-6]。電阻 R5是積分漂移泄漏電阻[5]，用來防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象。單限比較器選用專用芯片LM339,電壓比較器的閾值電壓[5]計算公式：

(4)

式中，UT為比較器的閾值電壓(V)；UREF為比較器的參考電壓電壓(V)。

比較器的高低電平(UOH、UOL)由芯片LM339決定。比較器的電壓傳輸特性[5]如圖2所示，A或B檢測點的電路如圖3所示。

圖2 電壓傳輸特性

圖3 檢測點的電路

3.2 無線傳輸?shù)碾娐?/p>

考慮到多點檢測方案的要求和布置自動檢測點的靈活性，因此采用無線傳輸?shù)耐緩?。用單片機STC89C52和NRF905無線模塊實現(xiàn)無線傳輸發(fā)送和接收。單片機STC89C52的電源電壓是5 V,NRF905無線模塊的電源電壓3.3 V,為了滿足無線模塊的電源電壓，采用了降壓芯片AMS1117-3.3。單片機STC89C52的I/O口與NRF905的接口之間需要接200 Ω的電阻降壓。無線傳輸主要實現(xiàn)的功能，當port1端口(AD0804的模擬信號輸入端口)輸入高電平UOH(模擬量)時，發(fā)送信號單片機的P3^6=1(蜂鳴器發(fā)出報警聲),port2端口(接收信號單片機STC89C52的P1^4)輸出低電平(0 V)；當port1端口輸入低電平UOL(模擬量)時，發(fā)送信號單片機的P3^6=0，port2端口輸出高電平(5 V)。無線傳輸通過硬件連接和軟件的控制實現(xiàn)。無線傳輸?shù)陌l(fā)送與接收電路如圖4、5所示。

圖4 無線傳輸?shù)陌l(fā)送電路

圖5 無線傳輸?shù)慕邮针娐?/p>

3.3 驅(qū)動氣扇的電路

外圍電路控制排氣扇的工作狀態(tài)[7-9]。外圍電路是由單片機的弱電控制電扇工作的強電[6-9]，因此采用光耦器件MCT6將弱電與強電隔離，避免強電和弱電的直接接觸[9]。電阻R34是限流電阻，避免過大的電流通過光耦器件MCT6。根據(jù)MCT6的數(shù)據(jù)手冊，限流電阻R34取100Ω，電源VC6取10 V。選擇EDR201A05型號的繼電器，根據(jù)EDR201A05的數(shù)據(jù)手冊，電源VC7取5 V。繼電器的突然閉合和斷開會產(chǎn)生渦流，可能損壞繼電器，因此在繼電器兩端需要并聯(lián)一個保護二極管D1，型號為1N3879A。型號為2N2712的三極管Q1具有開關的功能[5]。三極管Q1發(fā)射結的電壓uBE與開啟電壓Uon的關系受光耦器件MCT6的控制。當port2端口輸入高電平(5 V)時，光耦器件MCT6不工作；當port2端口輸入低電平(0 V)時，光耦器件MCT6開始工作。驅(qū)動氣扇的電路如圖6所示(接收信號單片機的外圍電路)。(注意：發(fā)光二極管LED1、LED2，信號發(fā)生器XFG1和示波器XSC1以及燈泡X2都是為了電路調(diào)試的需求，在實際電路中可以略去，負載燈泡X2由氣扇取代。)

圖6 驅(qū)動氣扇的電路

4 無線傳輸?shù)能浖O計

ADC0804的片選CS置低，對NRF905發(fā)送模塊進行初始化以及寄存器的配置[10]。啟動AD轉換 ，進行數(shù)據(jù)的轉換，判斷轉換的數(shù)據(jù)t是否大于0X80。如果t大于0X80，蜂鳴器發(fā)出報警聲，NRF905發(fā)送模塊設置為發(fā)送模式，發(fā)送預設的數(shù)據(jù)。否則，再次執(zhí)行AD轉換。無線傳輸?shù)陌l(fā)送程序流程如圖7所示。

圖7 發(fā)送的程序流程圖

對NRF905接收模塊進行初始化[10]以及寄存器的配置。如果接收到數(shù)據(jù)，將外圍控制電路與單片機STC89C52相連的接口賦為低電平。否則，繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。無線傳輸?shù)慕邮粘绦蛄鞒倘鐖D8所示。

圖8 接收的程序流程圖

5 實驗結果與分析

5.1 不同型號一氧化碳傳感器實驗結果對比分析

取3×2×3的長方體空間作為測試環(huán)境?；谕粶y試環(huán)境，選取表1中的一氧化碳傳感器進行測試。

不考慮一氧化碳傳感器的基線漂移的情況下，對不同的一氧化碳傳感器在不同的一氧化碳的濃度下進行測試，一氧化碳傳感器測試曲線c-u如圖9所示。

測試曲線表明放大電路輸出相同的電壓值，不同的一氧化碳傳感器對一氧化碳濃度有不同的要求。在相同的測試環(huán)境

表1 一氧化碳傳感器

圖9 測試曲線c-u

下，不同的檢測點的一氧化碳的濃度不同，因此，選取合適的

檢測點可以降低對一氧化碳傳感器的性能要求。

5.2 驅(qū)動氣扇的電路仿真現(xiàn)象描述

用方波信號模擬port2端口(接收信號單片機的P1^4)輸出高電平(5 V)、低電平(0 V)。觀察到的電路仿真現(xiàn)象：當方波由5 V跳轉到0 V時，LED2點亮，繼電器閉合，燈泡點亮；當方波由0 V跳轉到5 V時，LED2熄滅 ，繼電器斷開，燈泡熄滅，LED1短暫閃爍后熄滅。

6 結論

基于相同的煤氣泄漏環(huán)境，選取不同的檢測點會影響測試的結果。提出應用無線傳輸?shù)姆椒?，使得自動檢測點可以靈活布置。采用多點檢測，降低了對一氧化碳傳感器的要求并且可以根據(jù)應用場合靈活的選取檢測點的數(shù)量。通過報警器與排氣扇的有機整合增強了執(zhí)行能力。實驗表明，同一測試環(huán)境下，多點檢測可以降低對一氧化碳傳感器的性能要求，從而達到降低成本的目的。

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Design on Automatic Alarm and Air Exhausting Device of Gas Leakage

Wang Zhibin，Li Shizhong，Cui Wei

(Mechatronic Engineering College, NUC，Taiyuan 030051，China)

In view of high production cost of gas alarm in the present market and the problem that there is no corresponding automatic processing function when gas leakage is detected, this paper has put forward a scheme of multipoint automatic detection, automatic alarm and automatic air exhausting device, and has designed the wireless transmission circuit with more testing points and automatic alarm and air exhausting circuit. In order to realize wireless transmission, this paper has designed the sending and receiving procedures for wireless transmission, and made simulation and analysis on the automatic alarm and automatic exhaust device circuit for gas leakage through software simulation tools. Experimental results show that based on the same requirement of the carbon monoxide detect index, only selecting the carbon monoxide sensor with the relatively poor performance, gas leakage automatic alarm and automatic exhaust device hardware circuit can detect leakage signal of carbon monoxide. The experimental conclusion proves that the use of multi-point automatic detection and alarm measures reduced the demand for the sensor performance, and then achieved the purpose of reducing costs, and automatic exhausting function enhanced the comprehensive performances of alarm.

gas leakage；wireless transmission；multi-point detection；automatic alarm； automatic air exhausting

2015-08-27；

2015-09-25。

王志斌(1988-)，男，山西晉中人，碩士研究生，主要從事質(zhì)量與可靠性工程方向的研究。

李世中(1969-)，男，河北欒城人，教授，碩士研究生導師，主要從事目標探測識別、系統(tǒng)仿真方向的研究。

1671-4598(2016)06-0233-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.064

TN702

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