劉竹琴,白澤生
(延安大學物理與電子信息學院,陜西延安 716000)
隨著石油化學工業(yè)和科學技術的發(fā)展,各種氣體越來越多地應用于工農業(yè)生產和人們的日常生活,易燃、易爆、有毒氣體的種類和應用范圍在不斷增加,及時可靠地檢測可燃性氣體,對于保障安全生產和人民生命健康意義十分重大[1]。20世紀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60年代,日本研制成了第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器。我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報警器,但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工藝基礎上,進行研究與開發(fā)形成自己的特色[4,5]。目前,國內外檢測可燃性氣體有可燃氣體探測器、可燃氣體檢漏儀、可燃氣體報警控制器,這些檢測儀器側重不同,各有優(yōu)缺點。設計一種集探測、檢漏、報警為一體的高精度顯示報警器,且具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、檢測范圍廣、價格低廉、多功能等特點,具有十分重要的意義和價值。
設計方案如圖1所示。以傳感器和單片機為核心,將氣體傳感器檢測到的信息進行轉換,把氣體體積分數轉換成電信號,根據氣體體積分數和電壓信號之間的對應關系,再對該模擬信號進行分析處理,并通過A/D轉換后將數字信號送入單片機,由單片機完成數據處理,驅動LED數碼管顯示,同時與編程設定的安全值進行比較,當檢測到的氣體體積分數超過安全值時,由單片機驅動信號燈點亮或蜂鳴器報警,當體積分數下降到安全值以下時,報警停止 。
圖1 設計方案原理圖Fig 1 Principle diagram of design scheme
檢測報警器硬件電路如圖2所示。主要有半導體氣敏傳 感 器 MQ—2[8,9]、A/D 轉 換 器 ADC0804、單 片 機STC89C52[10,11]、顯示電路和報警電路等五部分組成。
傳感器MQ—2將檢測到的可燃性氣體體積分數變換為電信號,由連接在其負載上的電阻器將其轉換為電壓信號送給A/D轉換器ADC0804的引腳6實現A/D轉換,轉換后的數字輸出信號(DB0—DB7)直接送給單片機(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。單片機處理后的輸出信號由STC89C52的32—39腳和21—26腳送給顯示單元顯示當前的氣體體積分數,采用的是動態(tài)顯示的方法進行體積分數顯示。單片機輸出同時控制LED和蜂鳴器聲光報警電路。LED的正極接電源正極(+5 V),負極串聯1 kΩ電阻器后接在單片機的P2.0端。蜂鳴器采用NPN3041三極管來驅動,三極管基極串聯一電阻器接在單片機的集電極P2.1端,發(fā)射極接蜂鳴器后接地。當可燃氣體體積分數小于安全設定值時,單片機引腳21輸出高電平,引腳22輸出低電平,無聲光報警;當檢測到的可燃氣體體積分數大于體積分數安全設定值時,單片機引腳21輸出低電平,引腳22輸出高電平,蜂鳴器將報警,同時LED閃爍。
電路中還加了2個手動報警按鍵,單片機 P3.6和P3.7端分別連接1個按鍵后接地。當按下S4時蜂鳴器報警,LED閃爍,S5用來取消報警。
主程序流程圖如圖3所示,由于氣體傳感器MQ—2需要一定的預熱時間才能可靠工作,所以,采用延時程序對傳感器進行預熱。程序設計對傳感器預熱一段時間,在預熱的同時,設定所要檢測可燃性氣體體積分數的上限值。主程序還包括顯示子程序,T0中斷子程序等,以完善顯示報警的功能。
按照JJG 693可燃氣體檢測報警器計量檢定規(guī)程規(guī)定[4]對本檢測報警器進行標定,使用的標準氣體是標準瓶裝99.9%的甲烷。標定時,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。在每個標定點(配制甲烷體積分數0%,10%,20%,30%,40%,50%,60%,70%,80%,90%,100%)上正程和返程各測試2次,取其平均值。由于輸出與輸入呈非線性關系,故還要對結果進行線性化擬合,擬合后的直線所對應的值為最終標定值。標定報警點為25%的體積分數值。
標定好的檢測報警器對甲烷進行實驗,與配制好的甲烷進行對比,測試數據如表1。
表1 測量數據Tab 1 Measurement data
測試結果表明:檢測報警器很好地實現了4位數碼顯示,檢測甲烷的精度達到0.01%,檢測的最大偏差為1.80%,而且能夠在甲烷25%的體積分數值時準確報警。該檢測報警器在實驗室中還對異丁烷和液化氣進行了檢測實驗,檢測異丁烷的最大偏差為3.74%,檢測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
可燃氣體體積分數檢測報警器硬件電路簡單,成本低,實現了可燃性氣體的四位顯示,精度達到了0.01%。應用程序用C語言編寫,充分利用芯片資源,提高了測量精度和代碼執(zhí)行效率,減小代碼容量。對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場噪聲干擾,降低可燃性氣體報警器誤報概率,而且實現了線性化擬合。該檢測報警器已在延安市液化氣站和天然氣供應公司使用,效果良好。
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