一種新的氨氣檢測報警儀

鄧麗芬袁若浩/ . 杭州市特種設(shè)備檢測研究院；. 湖北土木工程計量校準中心

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一種新的氨氣檢測報警儀

鄧麗芬1袁若浩2/ 1. 杭州市特種設(shè)備檢測研究院；2. 湖北土木工程計量校準中心

摘 要提出一種以3E100SE傳感器、MSP430單片機為核心的氨氣檢測報警儀軟硬件設(shè)計。報警儀由傳感器、單片機、信號調(diào)理電路、報警電路等幾部分組成。傳感器將檢測到的氣體信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字信號送入單片機。單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，控制顯示單元顯示氣體濃度并實現(xiàn)聲光報警。該報警儀具有檢測準確度高、響應(yīng)速度快、帶有兩級聲光報警等優(yōu)點，滿足石油化工、環(huán)境監(jiān)測、冷庫倉儲等領(lǐng)域場所的實際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞氨氣；檢測報警儀；電化學(xué)傳感器

0　引言

氨氣是一種重要化合物，是制造氮肥、硝酸、醫(yī)藥、塑料、樹脂的重要原料，還可以用于壓縮制冷，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工、國防、輕工業(yè)等各個領(lǐng)域，具有很廣闊的應(yīng)用前景。但氨氣是一種有強烈刺激氣味的無色氣體，人一旦接觸到這種氣體，輕則灼傷皮膚、眼睛和呼吸器官的黏膜，重則引起肺腫脹，以致死亡。因此，在使用氨氣過程中，對工作場所環(huán)境中氨氣濃度進行實時監(jiān)控顯得尤為重要。本文設(shè)計了一臺以3E100SE傳感器、MSP430單片機為核心的氨氣檢測報警儀。該報警儀由傳感器、單片機、信號調(diào)理電路、報警電路等幾部分組成，具有檢測準確度高、響應(yīng)速度快、帶有兩級聲光報警等優(yōu)點，實現(xiàn)了石油化工、環(huán)境監(jiān)測、冷庫倉儲等領(lǐng)域場所的氨氣濃度監(jiān)測要求。

1　系統(tǒng)硬件設(shè)計

報警儀系統(tǒng)由傳感器、單片機、信號調(diào)理電路、報警電路等幾部分組成。報警儀系統(tǒng)如圖1所示，它以3E100SE傳感器、MSP430單片機為核心部件，在檢測到一定濃度的氨氣時，傳感器將檢測到的氣體信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號再通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機。單片機經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，控制顯示單元部分顯示氣體濃度，同時驅(qū)動信號燈和蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警[1]。

圖1　報警儀系統(tǒng)

1.1傳感器

報警儀采用英國CITY公司的NH3 3E100系列電化學(xué)傳感器。該電化學(xué)傳感器的主要工作原理是：在電解池內(nèi)安置三個電極，即工作電極、對電極和參比電極，并施加以一定的極化電壓。更換不同氣體的傳感器并改變極化電壓數(shù)值，即可檢測出相應(yīng)氣體。被檢測氣體透過薄膜到達工作電極，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，此時，傳感器有一微小電流輸出，此電流與被檢測氣體濃度成正比關(guān)系。電流信號經(jīng)采樣處理轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，電壓信號再?jīng)過放大處理后轉(zhuǎn)換成電流信號，最終實現(xiàn)把氨氣檢測范圍內(nèi)的濃度轉(zhuǎn)換成4～20 mA標準信號輸出[2]。該傳感器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)時間短、線性好等優(yōu)點。

1.2單片機

報警儀采用MSP430型號單片機。該單片機的優(yōu)點是運行速度快、功耗低，性價比高，內(nèi)置硬件乘法器，乘除法運算都為單周期指令，片內(nèi)集成資源豐富，有兩組普通I/O口且具有中斷功能，處理能力強[3]。MSP430的內(nèi)核CPU結(jié)構(gòu)是按照精簡指令集和高透明的宗旨而設(shè)計的。使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令，這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強了MSP430的實時處理能力。

1.3信號調(diào)理電路

在把檢測到氨氣信號傳至單片機處理前需要對信號進行調(diào)理，信號調(diào)理電路如圖2所示。傳感器開始工作時，傳感器極化使集電極C電位低于參比電極R，積分電路工作，電容充電并一直充電使 R極和C極之間電壓達到最大后電容停止，積分電路的這種特性可以加速傳感器極化，并保持極化達到最大。最大程度極化時的傳感器才具有很好的響應(yīng)速度和線性度。傳感器電流I方向為S極流向C極，IC2輸出為電壓值Vout = IRgain。輸出電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機處理[4]。

圖2　信號調(diào)理電路

設(shè)計的報警儀氨氣濃度分辨力為1×10-6，氨氣濃度最大測量值為1 000×10-6，這些因素制約著電阻Rgain的取值和后級運放放大倍數(shù)的選擇。AD824B偏置電流12 pA比0.1 μA小得多，可忽略。取Rgain＝10 kΩ，1×10-6氣體濃度時，Vout = IRgain = 0.1 μA×10 kΩ = 1 mV，大于300 μV×2＝600 μV，運算放大器足可以分辨。Vout經(jīng)過后級放大2倍，輸出為2 mV，符合ADC分辨要求（單片機內(nèi)部ADC基準為2.5 V，12位，按有效位11位計算，即ADC分辨力為1.22 mV）。1 000×10-6氣體濃度時，Vout = 1 V，放大2倍后送入ADC，最大輸出電壓小于2.5 V，滿足氨氣濃度可測范圍需求。

1.4報警電路

報警儀設(shè)置有兩級濃度報警限。當測量的氣體濃度超過一級報警限時系統(tǒng)進入一級濃度報警狀態(tài)，觸發(fā)一級報警指示燈和一級報警繼電器開關(guān)量輸出。當測量的氣體濃度超過二級報警限時系統(tǒng)進入二級濃度報警狀態(tài)，觸發(fā)二級報警指示燈和二級報警繼電器開關(guān)量輸出。當測量的氣體濃度回落至報警限以下時則濃度報警信號自動消除。另外，系統(tǒng)還有一路故障報警繼電器開關(guān)量輸出，當系統(tǒng)內(nèi)部有故障時，則觸發(fā)故障指示燈和故障報警繼電器開關(guān)量輸出[5]。

報警儀上安裝有紅外收發(fā)模塊，保證報警儀的各種信號都能與紅外遙控器進行雙向通信，進而可以通過紅外遙控器對報警儀進行各種操作和設(shè)置，了解報警儀的工作狀態(tài)。報警儀面板還安裝有LED，其采用段碼式的半反射屏，功耗低，驅(qū)動簡單，可直接由單片機驅(qū)動，可視度高。正常情況下，綠色指示燈亮。一旦出現(xiàn)故障或者測量值超過設(shè)定濃度點，面板綠色指示燈關(guān)閉，紅色燈亮作出相應(yīng)提示[6]。

1.5其他硬件設(shè)計

一般報警儀安裝在現(xiàn)場的位置與供電系統(tǒng)的距離相差很大，距離短則幾米，長則可達上千米。20 mA傳輸時電纜上所占的電壓很大，對報警儀的電壓工作范圍要求比較寬，所以在設(shè)計時對供電電壓一般設(shè)為10～30 V[7]。

報警儀電源部分采用雙電源方案，其具有基準阻抗低、噪聲小、電路設(shè)計簡單等優(yōu)點，同時，不需要考慮匹配電壓和設(shè)計復(fù)雜的基準電路等問題。

另外在復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場，報警儀有可能要求是帶電插撥的方式，因此在設(shè)計時給報警儀增加了必要的保護電路，如沖擊電流、過壓、反極性保護等。

2　軟件設(shè)計

氨氣檢測報警儀軟件部分是以ARM的IAR為平臺，使用C語言進行編程，整個編程過程以模塊化為設(shè)計思想。系統(tǒng)主程序流程如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)主程序流程

氨氣檢測報警儀軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化、報警器的參數(shù)設(shè)置、氣體信號采集、報警處理、讀取數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)：

（1）系統(tǒng)初始化。報警儀會在上電后自動初始化。有一個預(yù)熱功能，預(yù)熱之后直接進入檢測界面。

（2）報警器參數(shù)設(shè)置。報警儀的設(shè)置可包括量程、單位、一級報警點、二級報警點、校準點選擇等參數(shù)，用戶可根據(jù)自身實際使用情況對報警儀參數(shù)進行設(shè)置，以達到最符合現(xiàn)場的使用環(huán)境。

（3）氣體信號采集。報警儀傳感器檢測到信號之后，將氣體信號轉(zhuǎn)換成電信號，對該模擬信號進行分析處理，并通過A/D轉(zhuǎn)換后將數(shù)字信號送入單片機，由單片機完成后續(xù)處理過程。

（4）報警的處理。當被測氣體濃度達到一級報警限或二級報警時，各使用單位會根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的聲光報警做出不同的響應(yīng)，或是切斷現(xiàn)場供氣來源，或是根據(jù)報警提示打開通風裝置，或者第一時間趕到報警現(xiàn)場查看具體情況等。

（5）讀取數(shù)據(jù)。通過MSP430單片機內(nèi)置的Flash來存儲報警、故障、復(fù)位、斷電及上電等事件信息，使報警儀具有時間記憶、報警鎖存功能，并通過紅外遙控操作來調(diào)取存儲歷史記錄并通過LCD進行信息顯示，基本上實現(xiàn)了無筆記錄儀的功能。掉電不丟失記錄，具有黑匣子的功能。

3　結(jié)語

以3E100SE傳感器、MSP430單片機為核心設(shè)計的氨氣檢測報警儀，能夠滿足對氨氣濃度的準確測量要求，同時該報警儀結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、操作方便，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場對氨氣濃度的實時監(jiān)控，可廣泛用于石油化工、環(huán)境監(jiān)測、冷庫倉儲等領(lǐng)域場所。該報警儀的研制對氨氣的生產(chǎn)、運輸、儲存以及工業(yè)應(yīng)用具有非常重要的意義。

參考文獻

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A new ammonia alarm detector

Deng Lifen1, Yuan Ruohao2
（1. Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute; 2.Calibrating Center of Engineering Measuring Instruments of Hubei）

Abstract:A software and hardware scheme for ammonia alarm detector was proposed, the core of which was based on 3E100SE sensor and MSP430 microcontroller. The detector was composed of gas sensor, signal conditioning circuits, microcontroller and alarm circuit. The sensor converted gas signal to electric signal. Through signal conditioning circuits and A/D conversion, the digital signal was transmitted to the microcontroller for data processing, then the gas concentration was obtained and displayed on the display unit with the sound and light alarm. The ammonia alarm detector had characteristics of high detection precision, fast response and two levels of sound and light alarms. This design could meet the actual application requirements in the petroleum chemical industry, environment monitoring and cold storage.

Key words:ammonia; alarm detector; electrochemical sensor