新型可燃性氣體報警儀的研制

黃 歆

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816)

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新型可燃性氣體報警儀的研制

黃 歆

(南京工業(yè)大學 電氣工程與控制科學學院，南京 211816)

介紹新型可燃性氣體報警儀的設計，可用于對丙烷、丁烷、氫氣及其他可燃性氣體的檢測，用于檢測可燃氣體爆炸性；采用C8051F020單片機，通過2M007型電阻式氣敏傳感器采集信號，經(jīng)過放大電路放大，傳入單片機，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用算術平均濾波對數(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警系統(tǒng)；軟件設計采用C語言編程，靈活方便、具有強大的移植性；如空氣中可燃性氣體濃度超標，開始報警，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也正常收到了報警短信；該系統(tǒng)功能齊全，操作簡便，具有很高的應用價值。

可燃性氣體；報警；濃度測量; GPRS

0 前言

隨著社會的發(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)價值，給人們帶來利益的同時，也帶來了安全隱患。

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

1 可燃性氣體報警儀的結(jié)構及原理

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

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

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

當有可燃性氣體(如CH4)在空氣中出現(xiàn)時，傳感器內(nèi)電阻會產(chǎn)生變化，形成電壓差，再經(jīng)信號調(diào)理送入單片機進行一定的數(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為器件對氣體濃度變化的敏感性;n與氣體類型，器件材料有關。

2 可燃性氣體報警儀的硬件設計

2.1 可燃性氣體報警儀的設計方案

在可燃性氣體報警儀中，采用C8051F020單片機。是一種功能強大微控制器，可處理多種混合信號高效且兼容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，然后對模擬信號進行處理，然后數(shù)字濾波，最后送給LCD顯示，并控制后續(xù)電路的動作，同時查詢是否有按鍵按下。值班人員能實時觀測到可氣體濃度，做出相應處理，當氣體濃度大于設定值產(chǎn)生報警，同時通過GPRS給手機發(fā)送報警短信。可燃性氣體報警儀主要由測量傳感器模塊、放大電路、報警、鍵盤、LCD、通訊模塊等組成。如圖2所示。

圖2 硬件框圖

2.2 2M007型半導體氣敏元件檢測原理

采用了2M007型氣體傳感器，此半導體屬于氧化錫氣敏材料，當以恒定直流電源通過加熱絲進行加熱，使元件處在200～300 ℃時，氧化錫吸附氧，形成氧的負離子吸附，元件中的電子密度減少。當空氣中有可燃性氣體存在時會引起電導率的變化，阻值變化，將濃度信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。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 半導體元件檢測原理

2.3 信號放大電路

傳感器檢測到的可燃性氣體濃度信號是十分微弱的，所以有必要對微弱的電壓信號進行信號放大，使電壓信號滿足C8051F020單片機輸入要求，2M007是半導體型氣體傳感器，是電阻型傳感器，因此串聯(lián)一個參考電阻后經(jīng)過放大電路可將放大信號傳遞給C8051F020單片機內(nèi)部的ADC進行處理。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Vi經(jīng)過運放的同相端，輸出電壓V0通過R4接到運放的反相端并通過R3接到參考電壓。由集成運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 軟件設計

3.1 系統(tǒng)程序設計

軟件程序包括: 初始化、濃度采樣、數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊、報警等。程序用C語言編寫，選用silicon Labs的集成開發(fā)環(huán)境，它具有基本測試項目的各項功能，該軟件的主要特點包括：可配置口字體；還具有單步調(diào)試和斷點監(jiān)視的功能；可以通過仿真器和單片機連接，實時監(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)

平均值濾波法對信號的平滑度取決于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相對小時，平滑程度低，但濾波系統(tǒng)的靈敏性高。最后應平衡計算時間和濾波效果，選取適當?shù)牟蓸又礜。它適用于對周期脈動信號的濾波。所以本系統(tǒng)采用算術平均值法。

4 通訊

采用無線GPRS通訊，實時監(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)標準界面，實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)的高速傳輸。

使用方法：用戶要找到一個有IP地址的服務器，通過sim300進行連接，接通后會有提示，最后sim300向服務器發(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 實驗結(jié)果分析

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

6 結(jié)束語

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

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

[2] 王 華,陸常舟,史士杰,等.可燃性氣體泄漏防護系統(tǒng)[J].科技資訊,2001,(31):97-99.

[3] 劉竹琴,白澤生.一種高精度可燃氣體檢測報警器設計[J].傳感器與微系統(tǒng),2013,32(7):71-73.

[4] 李景民.基于AT89C51的可燃性氣體報警器設計[J].硅谷,2010,(24):40-40.

[5] 路立平,鹿曉力,胡智宏,等.可燃性氣體泄漏智能化監(jiān)控系統(tǒng)[J].煤氣與熱力,2005,25(10):16-18.

[6] 瞿 旻. 可燃性氣體報警系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D]. 南京信息工程大學, 2008.

[7] 江賢志, 劉華章, 饒伎云,等. 基于C8051F020單片機的RS485串行通信設計[J]. 電子測量技術, 2014(3),121-124.

[8] 張玉茹, 蘇曉東. 基于C8051F020遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計[J]. 電測與儀表, 2008(9).

[9] 古 博, 黎敬斌, 葉仕通. 基于SIM300通訊模塊城市智能交通系統(tǒng)[J]. 電子設計工程, 2015(3):83-85.

[10] 陳 杰. 智能傳感器平均濾波方法改進[J]. 武漢工程大學學報, 2010(12):102-104.

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)的設計與監(jiān)控，工業(yè)檢測儀表設計方向的研究。

1671-4598(2016)09-0296-02

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

TP216

A