基于單片機(jī)的可燃?xì)怏w測(cè)量系統(tǒng)的仿真研究

劉博++閆永存

摘 要：文章利用氣敏材料的特性，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，從而對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，能夠有效預(yù)防可燃?xì)怏w泄露引發(fā)的危險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：可燃?xì)怏w；監(jiān)測(cè)；單片機(jī)

天然氣、烷類等可燃?xì)怏w本身是人們?nèi)粘Ｊ褂玫囊环N清潔能源，利用價(jià)值較高，但是其危害不容忽略。在日常生活中，由于使用不當(dāng)造成天然氣泄漏會(huì)使人因窒息而死亡。另外，如果在天然氣中加入少量二氧化硫氣體或硫化氫氣體，但硫化氫是一種劇毒氣體，如果天然氣中含有較多的硫化氫，人大量吸入后會(huì)造成健康損傷，如果天然氣不完全燃燒還會(huì)產(chǎn)生一氧化碳等其他有害氣體。天然氣的另一個(gè)危害是爆炸性。天然氣易燃易爆，和空氣混合后，其混合物濃度達(dá)到5%～15%，如果遇到明火就會(huì)爆炸，溫度達(dá)到550 ℃左右就會(huì)燃燒。天然氣熱值高，約35 530～41 800 J/m3，天然氣燃燒后發(fā)出的熱量是相同體積的城市煤氣的2.5倍左右[1]。

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量，利用氣敏材料的特性，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)的處理，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量。本系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，有效預(yù)防可燃?xì)怏w泄露引發(fā)的危險(xiǎn)，還可以用于家庭用氣體泄漏警報(bào)器、工業(yè)用一氧化碳?xì)怏w警報(bào)器、便攜式氣體檢測(cè)器等。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

仿真實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備有：無(wú)線處理器板一塊、傳感器底板一個(gè)、仿真器一個(gè)、USB（B型口）線一根、可燃?xì)怏w傳感器模塊一個(gè)。

本實(shí)驗(yàn)中用到的可燃?xì)怏w傳感器為MQ-7，MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，其工作原理、實(shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程與MQ-7相同，本實(shí)驗(yàn)以MQ-7為例，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)。MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。

采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（1.5 V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0 V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-7氣體傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器[2]。

傳感器典型的靈敏度特性曲線如圖1所示。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro表示傳感器在0.001氫氣中的電阻值。圖中所有測(cè)試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

MQ-7連接單片機(jī)的電路原理如圖2所示。

由MQ-7的靈敏度曲線可知，要得到可燃?xì)怏w濃度，需要知道傳感器的電阻Rs，根據(jù)電路原理圖，使用下面的公式可以求得Rs的值：

Rs=Vin×R751/（Vcc-Vin）-R750

所以只要得到輸入端Vin的值便可以計(jì)算Rs，所以我們需要采集Vin的值，故Vin經(jīng)過(guò)LM358D電壓跟隨器接入無(wú)線處理器AD采集引腳。另外，在本次試驗(yàn)中我們僅將AD采集值輸出，以便觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[3]。

1.3 程序設(shè)計(jì)思路

本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于芯片引腳AD輸入模式的配置和AD模塊工作模式的配置，主程序流程如圖3所示。

1.4 系統(tǒng)測(cè)試

編寫(xiě)可燃?xì)怏w傳感器程序并編譯，然后將系統(tǒng)相關(guān)硬件連接，打開(kāi)串口助手觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。全速執(zhí)行程序，改變傳感器的環(huán)境位置（也就是改變MQ-7傳感器所處環(huán)境）可以從串口助手看到采集電壓數(shù)值變化如圖4所示。

此外，該種型號(hào)可燃?xì)怏w傳感器在使用過(guò)程中要注意以下事項(xiàng)：必須避免暴露于有機(jī)硅蒸氣中，高腐蝕性的環(huán)境中和堿、堿金屬鹽、鹵素的污染中，接觸水，這幾種情況都會(huì)使電壓過(guò)高，引起靈敏度下降。

2 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的測(cè)量系統(tǒng)，其利用氣敏材料的特性，將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)從而對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，能夠有效預(yù)防可燃?xì)怏w泄露引發(fā)的危險(xiǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]葛東旭.可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警傳感器的選用[J].電子世界，2015（14）：197-200.

[2]陸旭明.基于AVR單片機(jī)及MCGS軟件的可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014（12）：126-130.

[3]朱愛(ài)萍.可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器使用中的問(wèn)題探討[J].科技傳播，2011（22）：53.endprint