一種高精度可燃氣體檢測報警器設計*

劉竹琴，白澤生

（延安大學物理與電子信息學院，陜西延安 716000）

0 引言

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。

1 總體設計方案

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

2 可燃性氣體體積分數檢測報警器設計

2．1 硬件電路設計

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。

2．2 程序設計

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。

3 標定與實驗

3．1 標 定

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。

3．2 實 驗

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

4 結束語

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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