高壓直流電場(chǎng)下小尺度燃燒監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于高壓直流電場(chǎng)下的小尺度燃燒系統(tǒng)，開展對(duì)火焰燃燒狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)運(yùn)用單片機(jī)與電腦之間的串口實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MQ-3酒精傳感器檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室空氣中酒精濃度范圍在0-10ppm之間；穩(wěn)定燃燒過程中酒精濃度為60-200ppm；若注射器中仍有乙醇，外界干擾導(dǎo)致火焰熄滅時(shí)，乙醇濃度先降低，然后乙醇未經(jīng)燃燒直接揮發(fā)出來，濃度較高，甚至可以超過300ppm；通過鍵盤設(shè)置參數(shù)，單片機(jī)比較檢測(cè)值和設(shè)定值，對(duì)火焰的燃燒狀態(tài)進(jìn)行判斷，火焰異常時(shí)，GSM模塊SIM900A向指定的手機(jī)發(fā)送信息并切斷電源。

關(guān)鍵詞：小尺度燃燒；STC89C52單片機(jī)；GSM；酒精濃度檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TM85 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1001-828X（2016）022-000-02

引言

隨著Power MEMS技術(shù)的發(fā)展，基于燃燒的微能源系統(tǒng)正成為燃燒科學(xué)的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)的學(xué)者針對(duì)微尺度燃燒做了大量的實(shí)驗(yàn)研究[1-2]。實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)合適的外加電場(chǎng)條件能夠提升火焰峰值溫度并擴(kuò)寬火焰的穩(wěn)燃范圍，但當(dāng)流量過大、外界風(fēng)的擾動(dòng)、高壓極板間場(chǎng)強(qiáng)過高產(chǎn)生離子風(fēng)等原因都容易使火焰燃燒不穩(wěn)定，火焰明顯跳躍乃至熄火現(xiàn)象，由于噴嘴尺寸很小，火焰高度僅為毫米量級(jí)，所以熄火現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)過程中難以察覺。因此有必要設(shè)計(jì)一套監(jiān)控系統(tǒng)，有利于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸與處理[3]。

本文設(shè)計(jì)的小尺度荷電燃燒監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下功能，當(dāng)外界干擾或參數(shù)變化時(shí)，酒精濃度與鍵盤設(shè)定值對(duì)比，根據(jù)判斷結(jié)果確定是否迅速切斷電源并對(duì)指定手機(jī)發(fā)送短信。串口通信采集的酒精濃度便于對(duì)火焰燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。研究結(jié)果可為微型燃燒器的理論分析等提供指導(dǎo)和參考依據(jù)。

一、系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)裝置包括燃料供給裝置、燃料燃燒系統(tǒng)、和觀測(cè)裝置，圖1為其系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。燃料供給裝置為微量注射泵和醫(yī)用注射器組成，通過在微量注射泵上設(shè)定液體乙醇的供應(yīng)流量，然后推動(dòng)醫(yī)用注射器把無水乙醇精確而穩(wěn)定推入到燃燒器噴管。燃料燃燒系統(tǒng)主要由銅套和燃燒器噴管組成，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)徑0.9mm，外徑1.2mm的玻璃管為噴管，噴嘴距離下極板L1=2.9cm。外加電場(chǎng)為高壓直流電源，極距d為50mm，半徑為40mm的銅板電極，1MΩ電阻和5nF的電容構(gòu)成。觀測(cè)裝置為基于單片機(jī)的控制電路板，計(jì)算機(jī)等。

本系統(tǒng)采用單片機(jī)為微控核心，通過MQ-3傳感器、K型熱電偶檢測(cè)燃燒器火焰的酒精濃度、溫度等數(shù)據(jù)信息，并將采集到的模擬信號(hào)和系統(tǒng)的電壓通過AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)邏輯處理判斷是否滿足報(bào)警條件，并由LCD1602液晶顯示實(shí)時(shí)各檢測(cè)參數(shù)。當(dāng)火焰異常時(shí)，通過GSM模塊向指定電話發(fā)送報(bào)警短信。

二、硬件設(shè)計(jì)

1.MQ-3酒精傳感器電路

MQ-3采用氧化錫作為敏感材料，其對(duì)酒精（乙醇）探測(cè)范圍為10～1000PPm，敏感體電阻為400～4000kΩ（空氣中），響應(yīng)時(shí)間小于10s，加熱電壓為5V±0.2V，具有簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)回路和可靠的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。

2.其他電路

GSM（Global System for Mobile Communication）通信模塊是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ藕诵?。SIM900A可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。SIM900A模塊主要通過串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)SIM900A模塊的控制。

本系統(tǒng)的輸入部分采用3×4的薄膜鍵盤，用于實(shí)現(xiàn)參數(shù)的更改和設(shè)定。采用兩個(gè)獨(dú)立按鍵作為外部中斷源使用，一個(gè)用于系統(tǒng)報(bào)警的開關(guān)，另一個(gè)用于改變界面顯示標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)設(shè)置模式和檢測(cè)顯示模式的切換功能。

三、軟件設(shè)計(jì)

1.主程序

系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)完成對(duì)所需硬件電路的初始工作，在定時(shí)器中執(zhí)行相關(guān)主程序任務(wù)，主程序主要用于顯示測(cè)量值和設(shè)置報(bào)警值兩種模式，可通過按鍵中斷調(diào)整主程序。顯示模式主要顯示檢測(cè)到的酒精濃度值，設(shè)定的酒精濃度上下限值L和R。

2.報(bào)警控制程序

當(dāng)酒精濃度大于上限R值或小于下限L值，發(fā)短信報(bào)警并控制繼電器動(dòng)作切斷電源。

其他子程序有GSM模塊、ADC0834的驅(qū)動(dòng)、設(shè)置、LCD顯示，還有定時(shí)器中斷，外部中斷，串口通信等程序。

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖1所示，極板半徑為40mm，極距d為50mm，選用流量qv的范圍為0.6-1.3mL/h，噴嘴與傳感器MQ-3中心距離0.5cm，MQ-3將檢測(cè)到的酒精濃度轉(zhuǎn)換為模擬量電壓值，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后輸出的是數(shù)字量的電壓值，因此，需要將其轉(zhuǎn)換成濃度值。通過查看MQ-3的實(shí)驗(yàn)手冊(cè)，MQ-3的輸出信號(hào)同空氣中的酒精濃度成近似的線性關(guān)系：被測(cè)氣體酒精濃度每升高20ppm，MQ-3的輸出電壓增加0.1V。由于MQ-3在本系統(tǒng)的作用是報(bào)警，而不是作為精密測(cè)量?jī)x器使用，因此這種近似處理是可行的。

實(shí)驗(yàn)過程中為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到酒精濃度對(duì)火焰狀態(tài)的影響，每0.5s采集實(shí)時(shí)的酒精濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期做乙醇燃燒時(shí)間，室內(nèi)留有一定的酒精氣味，所以MQ-3檢測(cè)到實(shí)驗(yàn)室空氣中，酒精濃度的大小在0～10ppm之間變化；火焰燃燒和熄火狀態(tài)下的酒精濃度監(jiān)測(cè)如圖2所示。燃燒過程中，由于乙醇的充分燃燒，酒精濃度為100～170ppm；熄火有兩種情況，一種是由于風(fēng)的擾動(dòng)導(dǎo)致熄火，但注射器中仍有酒精，流量泵仍然正常工作，圖中t=30s為吹熄火焰的時(shí)刻，火焰燃燒時(shí)，噴嘴中的液體與火焰之間有一段空氣，所以當(dāng)火焰熄滅時(shí)，乙醇濃度先降低，然后未經(jīng)燃燒直接揮發(fā)出來，濃度較高，甚至可以超過300ppm，這種濃度差異可判斷火焰是否熄滅。另一種是因注射器中的酒精用完，泵停止工作，乙醇濃度持續(xù)降低，通過小于濃度下限值，判定火焰熄火。

圖3給出了乙醇流量qv=1.0mL/h時(shí)，外加電壓從0～4kV火焰燃燒狀態(tài)下的酒精濃度變化。從圖中不難看出，火焰的乙醇濃度范圍在80～140ppm，當(dāng)電壓在1～2kV時(shí)，濃度范圍出現(xiàn)了62ppm，是因?yàn)閲娮靸H有0.9mm，噴嘴中有時(shí)會(huì)存在一段氣柱，導(dǎo)致濃度的降低。當(dāng)電壓在3～4kV時(shí)，圖中顯示乙醇濃度急劇變化，值并未超出200ppm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的條件與數(shù)據(jù)，設(shè)定酒精濃度上限R為200，下限為50。當(dāng)酒精濃度大于上限R值，或小于下限L值即熄火狀態(tài)，立刻發(fā)短信報(bào)警通知相關(guān)人員，同時(shí)繼電器動(dòng)作，斷開高壓電源和微流量泵的電源。

五、結(jié)束語

系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為微控制器，利用MQ-3酒精傳感器對(duì)微尺度火焰的燃燒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并用ADC0834對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，運(yùn)用矩陣鍵盤設(shè)置參數(shù)，LCD顯示實(shí)測(cè)和設(shè)置的酒精濃度和報(bào)警狀態(tài)等。異常狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)能快速發(fā)送報(bào)警信息到指定手機(jī)并運(yùn)用繼電器切斷電源，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。這種基于GSM技術(shù)的無線監(jiān)控系統(tǒng)，操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王瑜瑜，劉少軍.基于單片機(jī)控制的酒精濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2014，33（11）：72-75.

作者簡(jiǎn)介：史艷玲（1976-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：高電壓絕緣與荷電噴霧。