可燃氣體檢測與報警裝置設計

洪俊雄，朱兆優(yōu)

（東華理工大學電子工程系，江西 撫州 344000）

在石油、煤炭、化工生產過程中，生產裝置時常可能泄漏可燃性氣體如CO、CH4等，當這些氣體濃度在空氣中達到一定數值時，隨時有可能發(fā)生爆炸、火災事故，威脅著工作人員和設備的安全。因此，在生產過程中，嚴密監(jiān)測空氣中可燃性氣體濃度，是能否安全生產的關鍵。

文章介紹了可燃氣體檢測與報警裝置的硬件及軟件設計，該裝置可以通過更換氣體傳感器，來實現不同可燃性氣體濃度的檢測與報警。

1 硬件電路設計

（1）硬件電路結構。本裝置以單片機為核心，其硬件電路主要包括氣體檢測模塊、指示燈和蜂鳴器、機械手驅動模塊、遠程報警控制電路。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

（2）主控制器的特點。本系統(tǒng)采用了片內帶有A/D轉換器的單片機STC12C5201AD，其特點如下：①高速：1個時鐘/機器周期，增強型8051內核；②寬電壓，不怕電源抖動：5.5～3.3V；③寬溫度范圍：-40℃～85℃；④增加第二復位功能腳（內部高可靠復位，可調整復位門檻電壓）；⑤增加外部掉電檢測電路（P1.2），可在掉電時，及時將數據保存進EEPROM；⑥低功耗設計：空閑模式，掉電模式（可由外部中斷喚醒）；⑦工作頻率：0～35MHz，相當普通 8051：0～420MHz⑧時鐘：外部晶體或內部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時設置;⑨1K字節(jié)片內FLASH程序存儲器，256字節(jié)片內RAM數據存儲器；⑩有片內 EEPROM，有硬件看門狗（WDT）；輥輯訛ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應用可編程，無需編程器/仿真器；輥輰訛8通道，8位高速ADC，速度可達30萬次/秒，2路PWM還可當2路D/A 使 用 ；輥輱訛2 通 道 捕 獲/比 較 單 元 （PWM/PCA/CCP）；輥輲訛4 個16位定時器：兼容普通8051的定時器T0/T1，2路PCA實現2 個定時器；輥輳訛全雙工異步串行口（UART），兼容普通 8051 的串口；輥輴訛無法解密 ，采用宏晶最新第六代加密技術；輥輵訛超強抗干擾：高抗靜電，輕松過4KV快速脈沖干擾。

（3）可燃氣體檢測。可燃氣體檢測由可燃氣體傳感器來實現，它是一種對單一或多種可燃氣體濃度具有靈敏響應的探測器。可燃氣體傳感器有催化型和紅外光學型兩種。催化型可燃氣體傳感器是利用難熔金屬鉑加熱后的電阻變化來測定其氣體濃度，當可燃氣體進入探測器時，在鉑絲表面引起氧化反應（無焰燃燒），其產生的熱量使鉑絲的溫度升高，而鉑絲的電阻率便發(fā)生變化；而紅外光學型，則是利用紅外傳感器通過紅外線光源的吸收原理來檢測現場環(huán)境的碳氫類可燃氣體。

圖2 氣體檢測流程

本裝置采用催化型可燃氣體傳感器，將氣體濃度值的變化轉換為電路中電阻值的變化，進而由硬件電路實現到電壓值的轉換，然后經A/D轉換獲得相應的二進制數。由于本裝置對精度要求不高，因而采用MCU片內的8位A/D，具體的數據轉化流程如圖2所示。

（4）氣體超標報警處理。通過氣體檢測電路與片內A/D，獲得氣體濃度值對應的二進制數，與系統(tǒng)設定的報警臨界值比較，如果處于報警范圍之內，則通過發(fā)光二極管的閃爍和蜂鳴器的鳴叫來實現報警動作，解決了可燃性氣體報警的問題。

當系統(tǒng)處于報警狀態(tài)時，可以通過操作繼電器來實現遠程控制報警，也可以通過操作繼電器來驅動機械手動作——打開或者關閉氣閥，來實現報警后的系統(tǒng)自處理，解除系統(tǒng)的報警狀態(tài)，進入報警提示狀態(tài)——指示之前出現過報警狀態(tài)，此時系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)，僅報警指示燈閃爍，蜂鳴器關閉，該狀態(tài)可由手動按鍵取消。

2 系統(tǒng)軟件設計

本裝置軟件設計包括氣體濃度數據采集模塊、氣體報警臨界點標定模塊和按鍵處理模塊。

（1）氣體濃度采樣。把可燃氣體傳感器輸出的電壓信號經過調理后輸入到單片機的A/D采樣端口，電壓信號經過A/D轉換獲得相應的二進制數值 （本系統(tǒng)采用5V作參考電壓），單片機用定時器控制在一定時間間隔內采集一次A/D轉換值。氣體濃度經氣體傳感器轉換的電壓值U與對應的二進制數值X有這種關系：U/5=X/255，其中U的單位為V。為了減小誤差，采取8次連續(xù)A/D轉換取平均值。

（2）臨界點標定。在通常意義上，報警臨界點的設定是直接在程序中通過運算設定相應的濃度值，而在該裝置中是采用系統(tǒng)標定模式下人工設定報警臨界點。系統(tǒng)初始進入標定模式，進行氣體報警臨界點的標定，即通過A/D轉換獲取最終的氣體濃度值，作為后面系統(tǒng)正常監(jiān)測模式下取得的A/D轉換值的報警狀態(tài)判定值。同樣，在該處A/D采樣也采用連續(xù)8次取平均值。

（3）按鍵處理。系統(tǒng)在設定周期內查詢按鍵，根據不同的系統(tǒng)狀態(tài)，進行相應的按鍵處理——即當系統(tǒng)是處于正常監(jiān)測狀態(tài)，進行一種處理；當系統(tǒng)處于報警狀態(tài)（包括報警提示狀態(tài)），進行另一種處理。

（4）主要流程圖。主要流程圖見圖3、圖4。

圖4 主程序流程圖

3 結語

基于STC12C5201AD單片機的可燃氣體檢測與報警裝置具有小型化、智能化、操作使用簡單以及較強的抗干擾能力等優(yōu)點，信號檢測和報警準確。經生產單位對其性能進行測試，符合設計要求，能夠在工業(yè)生產過程中應用，也可以在家庭中預防煤氣泄漏方面應用，具有很好的應用前景。

[1]朱兆優(yōu).單片機原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]王來忠，馮展杭.可燃氣體檢測報警聯動排風控制系統(tǒng)[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33（8）:39-40.

[3]汪冰冰，劉曉波.工業(yè)過程CO氣體濃度檢測技術[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2010，36（2）:61-63.