便攜式數字化油氣濃度檢測儀

王證印等

摘 要：本設計研究了一種對油氣濃度進行檢測的儀器，可以用于加油站，油庫的安全檢測。本設計采用催化燃燒式氣體傳感器進行油氣檢測，用電橋電路作為測量電路，并對所采集的信號作放大、補償處理；經過A/D芯片將模擬電壓信號轉換為數字信號，用于信號的顯示及報警。本項目設計的便攜式數字化油氣濃度檢測儀適用于石油、天燃氣運輸、儲存和使用等場所，如油庫、加油站、石油化工企業等，可消除因油氣濃度超標所造成的人員中毒、火災爆炸等事故隱患，防止空氣污染，減少燃氣泄露所造成的能源浪費。

關鍵詞：油氣濃度；智能檢測；氣敏傳感器；A/D轉換；單片機

Abstract： The design studies an instrument that detecting concentration of hydrocarbon， which can be used for safety testing at gas stations or oil depots. The design uses a catalytic combustion gas sensor to detect oil and gas， electric bridge circuit as a measuring circuit， amplifying and compensation processing the collected signal； A / D chip transform analog voltage signal into digital signal for signal display and alarm. The project design a portable digital oil and gas concentration detector for petroleum， natural gas transportation， storage and use of other places， such as oil depots， gas stations， oil and chemical companies， can eliminate gas poisoning， fires and explosions and other accidents caused by over standard of oil concentration， to prevent air pollution and reduce energy waste from gas leak.

Keywords： oil-gas； smart detection； gas sensitive sensor； signal A/D converting； single chip processor.

0 引言

隨著國民經濟高速發展，石油、天然氣等能源在日常生活和化工等領域得到廣泛應用。在油料的收發及儲存過程中。由于汽油揮發性強，必然產生大量的油蒸汽。隨著油氣濃度的升高，其事故隱患也隨之增大，輕則發生油氣中毒，重則有可能導致著火、爆炸等惡性事故。分析事故發生的主要原因是油氣濃度檢測設備技術落后，不能準確檢測出油氣濃度超標并及時報警。油庫氣體泄漏、人員中毒事故的屢屢發生，環境惡化的現實情況，使得相關部門和各種儀器廠商都高度重視應用于環境檢測的氣體檢測技術。為了順應時代的發展與社會的要求，研制出能同時檢測多種氣體的便攜式多功能氣體檢測儀成為了社會的必然需求。本項目研究的便攜式數字化油氣濃度檢測儀適用于石油、天然氣運輸、儲存和使用等場所，如油庫、加油站、石油化工企業等，可消除因油氣濃度超標所造成的人員中毒、火災和爆炸等事故隱患，防止空氣污染，減少燃氣泄露所造成的能源浪費。

1 設計框架

便攜式數字化油氣檢測儀是一種將應用傳感器、集成電路、單片機和計算機模式識別等技術結合于一體的儀器。儀器采用MC105氣敏傳感器進行油氣濃度檢測，這種傳感器其穩定性和準確性好，檢測范圍較大，具有良好的重復性、選擇性。通過電橋測量構建信號檢測電路；使用INA128儀用放大器放大處理弱電信號；用集成電路ADC0809芯片將模擬信號轉換為數字信號；通過微處理器處理數字信號，并通過LCD數字顯示屏顯示油氣濃度數值并進行聲光兩級報警，用C語言編寫程序進行系統控制，系統框圖如圖1所示。

2 硬件電路

2.1傳感器設計原理

設計采用MC105氣體濃度傳感器進行油氣濃度檢測。MC105 型催化元件根據催化燃燒效應的原理工作。這種傳感器通過在鉑絲線圈上包以氧化鋁和粘合劑形成球狀，在其外表面包裹鉑、鈀等稀有金屬的催化層。當對鉑絲通以電流時，檢測元件保持高溫，此時若與可燃氣體接觸如甲烷氣體，甲烷就會在催化劑層上燃燒。燃燒使鉑絲線圈的溫度升高，線圈的電阻值就上升。測量鉑絲電阻值變化的大小就可以知道可燃氣體的濃度。

MC105氣體濃度傳感器的結構由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變量隨氣體濃度增大而成正比例增大，從而起到檢測作用。補償元件起參比及溫濕度補償作用。

2.2 放大電路設計

通過電橋的輸出的電壓非常微弱，且為雙端信號，必須經放大、補償等措施將來自傳感器的信號進行精密放大，抑制共模成分，提高信號質量。信號放大電路關系到信號檢測轉換的精確性，在信號轉換模塊中有重要的作用。通過綜合比較，本儀器采用INA128儀用放大器實現信號放大。

INA128儀用放大器是低功耗高精度的通用儀表放大器。它們通用的3運放設計和體積小巧使其應用范圍廣泛。反饋電流輸入電路即使在高增益條件下也可提供較寬的帶寬，本設計利用INA128構建的放大電路如圖2所示。

2.3 信號轉換

信號放大電路將檢測氣體對應的電流轉換得到的電壓是一種連續變化的模擬信號，必須通過對應的模數轉換電路將模擬信號轉換為數字信號后才能進行運算處理。而要實現寬量程、高精度的測量，模數轉換器是非常關鍵的一個元件，要實現數據采集測量模塊，模數轉換的器件選擇至關重要。本論文采用ADC0809作為儀器的模數轉換芯片。

2.4 信號顯示

經A/D轉換器，將油氣濃度傳感器的輸出模擬信號轉換為數字信號后，再通過微處理器對這些數字信號進行處理，并在LCD數字顯示屏上顯示出油氣濃度值，使得油氣濃度的檢測提示信息更為準確，可靠性較好。

本儀器采用LM016L型16*2 LCD顯示屏，可顯示兩行字符。LM016L液晶模塊采用HD44780控制器，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符移動，閃爍等功能，硬件電路如圖4所示。

2.5 報警電路設計

由于油氣濃度超過設定閥值要發出報警。報警模塊采用LED，蜂鳴器，與單片機同一I/O口連接，當油氣濃度超標時，單片機控制接通報警電路，LED，蜂鳴器，同時工作，于是產生聲光報警，電路連接如圖5所示。

2.6 測溫電路設計

顯示環境溫度并與為檢測儀報警上下限提供環境參數是油氣濃度檢測儀的一項必備功能。只有具備該功能才能根據環境溫度的不同而改變報警的上下限。儀器能夠測量環境溫度，對于檢測儀的檢測結果分析就會更加精確。

本儀器采用DS18B20數字式溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導體公司推出的一種智能溫度傳感器。能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現9～12位的數字值讀數方式。并且從DS18B20讀出的信息或寫入DS18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無需額外電源。因而使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高，硬件電路如圖6所示。

3 軟件設計

本設計利用和Proteus進行硬件電路圖的設計和仿真，利用KEIL C51進行軟件程序的編寫。

3.1 系統主程序設計

被測氣體被傳感器檢測到，然后經A/D轉換后送入單片機進行處理，并在顯示屏上顯示出氣體濃度值，當所測得的濃度值大于所設置的報警濃度時，單片機控制報警電路報警。

3.2 單片機端軟件

該檢測儀的單片機端軟件主要有采集程序，LCD顯示程序，以及報警模塊的程序組成。在設計程序的時候利用模塊化編程，模塊化編程比較容易理解也更容易發現錯誤。模塊化程序編寫原則是：不該讓外界知道的信息就不該出現在頭文件里，而外界調用模塊內接口函數或者是接口變量所必須的信息就一定要出現在頭文件里，否則，外界就無法正確的調用所提供的接口功能。

3.2.1 ADC0809數據采集

ADC0809首先通過默認通道IN0輸入傳感器產生的電信號，同時外部電壓進入ADC0809。然后START信號由低到高，在脈沖的下降沿ADC0809開始轉換，同時判斷EOC狀態是否等于0，若等式成立，表示轉換正在進行，每個時鐘CLK的脈沖轉換一位，否則繼續等待重新判斷。轉換完成后，EOC自動變高，這時OE=1，轉換器輸出轉后的數字量，數據輸出完成后，OE=0輸出數據線呈高組態，即數據采集完成，返回初始狀態進行下一次轉換，數據采集流程圖如圖7所示。

3.2.2 數據處理

數據采集完成之后，對采集的數據進行濾波處理。最基本的平均濾波程序是算術平均濾波程序。算術平均濾波對濾除混雜在信號上的隨機干擾非常有效。一般來說采樣次數N越大，濾波效果越好，但系統靈敏度要下降。為了提高運算速度，程序中常用移位來代替除法，因此N一般取4、8、16等2的整數冪。

3.2.3 數據顯示

數據處理經濾波處理之后，通過編程送入LCD進行顯示，LCD主程序流程圖如圖8所示。

4 系統測試

儀器測試數據是由高濃度無水乙醇代替LPG測試所得。LCD顯示屏上顯示的是體積百分比濃度值（%VOL）和爆炸下限百分比濃度值（%LEL），LPG的爆炸極限為1.5%-9.5%VOL。測試時程序設定超過50%LEL報警，即傳感器輸出電壓為22.50mV時，報警電路聲光振動報警。對系統整體測試，數據如下表1所示。

由表中數據可知，系統整體能正常工作，測試成功。由于是用高濃度無水乙醇代替來測試，不能完全反應實際情況，因為在實際中，當爆炸下限百分比濃度值達到100%時即100%LEL時就已經發生爆炸了。

5 結論

便攜并且高精度的氣體濃度測量對人類生活以及環境監測非常重要。本課題針對實際需求，查閱相關資料與論文，研制出一種可檢測油氣濃度的便攜式氣體濃度檢測儀。本論文所做的主要研究工作有：

（1）首先提出了便攜式油氣濃度檢測儀的總體設計方案，給出了檢測儀的設計要求，并根據要求，提出了氣體傳感器的選型依據與標準，介紹了儀器所選用的氣體傳感器。

（2）根據總體設計方案，設計了便攜式油氣濃度檢測儀的硬件電路，其中包括數據采集與處理模塊，處理器以及輔助電路模塊等部分。完成了儀器軟件設計，包括數據采集與處理模塊的軟件設計。

（3）將儀器樣機在預先調制好的樣本氣體中進行檢測，得出儀器在標準樣本氣體下的檢測結果，證明了儀器檢測誤差小于 2PPM，并根據結果進行了誤差分析，討論了儀器電路以及其他因素對儀器檢測結果的誤差所造成的影響。

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