便攜式數(shù)字化油氣濃度檢測儀

王證印等

摘 要：本設(shè)計(jì)研究了一種對油氣濃度進(jìn)行檢測的儀器，可以用于加油站，油庫的安全檢測。本設(shè)計(jì)采用催化燃燒式氣體傳感器進(jìn)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(bǔ)償處理；經(jīng)過A/D芯片將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，用于信號的顯示及報(bào)警。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)字化油氣濃度檢測儀適用于石油、天燃?xì)膺\(yùn)輸、儲存和使用等場所，如油庫、加油站、石油化工企業(yè)等，可消除因油氣濃度超標(biāo)所造成的人員中毒、火災(zāi)爆炸等事故隱患，防止空氣污染，減少燃?xì)庑孤端斐傻哪茉蠢速M(fèi)。

關(guān)鍵詞：油氣濃度；智能檢測；氣敏傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；單片機(jī)

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(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，石油、天然氣等能源在日常生活和化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在油料的收發(fā)及儲存過程中。由于汽油揮發(fā)性強(qiáng)，必然產(chǎn)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(fā)生油氣中毒，重則有可能導(dǎo)致著火、爆炸等惡性事故。分析事故發(fā)生的主要原因是油氣濃度檢測設(shè)備技術(shù)落后，不能準(zhǔn)確檢測出油氣濃度超標(biāo)并及時(shí)報(bào)警。油庫氣體泄漏、人員中毒事故的屢屢發(fā)生，環(huán)境惡化的現(xiàn)實(shí)情況，使得相關(guān)部門和各種儀器廠商都高度重視應(yīng)用于環(huán)境檢測的氣體檢測技術(shù)。為了順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展與社會的要求，研制出能同時(shí)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(xiàng)目研究的便攜式數(shù)字化油氣濃度檢測儀適用于石油、天然氣運(yùn)輸、儲存和使用等場所，如油庫、加油站、石油化工企業(yè)等，可消除因油氣濃度超標(biāo)所造成的人員中毒、火災(zāi)和爆炸等事故隱患，防止空氣污染，減少燃?xì)庑孤端斐傻哪茉蠢速M(fèi)。

1 設(shè)計(jì)框架

便攜式數(shù)字化油氣檢測儀是一種將應(yīng)用傳感器、集成電路、單片機(jī)和計(jì)算機(jī)模式識別等技術(shù)結(jié)合于一體的儀器。儀器采用MC105氣敏傳感器進(jìn)行油氣濃度檢測，這種傳感器其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性好，檢測范圍較大，具有良好的重復(fù)性、選擇性。通過電橋測量構(gòu)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號；通過微處理器處理數(shù)字信號，并通過LCD數(shù)字顯示屏顯示油氣濃度數(shù)值并進(jìn)行聲光兩級報(bào)警，用C語言編寫程序進(jìn)行系統(tǒng)控制，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件電路

2.1傳感器設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)采用MC105氣體濃度傳感器進(jìn)行油氣濃度檢測。MC105 型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)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(dāng)對鉑絲通以電流時(shí)，檢測元件保持高溫，此時(shí)若與可燃?xì)怏w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?xì)怏w的濃度。

MC105氣體濃度傳感器的結(jié)構(gòu)由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個(gè)臂，遇可燃性氣體時(shí)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(bǔ)償元件起參比及溫濕度補(bǔ)償作用。

2.2 放大電路設(shè)計(jì)

通過電橋的輸出的電壓非常微弱，且為雙端信號，必須經(jīng)放大、補(bǔ)償?shù)却胧碜詡鞲衅鞯男盘栠M(jìn)行精密放大，抑制共模成分，提高信號質(zhì)量。信號放大電路關(guān)系到信號檢測轉(zhuǎn)換的精確性，在信號轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(yùn)放設(shè)計(jì)和體積小巧使其應(yīng)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(shè)計(jì)利用INA128構(gòu)建的放大電路如圖2所示。

2.3 信號轉(zhuǎn)換

信號放大電路將檢測氣體對應(yīng)的電流轉(zhuǎn)換得到的電壓是一種連續(xù)變化的模擬信號，必須通過對應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能進(jìn)行運(yùn)算處理。而要實(shí)現(xiàn)寬量程、高精度的測量，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是非常關(guān)鍵的一個(gè)元件，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集測量模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件選擇至關(guān)重要。本論文采用ADC0809作為儀器的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

2.4 信號顯示

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，將油氣濃度傳感器的輸出模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再通過微處理器對這些數(shù)字信號進(jìn)行處理，并在LCD數(shù)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(zhǔn)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(qiáng)的指令集，可以實(shí)現(xiàn)字符移動(dòng)，閃爍等功能，硬件電路如圖4所示。

2.5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

由于油氣濃度超過設(shè)定閥值要發(fā)出報(bào)警。報(bào)警模塊采用LED，蜂鳴器，與單片機(jī)同一I/O口連接，當(dāng)油氣濃度超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)控制接通報(bào)警電路，LED，蜂鳴器，同時(shí)工作，于是產(chǎn)生聲光報(bào)警，電路連接如圖5所示。

2.6 測溫電路設(shè)計(jì)

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

本儀器采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)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(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20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(shù)據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高，硬件電路如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用和Proteus進(jìn)行硬件電路圖的設(shè)計(jì)和仿真，利用KEIL C51進(jìn)行軟件程序的編寫。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

被測氣體被傳感器檢測到，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)進(jìn)行處理，并在顯示屏上顯示出氣體濃度值，當(dāng)所測得的濃度值大于所設(shè)置的報(bào)警濃度時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。

3.2 單片機(jī)端軟件

該檢測儀的單片機(jī)端軟件主要有采集程序，LCD顯示程序，以及報(bào)警模塊的程序組成。在設(shè)計(jì)程序的時(shí)候利用模塊化編程，模塊化編程比較容易理解也更容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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(xiàn)在頭文件里，而外界調(diào)用模塊內(nèi)接口函數(shù)或者是接口變量所必須的信息就一定要出現(xiàn)在頭文件里，否則，外界就無法正確的調(diào)用所提供的接口功能。

3.2.1 ADC0809數(shù)據(jù)采集

ADC0809首先通過默認(rèn)通道IN0輸入傳感器產(chǎn)生的電信號，同時(shí)外部電壓進(jìn)入ADC0809。然后START信號由低到高，在脈沖的下降沿ADC0809開始轉(zhuǎn)換，同時(shí)判斷EOC狀態(tài)是否等于0，若等式成立，表示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，每個(gè)時(shí)鐘CLK的脈沖轉(zhuǎn)換一位，否則繼續(xù)等待重新判斷。轉(zhuǎn)換完成后，EOC自動(dòng)變高，這時(shí)OE=1，轉(zhuǎn)換器輸出轉(zhuǎn)后的數(shù)字量，數(shù)據(jù)輸出完成后，OE=0輸出數(shù)據(jù)線呈高組態(tài)，即數(shù)據(jù)采集完成，返回初始狀態(tài)進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖7所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成之后，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。最基本的平均濾波程序是算術(shù)平均濾波程序。算術(shù)平均濾波對濾除混雜在信號上的隨機(jī)干擾非常有效。一般來說采樣次數(shù)N越大，濾波效果越好，但系統(tǒng)靈敏度要下降。為了提高運(yùn)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(shù)冪。

3.2.3 數(shù)據(jù)顯示

數(shù)據(jù)處理經(jīng)濾波處理之后，通過編程送入LCD進(jìn)行顯示，LCD主程序流程圖如圖8所示。

4 系統(tǒng)測試

儀器測試數(shù)據(jù)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(shí)程序設(shè)定超過50%LEL報(bào)警，即傳感器輸出電壓為22.50mV時(shí)，報(bào)警電路聲光振動(dòng)報(bào)警。對系統(tǒng)整體測試，數(shù)據(jù)如下表1所示。

由表中數(shù)據(jù)可知，系統(tǒng)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(yīng)實(shí)際情況，因?yàn)樵趯?shí)際中，當(dāng)爆炸下限百分比濃度值達(dá)到100%時(shí)即100%LEL時(shí)就已經(jīng)發(fā)生爆炸了。

5 結(jié)論

便攜并且高精度的氣體濃度測量對人類生活以及環(huán)境監(jiān)測非常重要。本課題針對實(shí)際需求，查閱相關(guān)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(shè)計(jì)方案，給出了檢測儀的設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)要求，提出了氣體傳感器的選型依據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)，介紹了儀器所選用的氣體傳感器。

（2）根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了便攜式油氣濃度檢測儀的硬件電路，其中包括數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊的軟件設(shè)計(jì)。

（3）將儀器樣機(jī)在預(yù)先調(diào)制好的樣本氣體中進(jìn)行檢測，得出儀器在標(biāo)準(zhǔn)樣本氣體下的檢測結(jié)果，證明了儀器檢測誤差小于 2PPM，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)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(jié)果的誤差所造成的影響。

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