小型燃氣安全防護系統設計

摘 要： 現有燃氣系統安全防護系統是通過間接地采集空氣燃氣濃度來判斷燃氣系統是否存在安全隱患的情況，這里設計一種燃氣系統安全防護裝置，該設計通過熱電偶和流量傳感器實時直接采集燃氣系統的運行參數，然后由單片機判斷燃氣系統的工作狀態，進而達到對燃氣系統安全起到防護作用。通過仿真本設計能對各種情況做出相應的響應。

關鍵詞： 燃氣系統安全； 單片機； 熱電偶； 流量計

中圖分類號： TN710?34； TD611 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0118?03

0 引 言

隨著我國工業的發展，燃氣已經成為人們生活中不可缺少的能源。盡管科技水平在不斷提高，但是由燃氣系統故障造成的安全事故時有發生，事故發生的原因也總是出人意料[1]。所以，燃氣系統的安全問題還需要我們去深入研究。現有的燃氣系統安全設計主要對泄漏的可燃氣體濃度和灶具的溫度變化參數進行監測[2?4]，數據異常時關斷燃氣管道和打開排風扇或者及時發出報警信號。這種監控系統的缺點是設備啟動時已經有一定濃度的燃氣泄漏。

本系統通過采用熱電偶和流量傳感器實時采集系統的燃氣流量和燃氣燃燒時火焰的情況，實現了對燃氣系統運行參數的直接采集和對燃氣系統工作狀態的判斷[5?6]，并且在軟件設計中通過設計延時等待，消除有采集誤差帶來的系統誤動，并且根據燃氣系統的工作情況設置點火、電磁閥動作后再采集的延時等待時間。該系統具有穩定性好，抗干擾能強，實時性好，安裝調試方便等優點，而且通用性強，易于擴展升級，有很好的應用前景。

1 總體方案設計

本設計通過羅茨燃氣流量計和熱電偶實時采集燃氣系統燃氣流量和火焰溫度信息[7]，然后通過由LM324芯片構成的放大電路，對采集到的毫安級信號放大200倍，再送給具有雙通道的ADC0832芯片進行轉換，將采集到的兩路模擬信號轉換成數字信號，最后由AT89C52單片機對模擬信號進行運算處理，通過光電耦合來控制安全防護系統的執行單元，確保燃氣系統的安全可靠運行。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體框圖

2 系統硬件電路設計

本系統以AT89C52為控制單元，流量傳感器和溫度傳感器為采集單元，由電磁閥構成系統的執行單元，形成典型的采集運算控制系統，確保燃氣系統安全。其中采集單元和控制單元之間是通過信號處理電路和A/D轉換電路來實現微小模擬量到數字量之間的轉換，控制單元和執行單元之間通過光電耦合來提高系統的穩定性。

2.1 A/D轉換電路

ADC0832是兩路A/D轉換器，兩路分別為CH1和CH0，將CH0作為流量的采集通道，將CH1作為溫度的采集通道。其時鐘信號是CLK，接到單片機的P2.1口，由單片機產生時鐘信號，CS作為片選段，接到單片機的P2.0口，由單片機產生啟動A/D芯片的信號，如圖2所示。

圖2 ADC0832引腳圖

VCC是參考電壓，接到5 V電源端，作為輸入的參考電壓，DO和DI是數據的傳輸通道，需要接到單片機的數據讀和寫端口。因為AD0832數據的讀和寫，都是由時鐘信號來控制的，且本次設計對其讀和寫是不同時進行的，所以本次設計將A/D轉換芯片的讀和寫引腳同時接到單片機的同一個口——P2.2口。

2.2 電磁閥控制電路

電磁閥的工作電壓為12 V，采用的是燃氣專用的電磁閥，可以保證燃氣系統安全可靠運行[3]。為了提高系統的抗干擾能力，將市電和5 V的系統工作電壓分開，采用光電耦合來傳輸控制信號，這樣可以很好地提高系統的穩定性。

如圖3所示，當電磁閥控制端有電壓時二極管發光，然后U5右下方的光敏二極管電流變大，繼而繼電器線圈帶電，電磁閥動作。當線圈掉電，電阻[R7]起到泄流的作用。

圖3 電磁氣閥控制電路

2.3 熱電偶測溫及信號處理電路

熱電偶產生的毫伏信號經放大電路處理后輸出，輸出的信號可作為A/D轉換電路的模擬量輸入信號。如圖4所示，放大電路由LM324為核心的集成運放芯片構成。

圖4 熱電偶測溫及信號處理電路

第1級反相放大電路，根據運算放大器增益公式：

[UO1=-R2×UI1R1=-10×UI1]

增益為10。

第2級反相放大電路，根據運算放大器增益公式：

[UO2=-（RW3+R6）×UO1R5=-200+RW310×UO1]

增益為20。

總增益為200，由于選用的熱電偶測溫范圍為0～500 ℃變化，熱電動勢0～25 mV對應放大電路的輸出電壓為0～5 V。

3 軟件設計

軟件設計主要是通過延時子程序和采集信號子程序以及按鍵掃描程序設計的。系統通過實時采集燃氣流量和火焰溫度信號，然后分別和它們的基準做比較，確定燃氣系統的運行情況，若存在安全隱患電磁閥動作，然后再采集流量信號，來確保燃氣系統被成功保護。燃氣流量基準和火焰溫度基準是在校準的工作狀態下通過采集產生的。在燃氣安全防護系統的運行中設計了三種工作狀態分別由三個發光二極管來顯示，這三個狀態分別為保護狀態、失效狀態、正常工作狀態。

3.1 延時程序

系統的延時是通過單片機軟件編程實現的，在本次設計中采用12 MHz的晶振，通過for循環嵌套來實現延時100 ms，具體程序如下：

Void delay（uchar del）

{

uchar i，j；

for（del；del>0；del--）

for（i=200；i>0；i--）

for（j=100；j>0；j--）；

}

3.2 采集子程序

采集溫度和流量的子程序如下：

uchar Get_ad（）{

uchar i，dat1=0，dat2=0，data3；

cs=0；clk=0； //片選A/D轉換

dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //起始位設置

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //設置單通道

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //選擇通道

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //讀取數據

for（i=0；i<8；i++）{

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；_nop_（）；_nop_（）；

dat1=（dat1<<1）|dio；

}

for（i=0；i<8；i++）{

dat2=dat2|（（uchar）dio<

}

cs=1；

data3=（dat1==dat2）？dat1：0x00；

return data3； //返回采集到的數字信號

}

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；_nop_（）；_nop_（）；

3.3 校準子程序

校準子程序如下：

do{s=Get_ad_s（）； //采集流量信號

if（s0>s）s0=s； //取流量的最小值

else s0=s0；

for（i=0；i<2；i++） //設置連續采集兩次溫度

{t[i]=Get_ad_t（）； delay（1）；}

//1為溫度的微分時間

if（t[0]>t[1]）

{if（（t[0]-t[1]）>tcha） tbiao=t[0]；

tcha=t[0]-t[1]；}

//通過微分將溫度突降時溫度作為溫度基準

}while（！gongzuo）； //判斷是否校準結束

s0=s0+s1； //為流量基準增加補償

3.4 主程序流程圖

單片機上電復位后先掃描按鍵電路是否有校準信號，若有校準信號，就開始采集溫度和流量作為判斷是否有火焰或者有流量的基準，然后將這兩個基準存儲在單片機的數據存儲器里。然后時時采集溫度和流量，并和基準進行比較，判讀是否存在安全隱患，刷新顯示指示燈進行顯示燃氣系統工作狀態，若存在安全隱患，延時采樣進行比較以排除誤判，然后動作。電磁閥動作后還要采集流量信號，來判斷電磁閥是否成功切斷燃氣。若成功切斷則進入保護狀態，等待復位。若還有流量信號則顯示安全系統失效。主程序方框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 結 語

本文設計的燃氣系統安全裝置，通過采集燃氣流量和火焰信息，直接判斷燃氣是否泄漏。解決了以往通過間接手段監控燃氣系統運行情況的缺點——動作慢靈敏度低。在本次設計中，由于燃氣的特殊性質，使得所選的流量傳感器還不太理想，需要找到一種更小更適合燃氣的流量計；對溫度采集信號的處理電路還存在著快速性差等問題，需要進一步的改善。

參考文獻

[1] 楊群峰.關于燃氣鍋爐燃氣爆炸事故的探討[J].工業鍋爐，2012（5）：52?54.

[2] 許宏良，張少瑜.新型燃氣灶具安全輔助裝置初探[J].考試周刊，2011（5）：148?149.

[3] 趙延明，文家厚.家用燃氣泄漏智能報警系統研究[J].化工自動化儀表，2014（2）：222?225.

[4] 李學金.燃氣灶安全控制裝置的電路設計[J].現代電子技術，2004，27（14）：9?10.

[5] 靳文杰.淺析嵌入式上進風燃氣灶的結構[J].城市燃氣，2003（7）：17?20.

[6] 馬巧麗，林瑞全.基于STC12C5A60S2 單片機的可燃氣體報警儀的設計[J].機電技術，2012（5）：111?113.

[7] 汪穎.淺談氣體羅茨流量計與氣體渦輪流量計在設計中的選型[J].上海煤氣，2009（5）：12?13.