可燃?xì)怏w濃度測量設(shè)計(jì)方案比較研究

肖陽 寇瑋辰 高巖 簡華旭

摘 要：在很多工業(yè)領(lǐng)域，比如石油，采礦，冶金，化工等行業(yè)，都會用到或者產(chǎn)生可燃?xì)怏w。近年來，隨著燃?xì)獾淖兏?，可燃?xì)怏w已經(jīng)成為了大多數(shù)城鄉(xiāng)居民取暖和做飯的燃料。但由于各種各樣的原因，如漏氣，閥門故障，使用產(chǎn)品不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻目扇細(xì)怏w泄露，室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度上升，當(dāng)濃度上升到一定程度會引起人中毒甚至死亡，如果遇到火花等，還可能引起爆炸，造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于可燃?xì)怏w的危害性嚴(yán)重影響了人們的生活安全，因此怎樣防止可燃?xì)怏w中毒與爆炸至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：氣敏傳感器;濃度測量;報(bào)警;仿真

1前言

可燃性氣體報(bào)警器在國外己經(jīng)發(fā)展成為一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。日本是最早發(fā)明燃?xì)鈭?bào)警器的國家，己有50多年的歷史。無論在氣體探測器的研制上，還是在報(bào)警器的性能上，均處于國際領(lǐng)先水平。日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報(bào)警器的使用，使燃?xì)庑孤┖捅ǖ仁鹿实氖鹿事蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家。其中FIGARO、理研都是專門研制、生產(chǎn)可燃性氣體報(bào)警控制器的廠家，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進(jìn)的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長而著稱。

2總體方案設(shè)計(jì)

氣體傳感器是通過物體隨氣體濃度變化而改變某種特性來間接測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能作氣體濃度傳感器的材料相當(dāng)多。本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)主要分為四個部分，即傳感器、電壓比較器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、計(jì)數(shù)器以報(bào)警電路。經(jīng)過分析，傳感器可以選擇對氣體濃度比較敏感的器件，做好是在某參數(shù)與氣體濃度成線性關(guān)系;電壓比較器由集成芯片構(gòu)成;A/D轉(zhuǎn)換器需要選擇有LED驅(qū)動顯示功能的，而可供選擇的參考元件有CC7107，CC7117，MC14433等;顯示部分用4位LED數(shù)碼管顯示。

2.1方案一：使用集成芯片

根基電路的方案設(shè)計(jì)出方案流程如下圖：

氣體的濃度檢測使用QM-N5作為氣體濃度傳感器，QMn5為含錳量較高的錳青銅。有較高的強(qiáng)度、硬度和良好的塑性，能很好地在熱態(tài)及冷態(tài)下承受壓力加工，有好的耐蝕性，并有高的熱強(qiáng)性，400？下還能保持其力學(xué)性能。QMn5錳青銅用于制作蒸汽機(jī)零件和鍋爐的各種管接頭、蒸汽閥門等高溫耐蝕零件。

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可以使用集成芯片TLC7107， 輸入電壓可調(diào)，含內(nèi)部時鐘發(fā)生器。雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7107是一種間接A/D轉(zhuǎn)換器。它通過對輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓平均值變換成與之成正比的時間間隔，然后利用脈沖時間間隔，進(jìn)而得出相應(yīng)的數(shù)字性輸出。

使用ICL7107的輸出可以直接驅(qū)動數(shù)碼管顯示，顯示輸入電壓大小。

報(bào)警電路，因?yàn)槭菣z測濃度是否高于某一個濃度，所以我們可以使用電壓比較器，通過比較傳感器的電壓與設(shè)定的電壓之間的大小，當(dāng)傳感器電壓大于設(shè)定值的電壓的時候，驅(qū)動蜂鳴器報(bào)警。在蜂鳴器報(bào)警前面 可以加一個NE555做一個震蕩電路驅(qū)動蜂鳴器的聲音。計(jì)數(shù)部分，可以使用使用兩塊74LS161作為加法器，當(dāng)?shù)谝黄臅r鐘管腳有一個脈沖時，則計(jì)數(shù)加一，使用數(shù)碼管驅(qū)動芯片74LS48進(jìn)行顯示。74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)臵的同步加法計(jì)數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。74LS48芯片是一種常用的七段數(shù)碼管譯碼器驅(qū)動器，常用在各種數(shù)字電路和單片機(jī)系統(tǒng)的顯示系統(tǒng)中。

7段顯示譯碼器74LS48是輸出高電平有效的譯碼器，74LS48除了有實(shí)現(xiàn)7段顯示譯碼器基本功能的輸入（DCBA）和輸出（Ya～Yg）端外，7448還引入了燈測試輸入端（LT）和動態(tài)滅零輸入端（RBI），以及既有輸入功能又有輸出功能的消隱輸入/動態(tài)滅零輸出（BI/RBO）端。

2.2方案二 使用單片機(jī)

方案框圖如下：

氣體濃度傳感器出來的電壓送給單片機(jī)，單片機(jī)比較信號，在驅(qū)動報(bào)警器和數(shù)碼管顯示。在C51單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)，再由數(shù)碼管顯示。

2.3方案選擇

由于此次設(shè)計(jì)是基于數(shù)字電子技術(shù)以及模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)。且因?yàn)榉桨付嬖趩纹瑱C(jī)的原因，方案一的成本比方案二低。在目前的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上來看，方案一更具有可實(shí)現(xiàn)性。

結(jié)束語：

我國在70年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警器，生產(chǎn)型號多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，又進(jìn)行研究與開發(fā)，形成自己的特色。近年來，在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[1] 康華光、秦臻、張林.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分[M].高等人民出版社.445-470