可燃气体检测与报警装置设计

2011-08-24洪俊雄朱兆优

时代农机 2011年7期

洪俊雄，朱兆优

（东华理工大学电子工程系，江西抚州 344000）

在石油、煤炭、化工生产过程中，生产装置时常可能泄漏可燃性气体如CO、CH4等，当这些气体浓度在空气中达到一定数值时，随时有可能发生爆炸、火灾事故，威胁着工作人员和设备的安全。因此，在生产过程中，严密监测空气中可燃性气体浓度，是能否安全生产的关键。

文章介绍了可燃气体检测与报警装置的硬件及软件设计，该装置可以通过更换气体传感器，来实现不同可燃性气体浓度的检测与报警。

1 硬件电路设计

（1）硬件电路结构。本装置以单片机为核心，其硬件电路主要包括气体检测模块、指示灯和蜂鸣器、机械手驱动模块、远程报警控制电路。系统框图如图1所示。

图1 系统硬件框图

（2）主控制器的特点。本系统采用了片内带有A/D转换器的单片机STC12C5201AD，其特点如下：①高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核；②宽电压，不怕电源抖动：5.5～3.3V；③宽温度范围：-40℃～85℃；④增加第二复位功能脚（内部高可靠复位，可调整复位门槛电压）；⑤增加外部掉电检测电路（P1.2），可在掉电时，及时将数据保存进EEPROM；⑥低功耗设计：空闲模式，掉电模式（可由外部中断唤醒）；⑦工作频率：0～35MHz，相当普通 8051：0～420MHz⑧时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置;⑨1K字节片内FLASH程序存储器，256字节片内RAM数据存储器；⑩有片内 EEPROM，有硬件看门狗（WDT）；輥輯訛ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器；輥輰訛8通道，8位高速ADC，速度可达30万次/秒，2路PWM还可当2路D/A 使用；輥輱訛2 通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCP）；輥輲訛4 个16位定时器：兼容普通8051的定时器T0/T1，2路PCA实现2 个定时器；輥輳訛全双工异步串行口（UART），兼容普通 8051 的串口；輥輴訛无法解密，采用宏晶最新第六代加密技术；輥輵訛超强抗干扰：高抗静电，轻松过4KV快速脉冲干扰。

（3）可燃气体检测。可燃气体检测由可燃气体传感器来实现，它是一种对单一或多种可燃气体浓度具有灵敏响应的探测器。可燃气体传感器有催化型和红外光学型两种。催化型可燃气体传感器是利用难熔金属铂加热后的电阻变化来测定其气体浓度，当可燃气体进入探测器时，在铂丝表面引起氧化反应（无焰燃烧），其产生的热量使铂丝的温度升高，而铂丝的电阻率便发生变化；而红外光学型，则是利用红外传感器通过红外线光源的吸收原理来检测现场环境的碳氢类可燃气体。

图2 气体检测流程

本装置采用催化型可燃气体传感器，将气体浓度值的变化转换为电路中电阻值的变化，进而由硬件电路实现到电压值的转换，然后经A/D转换获得相应的二进制数。由于本装置对精度要求不高，因而采用MCU片内的8位A/D，具体的数据转化流程如图2所示。

（4）气体超标报警处理。通过气体检测电路与片内A/D，获得气体浓度值对应的二进制数，与系统设定的报警临界值比较，如果处于报警范围之内，则通过发光二极管的闪烁和蜂鸣器的鸣叫来实现报警动作，解决了可燃性气体报警的问题。

当系统处于报警状态时，可以通过操作继电器来实现远程控制报警，也可以通过操作继电器来驱动机械手动作——打开或者关闭气阀，来实现报警后的系统自处理，解除系统的报警状态，进入报警提示状态——指示之前出现过报警状态，此时系统处于正常工作状态，仅报警指示灯闪烁，蜂鸣器关闭，该状态可由手动按键取消。

2 系统软件设计

本装置软件设计包括气体浓度数据采集模块、气体报警临界点标定模块和按键处理模块。

（1）气体浓度采样。把可燃气体传感器输出的电压信号经过调理后输入到单片机的A/D采样端口，电压信号经过A/D转换获得相应的二进制数值（本系统采用5V作参考电压），单片机用定时器控制在一定时间间隔内采集一次A/D转换值。气体浓度经气体传感器转换的电压值U与对应的二进制数值X有这种关系：U/5=X/255，其中U的单位为V。为了减小误差，采取8次连续A/D转换取平均值。

（2）临界点标定。在通常意义上，报警临界点的设定是直接在程序中通过运算设定相应的浓度值，而在该装置中是采用系统标定模式下人工设定报警临界点。系统初始进入标定模式，进行气体报警临界点的标定，即通过A/D转换获取最终的气体浓度值，作为后面系统正常监测模式下取得的A/D转换值的报警状态判定值。同样，在该处A/D采样也采用连续8次取平均值。

（3）按键处理。系统在设定周期内查询按键，根据不同的系统状态，进行相应的按键处理——即当系统是处于正常监测状态，进行一种处理；当系统处于报警状态（包括报警提示状态），进行另一种处理。

（4）主要流程图。主要流程图见图3、图4。