可燃?xì)庾詣訖z測與報警智能控制系統(tǒng)的設(shè)計

符俊賢，譚誠臣 ，劉云磊，張文，薛柏慧，鄧俊鴻

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣州 510640)

0 引言

燃?xì)馐乾F(xiàn)代城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，與社會生產(chǎn)和人民生活息息相關(guān). 液化石油氣、天然氣、煤氣等作為清潔能源已在工商業(yè)和城鎮(zhèn)居民以及農(nóng)村用戶中得到廣泛應(yīng)用. 這些氣體主要含有烷類、烴類、烯類、笨類以及一氧化碳、氫氣等成分，是易燃、易爆、易燃燒、有毒有害的氣體.它們易流動、易泄漏，在生產(chǎn)、輸送、貯存和使用的過程中，由于貯存罐密封質(zhì)量不好或輸送管的老化而破損或違反操作規(guī)程都有可能造成燃?xì)怏w的泄漏. 當(dāng)與空氣混合后的混合物達(dá)到一定的濃度時，就形成了一種爆炸性混合物，遇火就會發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生爆炸，造成火災(zāi)、中毒等事故，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成重大的損失，國內(nèi)已經(jīng)有不少這樣的報道，其教訓(xùn)是非常深刻的，這在某種程度上增加了社會的不安全因素.隨著人們對安全舒適生活的追求，人性化的安全檢測與報警系統(tǒng)的研究及推廣普及尤顯重要［1］.

國外從20 世紀(jì)30 年代開始研究及開發(fā)氣體傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因為人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高;另一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動.日本是最早發(fā)明燃?xì)鈭缶鞯膰?，已?0 多年的歷史.無論在氣體檢測器的研制上，還是在報警器的性能上，均處于國際的領(lǐng)先水平. 日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報警器的使用，使燃?xì)庑孤┖捅ǖ仁鹿实陌l(fā)生率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家.其中FIGARO 等是專門研制、生產(chǎn)可燃?xì)怏w報警器的廠家，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用先進(jìn)的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長而著稱［2］.

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，美國1996 年—2002 年氣體傳感器年均增長率為27% ～30%. 隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得氣體檢測儀器的體積也逐漸變小，提高了氣體檢測儀器的便攜性，更加有利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場的推廣［3］.

我國在70 年代初期開始研制可燃性氣體報警器，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)展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境，各種類型報警器的產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加，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，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. 但總體上比日本、美國等發(fā)達(dá)國家落后大概有十年［4］.

目前市場上的響應(yīng)速度快，安全性高的可燃?xì)怏w報警器多是進(jìn)口產(chǎn)品，價格昂貴，不適合于普通家庭應(yīng)用.一般的報警器采用普通的報警方式，報警沒有特色，普通警情往往也讓人驚慌失措，而重大警情有時卻難以引起特別重視，沒有輕重緩急之分!

基于這個思想，本文設(shè)計了一種以“防患于未然”為特色的可燃?xì)怏w自動檢測與報警控制系統(tǒng).

該系統(tǒng)主要包括分級傳感檢測、警情區(qū)分聲光報警、強(qiáng)制控制機(jī)構(gòu)三個有特色的部分.分級傳感檢測將檢測到的可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行科學(xué)化分級，針對不同的濃度(危險)等級，進(jìn)行分段式預(yù)警，發(fā)出不同的聲光報警信號;當(dāng)濃度(危險)達(dá)到最高級別而又沒有人為進(jìn)行排除時，該系統(tǒng)將自動切斷氣源打開通風(fēng)排氣系統(tǒng)，排除險情，以避免重大事故的發(fā)生，實現(xiàn)“預(yù)防為主，防控結(jié)合”的人性化全自動報警與控制. 為了及時根除禍患，該系統(tǒng)還可以設(shè)置遠(yuǎn)距離無線收發(fā)系統(tǒng)，將危險信息及時的通知業(yè)主或者物業(yè)管理人員，以便得到及時處理.

1 整體設(shè)計方案

該系統(tǒng)分為五個部分和一個可選部分，如圖1 所示.“氣體濃度檢測部分”把泄漏氣體的濃度變化轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)氣體濃度與電壓信號之間的對應(yīng)關(guān)系，對該信號進(jìn)行處理，通過“A/D 轉(zhuǎn)換部分”變?yōu)閿?shù)字信號，輸入“單片機(jī)控制系統(tǒng)”，然后根據(jù)軟件程序的預(yù)置，控制“聲光報警系統(tǒng)”進(jìn)行合理的預(yù)警;當(dāng)泄漏氣體濃度達(dá)到預(yù)設(shè)的危險值時，將啟動“排風(fēng)與強(qiáng)行控制系統(tǒng)”實施排風(fēng)換氣、關(guān)閉氣閥等一系列強(qiáng)制性措施，保證用氣環(huán)境的安全.

圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖Fig.System design block

2 單元電路設(shè)計

2.1 可燃?xì)鈿怏w檢測與報警

2.1.1 氣敏傳感器(探頭)

氣敏傳感器選用MQ －2 型，它是一種催化燃燒式傳感器，當(dāng)含有可燃性混合氣體擴(kuò)散到檢測元件上時，在氣體元件表面有一層催化劑，催化劑迅速與可燃?xì)怏w進(jìn)行無焰燃燒，并產(chǎn)生熱量;溫度使感應(yīng)電阻阻值產(chǎn)生變化，根據(jù)此特性，使用簡單的電路即可將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號. 這種傳感器，在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度較高;對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想.這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器.表1、表2 和表3 給出了MQ －2 型氣敏傳感器的標(biāo)準(zhǔn)工作條件、環(huán)境條件和靈敏度特性等;圖2 給出了MQ －2 型氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)圖和測試電路圖.

表1 標(biāo)準(zhǔn)工作條件Table 1 Standard working conditions

表2 環(huán)境條件Table 2 Environmental conditions

表3 靈敏度特性Table 3 The sensitivity properties

圖3 是MQ －2 傳感器典型的靈敏度特性曲線.

圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比(Rs/Ro)，橫坐標(biāo)為氣體濃度. Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值.圖中所有測試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下完成的.由該圖可以看出MQ －2 型傳感器對不同種類、不同濃度的氣體有不同的阻值，因此，在使用此類型氣敏傳感器時，靈敏度的調(diào)整是很重要的.

圖2 MQ －2 的結(jié)構(gòu)圖和測試電路圖Fig.2 MQ － 2 chart and the test circuit

圖3 靈敏度特性曲線Fig.3 Sensitivity characteristic curve

2.1.2 氣體濃度檢測電路

氣體濃度檢測原理如圖4 所示，由氣體傳感器MQ － 2 和電阻R1 = 1KΩ、R2 =20KΩ、R3 =1KΩ 組成一個單臂電橋，輸出電壓即為電橋輸出端的開路電壓，當(dāng)滿足R1/R2 =R3/R4 時，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓等于0;當(dāng)氣敏傳感器遇到可燃?xì)怏w時，氣敏傳感器的電阻將會隨之發(fā)生變化(且隨著可燃?xì)怏w濃度的增高氣敏傳感器的電阻就變得越小)，因此打破了電橋的平衡，輸出電壓隨之作相應(yīng)的改變，將可燃?xì)怏w的濃度變化轉(zhuǎn)化成了電壓信號的變化.實驗測得:在沒有可燃?xì)怏w或可燃?xì)怏w濃度很低時，MQ －2 的輸出電阻為20KΩ，在可燃?xì)怏w的濃度比較大時輸出電阻為0.1Ω，接近于0Ω. 由此可得該電橋的輸出電壓為0 ～4.76V，完全符合轉(zhuǎn)換電路芯片ADC0804 的輸入要求(0 ～5V).經(jīng)過調(diào)試驗證，該電路的輸出基本不受外電路的影響，其輸出電壓總體上與可燃?xì)怏w傳感器的電阻成正比關(guān)系.

2.1.3 聲光報警電路

可燃?xì)獾臐舛葯z測我們分三個等級:

當(dāng)檢測到可燃?xì)鉂舛缺容^低的時候，我們采取比較溫和的預(yù)警方式，只顯示藍(lán)色的光信號，不予聲音報警;

當(dāng)檢測到可燃?xì)鉂舛缺容^高而又相對安全的中等濃度的時候，我們采取比較醒目的預(yù)警方式，既有黃色的光信號又有一般的聲音信號同時報警;

當(dāng)檢測到可燃?xì)鉂舛缺容^高有可能出現(xiàn)危險的時候，我們采取比較強(qiáng)烈的預(yù)警方式，不僅有醒目的紅色光信號還有尖銳的聲音信號同時進(jìn)行報警.

圖4 檢測電路Fig.4 Detection circuit

在此，我們采用了不同顏色的燈光信號進(jìn)行光信號報警;采用了不同音調(diào)的聲音信號進(jìn)行聲響報警，兩者配合起來，使得報警信號直觀而形象. 既不會讓人驚慌失措，也不會讓人遺漏險情，防微杜漸，防控結(jié)合，使報警盡量“人性化”.

聲光報警電路如圖5 所示，圖中:

圖5 聲光報警電路Fig.5 Sound and light alarm circuit

單片機(jī)的P2.0 腳音頻輸出控制用于聲音報警;

單片機(jī)的P2.3 腳低濃度燈光顯示輸出控制(藍(lán));

單片機(jī)的P2.4 腳中濃度燈光顯示輸出控制(黃);

單片機(jī)的P2.5 腳高濃度燈光顯示輸出控制(紅);

由于一般I/O 口的驅(qū)動能力有限，在此我們采用了一級三極管放大來驅(qū)動蜂鳴器.

2.2控制單元電路

2.2.1 單片機(jī)主控電路

主控電路如圖6 所示，由A/D 轉(zhuǎn)換芯片ADC0804 和單片機(jī)AT89S52 組成.

ADC0804 是用CMOS 集成工藝制成的逐次比較型A/D 轉(zhuǎn)換芯片，分辨率8 位，轉(zhuǎn)換時間100μs，輸入電壓范圍為0 ～5V，它基本上由4 個部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān).該芯片內(nèi)有輸出數(shù)據(jù)鎖存器，當(dāng)與計算機(jī)連接時，轉(zhuǎn)換電路的輸出可以直接連接在CPU 數(shù)據(jù)總線上，無須附加邏輯接口電路. ADC0804 的時鐘信號CLK 經(jīng)電容C4 接地，傳感器QM －2 檢測到的氣體濃度信號即電壓信號送入ADC0804的模擬量輸入端VIN.

AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，接收來自ADC0804 的數(shù)字信號，然后根據(jù)所接收到的電壓信號量與預(yù)先設(shè)置的三個報警等級的電壓量進(jìn)行比較，以確定是否要發(fā)出報警指令;如果達(dá)到了報警等級，該進(jìn)行哪一等級的報警，然后做出相應(yīng)的報警指令和控制.

圖6 單片機(jī)控制電路Fig. 6 Single －chip microcomputer control circuit

2.2.2 排風(fēng)與強(qiáng)制控制電路

排風(fēng)與強(qiáng)制控制電路，主要在情況危急的時候工作，電路如圖7 所示.

該電路主要由繼電器K1、K2、排氣扇、電磁閥等組成.分別用單片機(jī)的P2.1、P2.2 腳控制. 當(dāng)泄漏氣體濃度達(dá)到或超過所設(shè)置的最高濃度允許值時，通過軟件將P2.1、P2.2置0，此時三極管VT1、VT2 均導(dǎo)通，繼電器K1、K2 吸合，強(qiáng)制排氣扇開啟進(jìn)行換氣，并接通電磁閥，將燃?xì)忾y門關(guān)閉. 當(dāng)燃?xì)鉂舛认陆档桨踩禃r，通過軟件將P2.1、P2.2 置1，此時三極管VT1、VT2 均截止，繼電器K1、K2 斷開，排風(fēng)扇關(guān)閉和燃?xì)忾y門開啟. 值得注意的是，操作開關(guān)等動作，不得產(chǎn)生明火!

圖7 控制系統(tǒng)原理圖Fig.7 The principle diagram of the control system

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計以C 語言為基礎(chǔ)，根據(jù)要檢測的可燃?xì)怏w的爆炸下限值進(jìn)行軟件的科學(xué)化分級，以實現(xiàn)不同等級的相應(yīng)報警. 由于氣體濃度不同時所對應(yīng)的氣體檢測電路的輸出電壓值不同(實驗測得氣體的濃度跟氣體檢測電路的輸出電壓值成正比關(guān)系)，據(jù)此可以設(shè)置不同等級時的電壓值，則實現(xiàn)了科學(xué)化分級，再根據(jù)不同的等級由主控電路發(fā)出控制命令驅(qū)動相應(yīng)的報警設(shè)備，實現(xiàn)人性化的分級報警. 系統(tǒng)主程序的流程圖如圖8 所示.

開始讓氣敏元件預(yù)熱一段時間，時間可以根據(jù)氣敏元件的不同進(jìn)行調(diào)整，延時用定時器加中斷來實現(xiàn).從A/D 轉(zhuǎn)換器讀取轉(zhuǎn)換值與預(yù)先設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，根據(jù)事先建立好的濃度和電壓對應(yīng)的關(guān)系:氣體濃度不同時所對應(yīng)的電壓值不同，查找出與濃度所對應(yīng)電壓值時的報警點.根據(jù)不同的可燃?xì)怏w的爆炸下限不同，設(shè)置報警器報警時對應(yīng)的不同級別的可燃?xì)怏w濃度值，若大于或等于第一級，置P2.3 =0，一級報警警示燈(藍(lán))亮;若大于或等于第二級，置P2.3 =0、P2.4 =0、P2.0 =0，一、二級報警燈(黃)亮，蜂鳴器聲音報警;若大于或等于第三級，置P2.3 =0、P2.4 =0、P2.5 =0、P2.0 =0、一、二、三級報警燈(紅)亮，蜂鳴器尖銳報警.此時如果沒有人為排除險情，再過十秒鐘(可根據(jù)情況設(shè)置)則置P2.1 =0、P2.2 =0，兩個繼電器工作，風(fēng)扇開啟、燃?xì)忾y關(guān)閉，從而自動排除險情.

圖8 系統(tǒng)流程圖Fig.8 System flow chart

［1］楊寧，胡學(xué)軍.單片機(jī)與控制技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［2］李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［3］張勇.Protel99se 電路設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［4］李光飛，李良兒.單片機(jī)C 程序設(shè)計實例指導(dǎo)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.