一种高精度可燃气体检测报警器设计*

刘竹琴，白泽生

（延安大学物理与电子信息学院，陕西延安 716000）

0 引言

随着石油化学工业和科学技术的发展，各种气体越来越多地应用于工农业生产和人们的日常生活，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围在不断增加，及时可靠地检测可燃性气体，对于保障安全生产和人民生命健康意义十分重大［1］。20世纪30年代，国外开始研究开发气体传感器，且发展迅速［2，3］。20世纪60年代，日本研制成了第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色［4，5］。目前，国内外检测可燃性气体有可燃气体探测器、可燃气体检漏仪、可燃气体报警控制器，这些检测仪器侧重不同，各有优缺点。设计一种集探测、检漏、报警为一体的高精度显示报警器，且具有性能稳定、灵敏度高、检测范围广、价格低廉、多功能等特点，具有十分重要的意义和价值。

1 总体设计方案

设计方案如图1所示。以传感器和单片机为核心，将气体传感器检测到的信息进行转换，把气体体积分数转换成电信号，根据气体体积分数和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A/D转换后将数字信号送入单片机，由单片机完成数据处理，驱动LED数码管显示，同时与编程设定的安全值进行比较，当检测到的气体体积分数超过安全值时，由单片机驱动信号灯点亮或蜂鸣器报警，当体积分数下降到安全值以下时，报警停止 。

图1 设计方案原理图Fig 1 Principle diagram of design scheme

2 可燃性气体体积分数检测报警器设计

2．1 硬件电路设计

检测报警器硬件电路如图2所示。主要有半导体气敏传 感 器 MQ—2［8，9］、A/D 转 换 器 ADC0804、单 片 机STC89C52［10，11］、显示电路和报警电路等五部分组成。

传感器MQ—2将检测到的可燃性气体体积分数变换为电信号，由连接在其负载上的电阻器将其转换为电压信号送给A/D转换器ADC0804的引脚6实现A/D转换，转换后的数字输出信号（DB0—DB7）直接送给单片机（ADC0804的18引脚至11引脚依次连接在STC89C52的1引脚至8引脚）的 P1．0—P1．7。单片机处理后的输出信号由STC89C52的32—39脚和21—26脚送给显示单元显示当前的气体体积分数，采用的是动态显示的方法进行体积分数显示。单片机输出同时控制LED和蜂鸣器声光报警电路。LED的正极接电源正极（+5 V），负极串联1 kΩ电阻器后接在单片机的P2．0端。蜂鸣器采用NPN3041三极管来驱动，三极管基极串联一电阻器接在单片机的集电极P2．1端，发射极接蜂鸣器后接地。当可燃气体体积分数小于安全设定值时，单片机引脚21输出高电平，引脚22输出低电平，无声光报警;当检测到的可燃气体体积分数大于体积分数安全设定值时，单片机引脚21输出低电平，引脚22输出高电平，蜂鸣器将报警，同时LED闪烁。

电路中还加了2个手动报警按键，单片机 P3．6和P3．7端分别连接1个按键后接地。当按下S4时蜂鸣器报警，LED闪烁，S5用来取消报警。

2．2 程序设计

主程序流程图如图3所示，由于气体传感器MQ—2需要一定的预热时间才能可靠工作，所以，采用延时程序对传感器进行预热。程序设计对传感器预热一段时间，在预热的同时，设定所要检测可燃性气体体积分数的上限值。主程序还包括显示子程序，T0中断子程序等，以完善显示报警的功能。

3 标定与实验

3．1 标 定

按照JJG 693可燃气体检测报警器计量检定规程规定［4］对本检测报警器进行标定，使用的标准气体是标准瓶装99．9%的甲烷。标定时，首先给系统加电15 min左右，待传感器与电路稳定工作后开始。在每个标定点（配制甲烷体积分数0%，10%，20%，30%，40%，50%，60%，70%，80%，90%，100%）上正程和返程各测试2次，取其平均值。由于输出与输入呈非线性关系，故还要对结果进行线性化拟合，拟合后的直线所对应的值为最终标定值。标定报警点为25%的体积分数值。

3．2 实 验

标定好的检测报警器对甲烷进行实验，与配制好的甲烷进行对比，测试数据如表1。

表1 测量数据Tab 1 Measurement data

测试结果表明:检测报警器很好地实现了4位数码显示，检测甲烷的精度达到0．01%，检测的最大偏差为1．80%，而且能够在甲烷25%的体积分数值时准确报警。该检测报警器在实验室中还对异丁烷和液化气进行了检测实验，检测异丁烷的最大偏差为3．74%，检测液化气的最大偏差为3．45% 。

图2 系统硬件电路图Fig 2 Diagram of system hardware circuit

图3 主程序流程图Fig 3 Flow chart of main program

4 结束语

可燃气体体积分数检测报警器硬件电路简单，成本低，实现了可燃性气体的四位显示，精度达到了0．01%。应用程序用C语言编写，充分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小代码容量。对可燃性气体采用滤波、线性化处理等，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低可燃性气体报警器误报概率，而且实现了线性化拟合。该检测报警器已在延安市液化气站和天然气供应公司使用，效果良好。

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