一种新的氨气检测报警仪

邓丽芬袁若浩/ . 杭州市特种设备检测研究院；. 湖北土木工程计量校准中心



一种新的氨气检测报警仪

邓丽芬1袁若浩2/ 1. 杭州市特种设备检测研究院；2. 湖北土木工程计量校准中心

摘 要提出一种以3E100SE传感器、MSP430单片机为核心的氨气检测报警仪软硬件设计。报警仪由传感器、单片机、信号调理电路、报警电路等几部分组成。传感器将检测到的气体信号转换成电信号，通过信号调理电路和A/D转换将数字信号送入单片机。单片机经过数据处理后，控制显示单元显示气体浓度并实现声光报警。该报警仪具有检测准确度高、响应速度快、带有两级声光报警等优点，满足石油化工、环境监测、冷库仓储等领域场所的实际应用要求。

关键词氨气；检测报警仪；电化学传感器

0　引言

氨气是一种重要化合物，是制造氮肥、硝酸、医药、塑料、树脂的重要原料，还可以用于压缩制冷，广泛应用于医药、化工、国防、轻工业等各个领域，具有很广阔的应用前景。但氨气是一种有强烈刺激气味的无色气体，人一旦接触到这种气体，轻则灼伤皮肤、眼睛和呼吸器官的黏膜，重则引起肺肿胀，以致死亡。因此，在使用氨气过程中，对工作场所环境中氨气浓度进行实时监控显得尤为重要。本文设计了一台以3E100SE传感器、MSP430单片机为核心的氨气检测报警仪。该报警仪由传感器、单片机、信号调理电路、报警电路等几部分组成，具有检测准确度高、响应速度快、带有两级声光报警等优点，实现了石油化工、环境监测、冷库仓储等领域场所的氨气浓度监测要求。

1　系统硬件设计

报警仪系统由传感器、单片机、信号调理电路、报警电路等几部分组成。报警仪系统如图1所示，它以3E100SE传感器、MSP430单片机为核心部件，在检测到一定浓度的氨气时，传感器将检测到的气体信号经信号调理电路转换成电压信号，电压信号再通过A/D转换成数字信号送入单片机。单片机经过数据处理后，控制显示单元部分显示气体浓度，同时驱动信号灯和蜂鸣器实现声光报警[1]。

图1　报警仪系统

1.1传感器

报警仪采用英国CITY公司的NH3 3E100系列电化学传感器。该电化学传感器的主要工作原理是：在电解池内安置三个电极，即工作电极、对电极和参比电极，并施加以一定的极化电压。更换不同气体的传感器并改变极化电压数值，即可检测出相应气体。被检测气体透过薄膜到达工作电极，发生氧化还原反应，此时，传感器有一微小电流输出，此电流与被检测气体浓度成正比关系。电流信号经采样处理转变为电压信号，电压信号再经过放大处理后转换成电流信号，最终实现把氨气检测范围内的浓度转换成4～20 mA标准信号输出[2]。该传感器具有灵敏度高、性能稳定、响应时间短、线性好等优点。

1.2单片机

报警仪采用MSP430型号单片机。该单片机的优点是运行速度快、功耗低，性价比高，内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，片内集成资源丰富，有两组普通I/O口且具有中断功能，处理能力强[3]。MSP430的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的。使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令，这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430的实时处理能力。

1.3信号调理电路

在把检测到氨气信号传至单片机处理前需要对信号进行调理，信号调理电路如图2所示。传感器开始工作时，传感器极化使集电极C电位低于参比电极R，积分电路工作，电容充电并一直充电使 R极和C极之间电压达到最大后电容停止，积分电路的这种特性可以加速传感器极化，并保持极化达到最大。最大程度极化时的传感器才具有很好的响应速度和线性度。传感器电流I方向为S极流向C极，IC2输出为电压值Vout = IRgain。输出电压信号经A/D转换成数字信号送入单片机处理[4]。

图2　信号调理电路

设计的报警仪氨气浓度分辨力为1×10-6，氨气浓度最大测量值为1 000×10-6，这些因素制约着电阻Rgain的取值和后级运放放大倍数的选择。AD824B偏置电流12 pA比0.1 μA小得多，可忽略。取Rgain＝10 kΩ，1×10-6气体浓度时，Vout = IRgain = 0.1 μA×10 kΩ = 1 mV，大于300 μV×2＝600 μV，运算放大器足可以分辨。Vout经过后级放大2倍，输出为2 mV，符合ADC分辨要求（单片机内部ADC基准为2.5 V，12位，按有效位11位计算，即ADC分辨力为1.22 mV）。1 000×10-6气体浓度时，Vout = 1 V，放大2倍后送入ADC，最大输出电压小于2.5 V，满足氨气浓度可测范围需求。

1.4报警电路

报警仪设置有两级浓度报警限。当测量的气体浓度超过一级报警限时系统进入一级浓度报警状态，触发一级报警指示灯和一级报警继电器开关量输出。当测量的气体浓度超过二级报警限时系统进入二级浓度报警状态，触发二级报警指示灯和二级报警继电器开关量输出。当测量的气体浓度回落至报警限以下时则浓度报警信号自动消除。另外，系统还有一路故障报警继电器开关量输出，当系统内部有故障时，则触发故障指示灯和故障报警继电器开关量输出[5]。

报警仪上安装有红外收发模块，保证报警仪的各种信号都能与红外遥控器进行双向通信，进而可以通过红外遥控器对报警仪进行各种操作和设置，了解报警仪的工作状态。报警仪面板还安装有LED，其采用段码式的半反射屏，功耗低，驱动简单，可直接由单片机驱动，可视度高。正常情况下，绿色指示灯亮。一旦出现故障或者测量值超过设定浓度点，面板绿色指示灯关闭，红色灯亮作出相应提示[6]。

1.5其他硬件设计

一般报警仪安装在现场的位置与供电系统的距离相差很大，距离短则几米，长则可达上千米。20 mA传输时电缆上所占的电压很大，对报警仪的电压工作范围要求比较宽，所以在设计时对供电电压一般设为10～30 V[7]。

报警仪电源部分采用双电源方案，其具有基准阻抗低、噪声小、电路设计简单等优点，同时，不需要考虑匹配电压和设计复杂的基准电路等问题。

另外在复杂的工业现场，报警仪有可能要求是带电插拨的方式，因此在设计时给报警仪增加了必要的保护电路，如冲击电流、过压、反极性保护等。

2　软件设计

氨气检测报警仪软件部分是以ARM的IAR为平台，使用C语言进行编程，整个编程过程以模块化为设计思想。系统主程序流程如图3所示。

图3　系统主程序流程

氨气检测报警仪软件系统包括系统初始化、报警器的参数设置、气体信号采集、报警处理、读取数据等环节：

（1）系统初始化。报警仪会在上电后自动初始化。有一个预热功能，预热之后直接进入检测界面。

（2）报警器参数设置。报警仪的设置可包括量程、单位、一级报警点、二级报警点、校准点选择等参数，用户可根据自身实际使用情况对报警仪参数进行设置，以达到最符合现场的使用环境。

（3）气体信号采集。报警仪传感器检测到信号之后，将气体信号转换成电信号，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，由单片机完成后续处理过程。

（4）报警的处理。当被测气体浓度达到一级报警限或二级报警时，各使用单位会根据现场环境的声光报警做出不同的响应，或是切断现场供气来源，或是根据报警提示打开通风装置，或者第一时间赶到报警现场查看具体情况等。

（5）读取数据。通过MSP430单片机内置的Flash来存储报警、故障、复位、断电及上电等事件信息，使报警仪具有时间记忆、报警锁存功能，并通过红外遥控操作来调取存储历史记录并通过LCD进行信息显示，基本上实现了无笔记录仪的功能。掉电不丢失记录，具有黑匣子的功能。

3　结语

以3E100SE传感器、MSP430单片机为核心设计的氨气检测报警仪，能够满足对氨气浓度的准确测量要求，同时该报警仪结构简单、性能稳定、操作方便，实现了工业现场对氨气浓度的实时监控，可广泛用于石油化工、环境监测、冷库仓储等领域场所。该报警仪的研制对氨气的生产、运输、储存以及工业应用具有非常重要的意义。

参考文献

[1] 刘竹琴，白泽生.一种高精度可燃气体检测报警器设计[J].传感器与微系统，2013，32(7):71-73.

[2] 胡敏,，施云波，修德斌，等.氯气检测报警器的设计[J].湖南农机，2010(10):67-68.

[3] 葛亦斌，罗维，盛蒙蒙，等.msp430与51单片机的特点[J].科技传播，2009(8):44.

[4] 周捷.有毒可燃气体报警器原理及设计[ J ] .科技信息，2008(5):50-51.

[5] 杨利容，周芸.可燃性气体泄漏报警器设计[J].湖南农机，2013，40(11):79-80.

[6] 苏文静，文小玲,朱琥.可燃气体报警器的设计[J].电工电气，2009(5):8-11.

[7] 魏晓慧，黄近秋.危险气体报警器的研制[J].西安石油大学学报，2010，25(4):92-94.

A new ammonia alarm detector

Deng Lifen1, Yuan Ruohao2
（1. Hangzhou Special Equipment Inspection and Research Institute; 2.Calibrating Center of Engineering Measuring Instruments of Hubei）

Abstract:A software and hardware scheme for ammonia alarm detector was proposed, the core of which was based on 3E100SE sensor and MSP430 microcontroller. The detector was composed of gas sensor, signal conditioning circuits, microcontroller and alarm circuit. The sensor converted gas signal to electric signal. Through signal conditioning circuits and A/D conversion, the digital signal was transmitted to the microcontroller for data processing, then the gas concentration was obtained and displayed on the display unit with the sound and light alarm. The ammonia alarm detector had characteristics of high detection precision, fast response and two levels of sound and light alarms. This design could meet the actual application requirements in the petroleum chemical industry, environment monitoring and cold storage.

Key words:ammonia; alarm detector; electrochemical sensor