高压直流电场下小尺度燃烧监控系统设计

摘要：基于高压直流电场下的小尺度燃烧系统，开展对火焰燃烧状态监控系统设计。本系统运用单片机与电脑之间的串口实时采集的数据和实验结果表明：MQ-3酒精传感器检测到实验室空气中酒精浓度范围在0-10ppm之间；稳定燃烧过程中酒精浓度为60-200ppm；若注射器中仍有乙醇，外界干扰导致火焰熄灭时，乙醇浓度先降低，然后乙醇未经燃烧直接挥发出来，浓度较高，甚至可以超过300ppm；通过键盘设置参数，单片机比较检测值和设定值，对火焰的燃烧状态进行判断，火焰异常时，GSM模块SIM900A向指定的手机发送信息并切断电源。

关键词：小尺度燃烧；STC89C52单片机；GSM；酒精浓度检测

中图分类号：TM85 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2016）022-000-02

引言

随着Power MEMS技术的发展，基于燃烧的微能源系统正成为燃烧科学的研究热点。国内的学者针对微尺度燃烧做了大量的实验研究[1-2]。实验研究中发现合适的外加电场条件能够提升火焰峰值温度并扩宽火焰的稳燃范围，但当流量过大、外界风的扰动、高压极板间场强过高产生离子风等原因都容易使火焰燃烧不稳定，火焰明显跳跃乃至熄火现象，由于喷嘴尺寸很小，火焰高度仅为毫米量级，所以熄火现象在实验过程中难以察觉。因此有必要设计一套监控系统，有利于对实验数据进行实时采集、传输与处理[3]。

本文设计的小尺度荷电燃烧监测系统可以实现以下功能，当外界干扰或参数变化时，酒精浓度与键盘设定值对比，根据判断结果确定是否迅速切断电源并对指定手机发送短信。串口通信采集的酒精浓度便于对火焰燃烧状态进行监测。研究结果可为微型燃烧器的理论分析等提供指导和参考依据。

一、系统组成

实验装置包括燃料供给装置、燃料燃烧系统、和观测装置，图1为其系统简图。燃料供给装置为微量注射泵和医用注射器组成，通过在微量注射泵上设定液体乙醇的供应流量，然后推动医用注射器把无水乙醇精确而稳定推入到燃烧器喷管。燃料燃烧系统主要由铜套和燃烧器喷管组成，本实验内径0.9mm，外径1.2mm的玻璃管为喷管，喷嘴距离下极板L1=2.9cm。外加电场为高压直流电源，极距d为50mm，半径为40mm的铜板电极，1MΩ电阻和5nF的电容构成。观测装置为基于单片机的控制电路板，计算机等。

本系统采用单片机为微控核心，通过MQ-3传感器、K型热电偶检测燃烧器火焰的酒精浓度、温度等数据信息，并将采集到的模拟信号和系统的电压通过AD转换器转化为数字信号后传送给单片机，单片机经逻辑处理判断是否满足报警条件，并由LCD1602液晶显示实时各检测参数。当火焰异常时，通过GSM模块向指定电话发送报警短信。

二、硬件设计

1.MQ-3酒精传感器电路

MQ-3采用氧化锡作为敏感材料，其对酒精（乙醇）探测范围为10～1000PPm，敏感体电阻为400～4000kΩ（空气中），响应时间小于10s，加热电压为5V±0.2V，具有简单的驱动回路和可靠的稳定性等优点。

2.其他电路

GSM（Global System for Mobile Communication）通信模块是数据传输的通信核心。SIM900A可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务和传真。SIM900A模块主要通过串口与单片机进行连接，从而单片机实现对SIM900A模块的控制。

本系统的输入部分采用3×4的薄膜键盘，用于实现参数的更改和设定。采用两个独立按键作为外部中断源使用，一个用于系统报警的开关，另一个用于改变界面显示标志，实现设置模式和检测显示模式的切换功能。

三、软件设计

1.主程序

系统启动时完成对所需硬件电路的初始工作，在定时器中执行相关主程序任务，主程序主要用于显示测量值和设置报警值两种模式，可通过按键中断调整主程序。显示模式主要显示检测到的酒精浓度值，设定的酒精浓度上下限值L和R。

2.报警控制程序

当酒精浓度大于上限R值或小于下限L值，发短信报警并控制继电器动作切断电源。

其他子程序有GSM模块、ADC0834的驱动、设置、LCD显示，还有定时器中断，外部中断，串口通信等程序。

四、实验结果与分析

如图1所示，极板半径为40mm，极距d为50mm，选用流量qv的范围为0.6-1.3mL/h，喷嘴与传感器MQ-3中心距离0.5cm，MQ-3将检测到的酒精浓度转换为模拟量电压值，经AD转换后输出的是数字量的电压值，因此，需要将其转换成浓度值。通过查看MQ-3的实验手册，MQ-3的输出信号同空气中的酒精浓度成近似的线性关系：被测气体酒精浓度每升高20ppm，MQ-3的输出电压增加0.1V。由于MQ-3在本系统的作用是报警，而不是作为精密测量仪器使用，因此这种近似处理是可行的。

实验过程中为了实时监测到酒精浓度对火焰状态的影响，每0.5s采集实时的酒精浓度实验数据。由于实验室长期做乙醇燃烧时间，室内留有一定的酒精气味，所以MQ-3检测到实验室空气中，酒精浓度的大小在0～10ppm之间变化；火焰燃烧和熄火状态下的酒精浓度监测如图2所示。燃烧过程中，由于乙醇的充分燃烧，酒精浓度为100～170ppm；熄火有两种情况，一种是由于风的扰动导致熄火，但注射器中仍有酒精，流量泵仍然正常工作，图中t=30s为吹熄火焰的时刻，火焰燃烧时，喷嘴中的液体与火焰之间有一段空气，所以当火焰熄灭时，乙醇浓度先降低，然后未经燃烧直接挥发出来，浓度较高，甚至可以超过300ppm，这种浓度差异可判断火焰是否熄灭。另一种是因注射器中的酒精用完，泵停止工作，乙醇浓度持续降低，通过小于浓度下限值，判定火焰熄火。

图3给出了乙醇流量qv=1.0mL/h时，外加电压从0～4kV火焰燃烧状态下的酒精浓度变化。从图中不难看出，火焰的乙醇浓度范围在80～140ppm，当电压在1～2kV时，浓度范围出现了62ppm，是因为喷嘴仅有0.9mm，喷嘴中有时会存在一段气柱，导致浓度的降低。当电压在3～4kV时，图中显示乙醇浓度急剧变化，值并未超出200ppm。

根据实验的条件与数据，设定酒精浓度上限R为200，下限为50。当酒精浓度大于上限R值，或小于下限L值即熄火状态，立刻发短信报警通知相关人员，同时继电器动作，断开高压电源和微流量泵的电源。

五、结束语

系统以STC89C52单片机为微控制器，利用MQ-3酒精传感器对微尺度火焰的燃烧状态进行监测，并用ADC0834对检测值进行模数转换，运用矩阵键盘设置参数，LCD显示实测和设置的酒精浓度和报警状态等。异常状态时系统能快速发送报警信息到指定手机并运用继电器切断电源，保障系统运行的安全性。这种基于GSM技术的无线监控系统，操作简单、灵敏度高、性能稳定可靠。

参考文献：

[1]李军伟，钟北京.微细直管燃烧器的散热损失研究[J].中国电机工程学报，2007，27（20）：59-64.

[2]张永生，周俊虎，杨卫娟，等.微型燃烧器热电转化实验研究[J].中国电机工程学报，2006，26（21）：114-118.

[3]王瑜瑜，刘少军.基于单片机控制的酒精浓度检测系统的设计[J].国外电子测量技术，2014，33（11）：72-75.

作者简介：史艳玲（1976-），女，硕士研究生，讲师，主要研究方向：高电压绝缘与荷电喷雾。