一种单片机控制的可燃气体报警器的电路设计概要.docx

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一种单片机控制的可燃气体报警器的电路设计概要

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1999年第3期

电　气　防　爆

总第137期

一种单片机控制的可燃气体报警器的电路设计

崔学军　张航　王德芳

[摘　要]　本文主要介绍用8098单片机组成可燃气体报警系统。

并结合设计实例,探讨提高传感

器使用寿命及精度的有关技术问题。

[关键词]　可燃性气体　单片机　传感器　特性修正　应用设计

　　随着石油、化学工业的迅速发展,生产过程自动化水平高,生产现场容易发生气体泄漏,这些气体大部分是可燃的。

泄漏气体的大量集聚,容易引起爆炸,直接威胁国家财产和人民的生命安全,检测这些可燃性气体的可燃气体报警器就应运而生了。

可燃气体报警器包括传感器及控制检测两部分,现分述如下:

　　一、传感器原理及工作模式

可燃性气体传感器是采用微电子工艺,在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜。

这种结构能使SnO2薄膜对可燃性气体（如天燃气、液化石油气、甲烷等）在很宽的温度H2、范围内都具有敏感性。

其结构如图1所示。

图2　原理图

图3　加热电压波形

由于加热器电压为周期性电压,故敏感器的温度呈现出周期性的变化,见图4。

图1　结构图

该传感器共有4个管脚,两个为加热端（管脚1和3,脚3接地）;两个为传感器输出端（管脚2和4）,等效电路如图2所示。

可燃气体传感器实际应用时,通常采用连续工作模式,由于长时间通电,使传感器灵敏度降低、寿命缩短,此时可用周期性脉冲电压对电阻断续加热,具体波形参见图3。

?

24?

图4　加热温度变化

其中V0为低电压,VH为高电压,当VH供电时,传感器温度为T1,可以起到清洁敏感部位的作用。

V0供电时,传感器的温度为T0,为维持温度。

在不同温度下,传感器的传感电阻RS的阻值不同,可以测高温状态时的低RS,也可以测低温

1999年第3期

电　气　防　爆

总第137期

状态时的高RS,如图5所示。

实验表明低温状态最后温段的RS重复性较好。

　　二、8098实现检测的设计原用理

　　1.系统组成及原理由8098单片机及74LS373、EPROM2732组成基本的单片机系统。

为了给传感器提供脉冲电压,用户程序通过8098控制HSO3的输出电平,产生符合要求的方波,驱动传感器的加热元件。

如图6所示。

图5　敏感器响应曲线

图6　可燃性气体报警器电路原理图

　　另用一个可燃气体传感器及温度传感器。

同时HSO3输出低电平时的后段位,启动ACH4,采集RS值。

与此同时启动ACH5采集现场温度传感器Rt,并及时修正数据计算结果。

根据不同的可燃性气体选定不同的报警浓度,报警可分为三种方式,见表1。

另设有3个设置开关,可以用软件实现各种控制方式及工作方式。

表1可燃气体浓度X　X

123

传感器电阻值,K为温度系数。

第二步,浓度特性的分段处理。

7为传感器的响应曲线,根据不同图的可燃气体,分段浓度可选不同,可分成35段,～测出不同的响应浓度,根据所在段位,计算出实际浓度值。

报警方式不报警

10min后启动GJ1（可接警灯）10min后启动GJ2（可按电铃）

N1

立即启动GJ3（可接断电开关、通风机等）图7　可燃气体浓度修正曲线

　　2.数据修正可燃气体传感器的敏感特性不但受温度影响,而且在一定的温度下,对气体的响应也是非线性的,故采集的数据要进行两步修正,第一步,修正温度变化所引起的传感器电阻RS的变化,即RS（T）=KRS（T0）,其中RS（T0）为标准温度下的

　　三、采取的防爆措施

可燃气体报警器电路可分为两部分,第一部（下转第46页）?

25?

1999年第3期

电　气　防　爆

总第137期

国际电工委员会、欧洲、美国、日本

防爆电气设备标准介绍

（一）国际电工委员会标准

IEC60079IEC6007901983　爆炸性气体环境用防爆电气设IEC6007971990　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　增安型e”“

IEC60079-101995　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　通用要求

11990　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　危险场所的分类

IEC60079-111991　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　电气设备隔爆外壳的结构和试验

IEC60079-1A1975爆炸性气体环境用防爆电气设

备　第11部分:

本质安全型i”“

IEC60079-121978　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　出版物79-1附录D,最大试验安全间隙的测试方法

IEC60079IEC6007921983　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　最大试验安全间隙和最小点燃电流对气体或蒸气混合物的分类

IEC60079-131982　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　正压外壳

31990　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　正压房间或建筑物的结构及使用

IEC60079-141996　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　本质安全型电路火花试验装置

IEC6007941975　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　爆炸危险场所电气安装

（煤矿除外）IEC60079-151987　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　引燃温度试验方法

IEC60079-4A1970　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　对出版物79-4（第一版）的补充

IEC6007951997　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　无火花型电气设备n”“

IEC60079-161990　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　人工通风保护的分析室

IEC60079-171996　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　充砂型电气设备

IEC60079-5A1969　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　爆炸危险场所电气安装的检查和维护

IEC60079-181992　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　对出版物79-5的补充

IEC6007961995　爆炸性气体环境用防爆电气设

备　第6部分　充油型o”“

备　浇封型m”“

（上接第25页）

分为控制单元,即单片机控制系统和执行部分（继电器）,第二部分为传感器,根据要求不同可采取如下防爆形式:

1.传感器在危险场所,控制单元在安全场所

传感器可设计成本质安全电路,如图8所示,在控制单元内加入限能电路。

　　2.整机防爆形式可设计成复合防爆形式,控制单元为隔爆型,传感器为本质安全型电路,控制单元内供电变压器为隔离变压器,经过整流、滤波、稳压组成电源部分。

单片机系统、限能电路及电源部分放入隔爆盒内,经屏蔽电缆联接传感器。

　　四、结束语

可燃气体传感器不但受环境温度的影响,而且受环境湿度的影响,也可增加一路湿度传感器,进行湿度修正,提高检测精度,原理同温度修正一样,本文不再赘述。

图8　本安限能电路

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