【正文】 當(dāng)與空氣混合后的混合物達(dá)到一定的濃度時(shí) ,就是一種爆炸性混合物 ,遇火就會(huì)發(fā)生劇烈的化合 反應(yīng) ,產(chǎn)生大量的熱 ,會(huì)燃起大火 ,進(jìn)而釀成火災(zāi)或爆炸事故 ,給國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成損失。國(guó)內(nèi)外均有不少這方面的報(bào)道 ,其教訓(xùn)是非常深刻的。為了防患于未然 ,只有采用先進(jìn)、可靠的安全監(jiān)測(cè)儀表 ,嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中的可燃性氣體的濃度 ,及早發(fā)現(xiàn)事故隱患 ,采取有效措施 ,將事故消滅在釀成事故之前 ,才能確保安全生產(chǎn) ,居民的人身財(cái)產(chǎn)安全才能有保證。 可燃性氣體報(bào)警控制器屬于《中華人民共和國(guó)強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄》中第 46 項(xiàng) ,它歸類于物理化學(xué)計(jì)量器具?！督ㄖO(shè)計(jì)防火規(guī)范》 GBJ1687第 條明確規(guī)定 :“散發(fā)可燃 氣體、可燃蒸汽的甲類場(chǎng)所 ,應(yīng)設(shè)置可燃性氣體濃度檢測(cè)報(bào)警裝置”。但現(xiàn)在國(guó)內(nèi)使用的報(bào)警控制器 ,許多產(chǎn)品使用時(shí)間過長(zhǎng) ,產(chǎn)品老化嚴(yán)重 ,技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn) ,報(bào)警器的性能也不穩(wěn)定。有些是保養(yǎng)不當(dāng) ,如電池流水腐蝕儀器 ,或蓄電池?fù)p壞使報(bào)警器不能工作 。有些是因使用不當(dāng)而造成故障 ,因此不能進(jìn)行準(zhǔn)確 ,安全的報(bào)警和控制。 2021 年 12 月 ,國(guó)家執(zhí)行新的可燃性氣體探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn) GB 153222021《可燃?xì)怏w探測(cè)器》。在 2021 年 10 月國(guó)家頒布《可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器規(guī)程 JJG6932021 》。一部分不合規(guī)定的可燃性氣體報(bào)警控制器將停 止使用 [10]。因此 ,研制一種新型 ,性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體 ,并且合乎國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警控制器勢(shì)在必行。 課題的來源 隨著城市煤氣、天然氣事業(yè)及化學(xué)工業(yè)的迅速發(fā)展 ,易燃、易爆的氣體種類和應(yīng)用范圍在不斷增加 ,這些易燃易爆氣體在生產(chǎn)和使用過程中 ,一旦發(fā)生泄漏將會(huì)引起中毒、火災(zāi)、爆炸等重大事故 ,人們?cè)趯?duì)安全生產(chǎn)的重視程度日益增加的同時(shí) ,對(duì)生產(chǎn)技術(shù)手段也進(jìn)行不斷的提高 , 研制一種新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體報(bào)警控制器勢(shì)在必行。 而傳統(tǒng)的模擬型可燃性氣體報(bào)警控制器 ,對(duì)于氣體傳感器的特性 補(bǔ)償、修正 ,采用匹配補(bǔ)償傳感器的硬件調(diào)整方式 。這種調(diào)整方式雖然具有現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整方便的優(yōu)點(diǎn) ,但補(bǔ)償擬合的范圍窄 ,匹配傳感器的部件選擇困難 ,而難以獲得較好的補(bǔ)償、修正效果。因此 ,本次設(shè)計(jì)采用了“探測(cè)器 +單片機(jī)控制電路”設(shè)計(jì)思路。 本次設(shè)計(jì)采用以 STC89C52芯片為核心 ,用半導(dǎo)體陶瓷式氣體傳感器 MQ2來檢測(cè)外部氣體濃度 ,結(jié)合外部硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃性氣體進(jìn)行報(bào)警控制裝置。STC89C52 芯片具有功能強(qiáng)大 ,性價(jià)比高等一系列優(yōu)點(diǎn) ,適合產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí) ,設(shè)計(jì)出的可燃性氣體報(bào)警控制器具有操作簡(jiǎn)單 ,實(shí)用性強(qiáng) ,價(jià)格便 宜 ,安全性高等特點(diǎn) ,所以非常適合貯氣倉(cāng)庫 ,以及家庭等場(chǎng)所使用 ,具有很高的實(shí)用價(jià)值。 正是由于可燃性氣體報(bào)警控制器對(duì)于安全生產(chǎn)的重要性 ,國(guó)內(nèi)外有眾多廠家研制、生產(chǎn)這一產(chǎn)品。從運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和實(shí)際意義出發(fā) ,研制一種固定式可燃性氣體報(bào)警控制器 ,它主要對(duì)以烷類氣體為主的多種可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)控制。 可燃性氣體報(bào)警控制器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 可燃性氣體報(bào)警控制器在國(guó)外己經(jīng)發(fā)展成為一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。日本是最早發(fā)明燃?xì)鈭?bào)警器的國(guó)家 ,己有 50 多年的歷史。無論在氣體探測(cè)器的研制上 ,還是在報(bào)警器的性能上 ,均處于國(guó)際領(lǐng) 先水平。日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報(bào)警器的使用 ,使燃?xì)庑孤┖捅ǖ仁鹿实氖鹿事蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。其中FIGARO、理研都是專門研制、生產(chǎn)可燃性氣體報(bào)警控制器的廠家 ,他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進(jìn)的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長(zhǎng)而著稱。 我國(guó)在 70 年代初期開始研制可燃性氣體報(bào)警控制器 ,生產(chǎn)型號(hào)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(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器 ,產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)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 ,又進(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 [7]。 工業(yè)可燃性氣體報(bào)警控制器一般分為可燃性氣體檢漏儀簡(jiǎn)稱“檢漏儀”、可燃性氣體報(bào)警控制器簡(jiǎn)稱“控制器”、可燃性氣體探測(cè)器簡(jiǎn)稱“探測(cè)器”三大系列產(chǎn)品。 “檢漏儀”的體積較小 ,可隨身攜帶或手持 ,采用堿性電池或可充電電池供電 ,一般可以連續(xù)工作近 12 小時(shí)。該儀器主要應(yīng)用于燃?xì)夤艿赖牟槁┡c巡線。若有燃?xì)庑孤?,檢漏儀便會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警 ,同時(shí)顯示氣體濃度 ,以便及時(shí)采取安全措施 ,防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 “探測(cè)器 +控制器” ,這是在工業(yè)裝置上和生產(chǎn)過程中使 用最多的檢測(cè)儀器 ,可在防爆現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)氣體的濃度。這種儀器大都裝設(shè)在油庫、乙炔站、液化氣站和煤氣站等易燃易爆的危險(xiǎn)場(chǎng)所。探測(cè)器安裝在防爆現(xiàn)場(chǎng) ,控制器放在值班室等有人值守的地方 ,二者采用屏蔽電纜線連接。當(dāng)在現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)器探測(cè)到燃?xì)庑孤┲?,通過屏蔽電纜線將信號(hào)傳到控制器 ,控制器發(fā)出聲光報(bào)警 ,同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源 ,以確保安全。 本課題主要完成的任務(wù)本課題是基于單片機(jī)的家用可燃性氣體檢測(cè)報(bào)警器控制器的研制 ,主要完成以下任務(wù) : 對(duì)單片機(jī)報(bào)警器系統(tǒng)進(jìn)行整體的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。 以 STC89C52 單 片機(jī)為中央處理器 ,對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和改進(jìn) ,使其功能更加完善。系統(tǒng)硬件電路主要分為 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 STC89C52 單片機(jī)接口電路、聲音報(bào)警控制電路、顯示電路四個(gè)部分。 系統(tǒng)的軟件編制。在程序的編寫過程中 ,分別對(duì)主程序和各部分子程序進(jìn)行了流程圖的繪制 ,同時(shí)加入了詳細(xì)的文字注釋 ,以便于后期的改進(jìn)與維護(hù)。 第 2 章 可燃性氣體報(bào)警控制器的方案設(shè)計(jì) 氣體傳感器的選型 可燃性氣體傳感器是一個(gè)氣 電變換器 ,它的作用是把可燃性氣體在空氣中的含量即濃度變成電信號(hào) ,進(jìn)而由單片機(jī)采集信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以便報(bào)警 控制。傳感器作為對(duì)可燃性氣體的敏感元件 ,是各種類型袖珍式、便攜式、固定式儀表的核心之一。因此 ,傳感器的選型是非常重要的 [3]。 氣體傳感器的種類 國(guó)外從 30 年代開始研究開發(fā)氣體傳感器。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣以及礦井中的瓦斯氣體的檢測(cè)與報(bào)警 ,目前需要檢測(cè)的氣體種類由原來的還原性氣體 H2, C4H10, CH4 等擴(kuò)展到毒性氣體 CO,NO2, H2S, NO, NH3, PH3 等。氣體傳感器種類繁多 ,從原理上可以分為三大類 : 1 利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器 :如半導(dǎo)體、催 化燃燒等。 2 利用物理性質(zhì)的氣體傳感器 :如熱導(dǎo)、光干涉、紅外吸收等。 3 利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器 :如電流型、電勢(shì)型等。 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種氣體傳感器作以簡(jiǎn)單介紹。 1 半導(dǎo)體氣體傳感器 這類傳感器主要使用半導(dǎo)體氣敏材料 ,利用氣敏元件的電阻、電流或電壓隨氣體濃度變化的原理工作的。由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn) ,這類傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。目前 ,世界上許多國(guó)家開展了對(duì)半導(dǎo)體氣敏材料的研究 ,其中日本、美國(guó)處十領(lǐng)先地位 ,我國(guó)也投入大量資金和人力進(jìn)行 研究 ,并取得一定成果。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。 2 固體電解質(zhì)氣體傳感器 這是一種產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。它使用固體電解質(zhì)材料作為氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子 ,形成電動(dòng)勢(shì) ,鋇 U 量電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高 ,靈敏度和選擇性好 ,因而得到了廣泛的應(yīng)用 ,幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。如測(cè)量 H2S YSTAuWO3, NH3 的 NH39。4CaCO3 等。但這種傳感器制造成本高 ,檢測(cè)氣體范圍有限 ,在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì) 。 3 接觸燃燒式氣體傳感器 這類傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式氣體傳感器。其工作原理是 :氣敏材料在通電狀態(tài)下 ,可燃性氣體氧化燃燒或在催化劑作用下氧化燃燒 ,產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫 ,從而使其電阻值發(fā)生變化 ,測(cè)量阻值變化從而測(cè)量氣體濃度。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定 ,并能對(duì)爆炸 F 限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè) ,普遍應(yīng)用于石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。這類傳感器只能測(cè)量可燃性氣體 ,對(duì)不可燃性氣體不敏感。在燃?xì)獗ㄏ孪迌?nèi)輸出為線性、只與燃?xì)鉂舛瘸烧?、溫度和濕度的變化對(duì)其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、反映準(zhǔn)確、精度高、再現(xiàn)性好。其不足的是催化劑壽命有限 ,當(dāng)在可燃性氣體與空氣的混合物中有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下 ,則有可能在無焰催化燃燒的同時(shí) ,有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面 ,阻塞載體的微孔 ,從而引起響應(yīng)緩慢 ,反應(yīng)滯緩或中毒 ,使靈敏度降低。 4 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時(shí) ,其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化 D21 高分子氣敏材料由于具有易操作 性、工藝簡(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合 ,在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢