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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 SnO 2 薄 膜。这种结构能使 SnO 2 薄膜对可燃性气体 (如 H 2、天燃气、液化石油气、甲烷等) 在很宽的温度 范围内都具有敏感性。其结构如图 1 所示。 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。 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 4　加热温度变化 其中V 0 为低电压,V H 为高电压, 当V H 供电 时, 传感器温度为 T 1, 可以起到清洁敏感部位的 作用。V 0 供电时, 传感器的温度为 T 0, 为维持温 度。在不同温度下, 传感器的传感电阻R S 的阻值 不同, 可以测高温状态时的低 R S, 也可以测低温 ·42· 1999 年第 3 期 电　气　防　爆 总第 137 期 状态时的高R S, 如图 5 所示。实验表明低温状态 最后温段的R S 重复性较好。 图 5　敏感器响应曲线 　　二、用 8098 实现检测的设计原 理 　　1. 系统组成及原理 由 8098 单片机及 74L S373、EPROM 2732 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 H SO 3 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 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H SO 3 输出低电平时的后段位, 启动A CH 4, 采 集R S 值。与此同时启动A CH 5 采集现场温度传感 器 R t, 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 报警方式 　X N 1 不报警 N 1 X N 2 10m in 后启动 GJ 1 (可接警灯) N 2 X N 3 10m in 后启动 GJ 2 (可按电铃) N 3 X 　 立即启动 GJ 3 (可接断电开关、通风机等) 　　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 R S 的变化, 即 R S (T ) = K R S (T 0) , 其中 R S (T 0) 为标准温度下的 传感器电阻值, K 为温度系数。第二步, 浓度特性 的分段处理。图 7 为传感器的响应曲线, 根据不同 的可燃气体, 分段浓度可选不同, 可分成 3～ 5 段, 测出不同的响应浓度, 根据所在段位, 计算出实际 浓度值。 图 7　可燃气体浓度修正曲线 　　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) ·52· 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 IEC60079 - 0?1983　爆炸性气体环境用防爆电气设 备　通用要求 IEC60079 - 1?1990　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 - 1A ?1975 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 IEC60079 - 2?1983　爆炸性气体环境用防爆电气设 备　正压外壳 IEC60079 - 3?1990　爆炸性气体环境用防爆电气