小型燃?xì)獍踩雷o(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 現(xiàn)有燃?xì)庀到y(tǒng)安全防護(hù)系統(tǒng)是通過間接地采集空氣燃?xì)鉂舛葋砼袛嗳細(xì)庀到y(tǒng)是否存在安全隱患的情況，這里設(shè)計(jì)一種燃?xì)庀到y(tǒng)安全防護(hù)裝置，該設(shè)計(jì)通過熱電偶和流量傳感器實(shí)時(shí)直接采集燃?xì)庀到y(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，然后由單片機(jī)判斷燃?xì)庀到y(tǒng)的工作狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)安全起到防護(hù)作用。通過仿真本設(shè)計(jì)能對(duì)各種情況做出相應(yīng)的響應(yīng)。

關(guān)鍵詞： 燃?xì)庀到y(tǒng)安全； 單片機(jī)； 熱電偶； 流量計(jì)

中圖分類號(hào)： TN710?34； TD611 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0118?03

0 引 言

隨著我國工業(yè)的發(fā)展，燃?xì)庖呀?jīng)成為人們生活中不可缺少的能源。盡管科技水平在不斷提高，但是由燃?xì)庀到y(tǒng)故障造成的安全事故時(shí)有發(fā)生，事故發(fā)生的原因也總是出人意料[1]。所以，燃?xì)庀到y(tǒng)的安全問題還需要我們?nèi)ド钊胙芯俊，F(xiàn)有的燃?xì)庀到y(tǒng)安全設(shè)計(jì)主要對(duì)泄漏的可燃?xì)怏w濃度和灶具的溫度變化參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2?4]，數(shù)據(jù)異常時(shí)關(guān)斷燃?xì)夤艿篮痛蜷_排風(fēng)扇或者及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這種監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)是設(shè)備啟動(dòng)時(shí)已經(jīng)有一定濃度的燃?xì)庑孤?/p>

本系統(tǒng)通過采用熱電偶和流量傳感器實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)的燃?xì)饬髁亢腿細(xì)馊紵龝r(shí)火焰的情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的直接采集和對(duì)燃?xì)庀到y(tǒng)工作狀態(tài)的判斷[5?6]，并且在軟件設(shè)計(jì)中通過設(shè)計(jì)延時(shí)等待，消除有采集誤差帶來的系統(tǒng)誤動(dòng)，并且根據(jù)燃?xì)庀到y(tǒng)的工作情況設(shè)置點(diǎn)火、電磁閥動(dòng)作后再采集的延時(shí)等待時(shí)間。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好，抗干擾能強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，安裝調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，而且通用性強(qiáng)，易于擴(kuò)展升級(jí)，有很好的應(yīng)用前景。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)通過羅茨燃?xì)饬髁坑?jì)和熱電偶實(shí)時(shí)采集燃?xì)庀到y(tǒng)燃?xì)饬髁亢突鹧鏈囟刃畔7]，然后通過由LM324芯片構(gòu)成的放大電路，對(duì)采集到的毫安級(jí)信號(hào)放大200倍，再送給具有雙通道的ADC0832芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將采集到的兩路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后由AT89C52單片機(jī)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，通過光電耦合來控制安全防護(hù)系統(tǒng)的執(zhí)行單元，確保燃?xì)庀到y(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以AT89C52為控制單元，流量傳感器和溫度傳感器為采集單元，由電磁閥構(gòu)成系統(tǒng)的執(zhí)行單元，形成典型的采集運(yùn)算控制系統(tǒng)，確保燃?xì)庀到y(tǒng)安全。其中采集單元和控制單元之間是通過信號(hào)處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)微小模擬量到數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，控制單元和執(zhí)行單元之間通過光電耦合來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

ADC0832是兩路A/D轉(zhuǎn)換器，兩路分別為CH1和CH0，將CH0作為流量的采集通道，將CH1作為溫度的采集通道。其時(shí)鐘信號(hào)是CLK，接到單片機(jī)的P2.1口，由單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，CS作為片選段，接到單片機(jī)的P2.0口，由單片機(jī)產(chǎn)生啟動(dòng)A/D芯片的信號(hào)，如圖2所示。

圖2 ADC0832引腳圖

VCC是參考電壓，接到5 V電源端，作為輸入的參考電壓，DO和DI是數(shù)據(jù)的傳輸通道，需要接到單片機(jī)的數(shù)據(jù)讀和寫端口。因?yàn)锳D0832數(shù)據(jù)的讀和寫，都是由時(shí)鐘信號(hào)來控制的，且本次設(shè)計(jì)對(duì)其讀和寫是不同時(shí)進(jìn)行的，所以本次設(shè)計(jì)將A/D轉(zhuǎn)換芯片的讀和寫引腳同時(shí)接到單片機(jī)的同一個(gè)口——P2.2口。

2.2 電磁閥控制電路

電磁閥的工作電壓為12 V，采用的是燃?xì)鈱Ｓ玫碾姶砰y，可以保證燃?xì)庀到y(tǒng)安全可靠運(yùn)行[3]。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力，將市電和5 V的系統(tǒng)工作電壓分開，采用光電耦合來傳輸控制信號(hào)，這樣可以很好地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

如圖3所示，當(dāng)電磁閥控制端有電壓時(shí)二極管發(fā)光，然后U5右下方的光敏二極管電流變大，繼而繼電器線圈帶電，電磁閥動(dòng)作。當(dāng)線圈掉電，電阻[R7]起到泄流的作用。

圖3 電磁氣閥控制電路

2.3 熱電偶測(cè)溫及信號(hào)處理電路

熱電偶產(chǎn)生的毫伏信號(hào)經(jīng)放大電路處理后輸出，輸出的信號(hào)可作為A/D轉(zhuǎn)換電路的模擬量輸入信號(hào)。如圖4所示，放大電路由LM324為核心的集成運(yùn)放芯片構(gòu)成。

圖4 熱電偶測(cè)溫及信號(hào)處理電路

第1級(jí)反相放大電路，根據(jù)運(yùn)算放大器增益公式：

[UO1=-R2×UI1R1=-10×UI1]

增益為10。

第2級(jí)反相放大電路，根據(jù)運(yùn)算放大器增益公式：

[UO2=-（RW3+R6）×UO1R5=-200+RW310×UO1]

增益為20。

總增益為200，由于選用的熱電偶測(cè)溫范圍為0～500 ℃變化，熱電動(dòng)勢(shì)0～25 mV對(duì)應(yīng)放大電路的輸出電壓為0～5 V。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要是通過延時(shí)子程序和采集信號(hào)子程序以及按鍵掃描程序設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集燃?xì)饬髁亢突鹧鏈囟刃盘?hào)，然后分別和它們的基準(zhǔn)做比較，確定燃?xì)庀到y(tǒng)的運(yùn)行情況，若存在安全隱患電磁閥動(dòng)作，然后再采集流量信號(hào)，來確保燃?xì)庀到y(tǒng)被成功保護(hù)。燃?xì)饬髁炕鶞?zhǔn)和火焰溫度基準(zhǔn)是在校準(zhǔn)的工作狀態(tài)下通過采集產(chǎn)生的。在燃?xì)獍踩雷o(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行中設(shè)計(jì)了三種工作狀態(tài)分別由三個(gè)發(fā)光二極管來顯示，這三個(gè)狀態(tài)分別為保護(hù)狀態(tài)、失效狀態(tài)、正常工作狀態(tài)。

3.1 延時(shí)程序

系統(tǒng)的延時(shí)是通過單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)的，在本次設(shè)計(jì)中采用12 MHz的晶振，通過for循環(huán)嵌套來實(shí)現(xiàn)延時(shí)100 ms，具體程序如下：

Void delay（uchar del）

{

uchar i，j；

for（del；del>0；del--）

for（i=200；i>0；i--）

for（j=100；j>0；j--）；

}

3.2 采集子程序

采集溫度和流量的子程序如下：

uchar Get_ad（）{

uchar i，dat1=0，dat2=0，data3；

cs=0；clk=0； //片選A/D轉(zhuǎn)換

dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //起始位設(shè)置

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //設(shè)置單通道

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //選擇通道

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；dio=1；_nop_（）；_nop_（）； //讀取數(shù)據(jù)

for（i=0；i<8；i++）{

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；_nop_（）；_nop_（）；

dat1=（dat1<<1）|dio；

}

for（i=0；i<8；i++）{

dat2=dat2|（（uchar）dio<

}

cs=1；

data3=（dat1==dat2）？dat1：0x00；

return data3； //返回采集到的數(shù)字信號(hào)

}

clk=1；_nop_（）；_nop_（）；

clk=0；_nop_（）；_nop_（）；

3.3 校準(zhǔn)子程序

校準(zhǔn)子程序如下：

do{s=Get_ad_s（）； //采集流量信號(hào)

if（s0>s）s0=s； //取流量的最小值

else s0=s0；

for（i=0；i<2；i++） //設(shè)置連續(xù)采集兩次溫度

{t[i]=Get_ad_t（）； delay（1）；}

//1為溫度的微分時(shí)間

if（t[0]>t[1]）

{if（（t[0]-t[1]）>tcha） tbiao=t[0]；

tcha=t[0]-t[1]；}

//通過微分將溫度突降時(shí)溫度作為溫度基準(zhǔn)

}while（！gongzuo）； //判斷是否校準(zhǔn)結(jié)束

s0=s0+s1； //為流量基準(zhǔn)增加補(bǔ)償

3.4 主程序流程圖

單片機(jī)上電復(fù)位后先掃描按鍵電路是否有校準(zhǔn)信號(hào)，若有校準(zhǔn)信號(hào)，就開始采集溫度和流量作為判斷是否有火焰或者有流量的基準(zhǔn)，然后將這兩個(gè)基準(zhǔn)存儲(chǔ)在單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里。然后時(shí)時(shí)采集溫度和流量，并和基準(zhǔn)進(jìn)行比較，判讀是否存在安全隱患，刷新顯示指示燈進(jìn)行顯示燃?xì)庀到y(tǒng)工作狀態(tài)，若存在安全隱患，延時(shí)采樣進(jìn)行比較以排除誤判，然后動(dòng)作。電磁閥動(dòng)作后還要采集流量信號(hào)，來判斷電磁閥是否成功切斷燃?xì)狻Ｈ舫晒η袛鄤t進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，等待復(fù)位。若還有流量信號(hào)則顯示安全系統(tǒng)失效。主程序方框圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的燃?xì)庀到y(tǒng)安全裝置，通過采集燃?xì)饬髁亢突鹧嫘畔ⅲ苯优袛嗳細(xì)馐欠裥孤＝鉀Q了以往通過間接手段監(jiān)控燃?xì)庀到y(tǒng)運(yùn)行情況的缺點(diǎn)——?jiǎng)幼髀`敏度低。在本次設(shè)計(jì)中，由于燃?xì)獾奶厥庑再|(zhì)，使得所選的流量傳感器還不太理想，需要找到一種更小更適合燃?xì)獾牧髁坑?jì)；對(duì)溫度采集信號(hào)的處理電路還存在著快速性差等問題，需要進(jìn)一步的改善。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊群峰.關(guān)于燃?xì)忮仩t燃?xì)獗ㄊ鹿实奶接慬J].工業(yè)鍋爐，2012（5）：52?54.

[2] 許宏良，張少瑜.新型燃?xì)庠罹甙踩o助裝置初探[J].考試周刊，2011（5）：148?149.

[3] 趙延明，文家厚.家用燃?xì)庑孤┲悄軋?bào)警系統(tǒng)研究[J].化工自動(dòng)化儀表，2014（2）：222?225.

[4] 李學(xué)金.燃?xì)庠畎踩刂蒲b置的電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004，27（14）：9?10.

[5] 靳文杰.淺析嵌入式上進(jìn)風(fēng)燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)[J].城市燃?xì)猓?003（7）：17?20.

[6] 馬巧麗，林瑞全.基于STC12C5A60S2 單片機(jī)的可燃?xì)怏w報(bào)警儀的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電技術(shù)，2012（5）：111?113.

[7] 汪穎.淺談氣體羅茨流量計(jì)與氣體渦輪流量計(jì)在設(shè)計(jì)中的選型[J].上海煤氣，2009（5）：12?13.