高壓直流電場下小尺度燃燒監控系統設計

摘要：基于高壓直流電場下的小尺度燃燒系統，開展對火焰燃燒狀態監控系統設計。本系統運用單片機與電腦之間的串口實時采集的數據和實驗結果表明：MQ-3酒精傳感器檢測到實驗室空氣中酒精濃度范圍在0-10ppm之間；穩定燃燒過程中酒精濃度為60-200ppm；若注射器中仍有乙醇，外界干擾導致火焰熄滅時，乙醇濃度先降低，然后乙醇未經燃燒直接揮發出來，濃度較高，甚至可以超過300ppm；通過鍵盤設置參數，單片機比較檢測值和設定值，對火焰的燃燒狀態進行判斷，火焰異常時，GSM模塊SIM900A向指定的手機發送信息并切斷電源。

關鍵詞：小尺度燃燒；STC89C52單片機；GSM；酒精濃度檢測

中圖分類號：TM85 文獻識別碼：A 文章編號：1001-828X（2016）022-000-02

引言

隨著Power MEMS技術的發展，基于燃燒的微能源系統正成為燃燒科學的研究熱點。國內的學者針對微尺度燃燒做了大量的實驗研究[1-2]。實驗研究中發現合適的外加電場條件能夠提升火焰峰值溫度并擴寬火焰的穩燃范圍，但當流量過大、外界風的擾動、高壓極板間場強過高產生離子風等原因都容易使火焰燃燒不穩定，火焰明顯跳躍乃至熄火現象，由于噴嘴尺寸很小，火焰高度僅為毫米量級，所以熄火現象在實驗過程中難以察覺。因此有必要設計一套監控系統，有利于對實驗數據進行實時采集、傳輸與處理[3]。

本文設計的小尺度荷電燃燒監測系統可以實現以下功能，當外界干擾或參數變化時，酒精濃度與鍵盤設定值對比，根據判斷結果確定是否迅速切斷電源并對指定手機發送短信。串口通信采集的酒精濃度便于對火焰燃燒狀態進行監測。研究結果可為微型燃燒器的理論分析等提供指導和參考依據。

一、系統組成

實驗裝置包括燃料供給裝置、燃料燃燒系統、和觀測裝置，圖1為其系統簡圖。燃料供給裝置為微量注射泵和醫用注射器組成，通過在微量注射泵上設定液體乙醇的供應流量，然后推動醫用注射器把無水乙醇精確而穩定推入到燃燒器噴管。燃料燃燒系統主要由銅套和燃燒器噴管組成，本實驗內徑0.9mm，外徑1.2mm的玻璃管為噴管，噴嘴距離下極板L1=2.9cm。外加電場為高壓直流電源，極距d為50mm，半徑為40mm的銅板電極，1MΩ電阻和5nF的電容構成。觀測裝置為基于單片機的控制電路板，計算機等。

本系統采用單片機為微控核心，通過MQ-3傳感器、K型熱電偶檢測燃燒器火焰的酒精濃度、溫度等數據信息，并將采集到的模擬信號和系統的電壓通過AD轉換器轉化為數字信號后傳送給單片機，單片機經邏輯處理判斷是否滿足報警條件，并由LCD1602液晶顯示實時各檢測參數。當火焰異常時，通過GSM模塊向指定電話發送報警短信。

二、硬件設計

1.MQ-3酒精傳感器電路

MQ-3采用氧化錫作為敏感材料，其對酒精（乙醇）探測范圍為10～1000PPm，敏感體電阻為400～4000kΩ（空氣中），響應時間小于10s，加熱電壓為5V±0.2V，具有簡單的驅動回路和可靠的穩定性等優點。

2.其他電路

GSM（Global System for Mobile Communication）通信模塊是數據傳輸的通信核心。SIM900A可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸、短消息服務和傳真。SIM900A模塊主要通過串口與單片機進行連接，從而單片機實現對SIM900A模塊的控制。

本系統的輸入部分采用3×4的薄膜鍵盤，用于實現參數的更改和設定。采用兩個獨立按鍵作為外部中斷源使用，一個用于系統報警的開關，另一個用于改變界面顯示標志，實現設置模式和檢測顯示模式的切換功能。

三、軟件設計

1.主程序

系統啟動時完成對所需硬件電路的初始工作，在定時器中執行相關主程序任務，主程序主要用于顯示測量值和設置報警值兩種模式，可通過按鍵中斷調整主程序。顯示模式主要顯示檢測到的酒精濃度值，設定的酒精濃度上下限值L和R。

2.報警控制程序

當酒精濃度大于上限R值或小于下限L值，發短信報警并控制繼電器動作切斷電源。

其他子程序有GSM模塊、ADC0834的驅動、設置、LCD顯示，還有定時器中斷，外部中斷，串口通信等程序。

四、實驗結果與分析

如圖1所示，極板半徑為40mm，極距d為50mm，選用流量qv的范圍為0.6-1.3mL/h，噴嘴與傳感器MQ-3中心距離0.5cm，MQ-3將檢測到的酒精濃度轉換為模擬量電壓值，經AD轉換后輸出的是數字量的電壓值，因此，需要將其轉換成濃度值。通過查看MQ-3的實驗手冊，MQ-3的輸出信號同空氣中的酒精濃度成近似的線性關系：被測氣體酒精濃度每升高20ppm，MQ-3的輸出電壓增加0.1V。由于MQ-3在本系統的作用是報警，而不是作為精密測量儀器使用，因此這種近似處理是可行的。

實驗過程中為了實時監測到酒精濃度對火焰狀態的影響，每0.5s采集實時的酒精濃度實驗數據。由于實驗室長期做乙醇燃燒時間，室內留有一定的酒精氣味，所以MQ-3檢測到實驗室空氣中，酒精濃度的大小在0～10ppm之間變化；火焰燃燒和熄火狀態下的酒精濃度監測如圖2所示。燃燒過程中，由于乙醇的充分燃燒，酒精濃度為100～170ppm；熄火有兩種情況，一種是由于風的擾動導致熄火，但注射器中仍有酒精，流量泵仍然正常工作，圖中t=30s為吹熄火焰的時刻，火焰燃燒時，噴嘴中的液體與火焰之間有一段空氣，所以當火焰熄滅時，乙醇濃度先降低，然后未經燃燒直接揮發出來，濃度較高，甚至可以超過300ppm，這種濃度差異可判斷火焰是否熄滅。另一種是因注射器中的酒精用完，泵停止工作，乙醇濃度持續降低，通過小于濃度下限值，判定火焰熄火。

圖3給出了乙醇流量qv=1.0mL/h時，外加電壓從0～4kV火焰燃燒狀態下的酒精濃度變化。從圖中不難看出，火焰的乙醇濃度范圍在80～140ppm，當電壓在1～2kV時，濃度范圍出現了62ppm，是因為噴嘴僅有0.9mm，噴嘴中有時會存在一段氣柱，導致濃度的降低。當電壓在3～4kV時，圖中顯示乙醇濃度急劇變化，值并未超出200ppm。

根據實驗的條件與數據，設定酒精濃度上限R為200，下限為50。當酒精濃度大于上限R值，或小于下限L值即熄火狀態，立刻發短信報警通知相關人員，同時繼電器動作，斷開高壓電源和微流量泵的電源。

五、結束語

系統以STC89C52單片機為微控制器，利用MQ-3酒精傳感器對微尺度火焰的燃燒狀態進行監測，并用ADC0834對檢測值進行模數轉換，運用矩陣鍵盤設置參數，LCD顯示實測和設置的酒精濃度和報警狀態等。異常狀態時系統能快速發送報警信息到指定手機并運用繼電器切斷電源，保障系統運行的安全性。這種基于GSM技術的無線監控系統，操作簡單、靈敏度高、性能穩定可靠。

參考文獻：

[1]李軍偉，鐘北京.微細直管燃燒器的散熱損失研究[J].中國電機工程學報，2007，27（20）：59-64.

[2]張永生，周俊虎，楊衛娟，等.微型燃燒器熱電轉化實驗研究[J].中國電機工程學報，2006，26（21）：114-118.

[3]王瑜瑜，劉少軍.基于單片機控制的酒精濃度檢測系統的設計[J].國外電子測量技術，2014，33（11）：72-75.

作者簡介：史艷玲（1976-），女，碩士研究生，講師，主要研究方向：高電壓絕緣與荷電噴霧。