基于單片機的可燃氣體測量系統的仿真研究

劉博++閆永存

摘 要：文章利用氣敏材料的特性，將采集的信號轉換為電壓信號，從而對可燃氣體濃度進行測量，并對系統進行了仿真測試。測試結果表明，本系統性能穩定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內可燃氣體監測，能夠有效預防可燃氣體泄露引發的危險。

關鍵詞：可燃氣體；監測；單片機

天然氣、烷類等可燃氣體本身是人們日常使用的一種清潔能源，利用價值較高，但是其危害不容忽略。在日常生活中，由于使用不當造成天然氣泄漏會使人因窒息而死亡。另外，如果在天然氣中加入少量二氧化硫氣體或硫化氫氣體，但硫化氫是一種劇毒氣體，如果天然氣中含有較多的硫化氫，人大量吸入后會造成健康損傷，如果天然氣不完全燃燒還會產生一氧化碳等其他有害氣體。天然氣的另一個危害是爆炸性。天然氣易燃易爆，和空氣混合后，其混合物濃度達到5%～15%，如果遇到明火就會爆炸，溫度達到550 ℃左右就會燃燒。天然氣熱值高，約35 530～41 800 J/m3，天然氣燃燒后發出的熱量是相同體積的城市煤氣的2.5倍左右[1]。

本設計基于單片機對可燃氣體濃度進行測量，利用氣敏材料的特性，將采集的信號轉換為電壓信號，通過單片機的處理，可以實現對可燃氣體濃度進行測量。本系統有以下特點：性能穩定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內可燃氣體監測，有效預防可燃氣體泄露引發的危險，還可以用于家庭用氣體泄漏警報器、工業用一氧化碳氣體警報器、便攜式氣體檢測器等。

1 系統軟硬件設計

1.1 實驗原理

仿真實驗所用設備有：無線處理器板一塊、傳感器底板一個、仿真器一個、USB（B型口）線一根、可燃氣體傳感器模塊一個。

本實驗中用到的可燃氣體傳感器為MQ-7，MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，其工作原理、實驗原理以及實驗過程與MQ-7相同，本實驗以MQ-7為例，設計了一種簡易的可燃氣體檢測系統。MQ-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。

采用高低溫循環檢測方式低溫（1.5 V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導率隨空氣中一氧化碳氣體濃度增加而增大，高溫（5.0 V加熱）清洗低溫時吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器[2]。

傳感器典型的靈敏度特性曲線如圖1所示。圖中縱坐標為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro表示傳感器在0.001氫氣中的電阻值。圖中所有測試都是在標準試驗條件下完成的。

1.2 硬件電路設計

MQ-7連接單片機的電路原理如圖2所示。

由MQ-7的靈敏度曲線可知，要得到可燃氣體濃度，需要知道傳感器的電阻Rs，根據電路原理圖，使用下面的公式可以求得Rs的值：

Rs=Vin×R751/（Vcc-Vin）-R750

所以只要得到輸入端Vin的值便可以計算Rs，所以我們需要采集Vin的值，故Vin經過LM358D電壓跟隨器接入無線處理器AD采集引腳。另外，在本次試驗中我們僅將AD采集值輸出，以便觀察實驗現象[3]。

1.3 程序設計思路

本系統的程序設計重點在于芯片引腳AD輸入模式的配置和AD模塊工作模式的配置，主程序流程如圖3所示。

1.4 系統測試

編寫可燃氣體傳感器程序并編譯，然后將系統相關硬件連接，打開串口助手觀察實驗結果。全速執行程序，改變傳感器的環境位置（也就是改變MQ-7傳感器所處環境）可以從串口助手看到采集電壓數值變化如圖4所示。

此外，該種型號可燃氣體傳感器在使用過程中要注意以下事項：必須避免暴露于有機硅蒸氣中，高腐蝕性的環境中和堿、堿金屬鹽、鹵素的污染中，接觸水，這幾種情況都會使電壓過高，引起靈敏度下降。

2 結語

本文設計了一種基于單片機對可燃氣體濃度的測量系統，其利用氣敏材料的特性，將采集的信號轉換為電壓信號，通過軟硬件的設計從而對可燃氣體濃度進行測量，并對系統進行了仿真測試。測試結果表明，本系統性能穩定，靈敏度高，使用靈活度較高，可用于室內可燃氣體監測，能夠有效預防可燃氣體泄露引發的危險。

[參考文獻]

[1]葛東旭.可燃氣體檢測報警傳感器的選用[J].電子世界，2015（14）：197-200.

[2]陸旭明.基于AVR單片機及MCGS軟件的可燃氣體檢測系統[J].實驗室研究與探索，2014（12）：126-130.

[3]朱愛萍.可燃氣體檢測報警器使用中的問題探討[J].科技傳播，2011（22）：53.endprint