可燃气体探测器

可燃气体探测器（精选3篇）

可燃气体探测器 第1篇

通过对不同类型燃气探测器探测机理进行分析,结合海洋平台的特点,综合考虑各方面的影响和因素,提出了海洋平台可燃气体泄漏探测综合解决方案。

1可燃气体泄漏分析

海上平台按生产设施划分一般分为:井口区,生产区和公用区。不同区域可燃气体泄漏的特点存在差别。生产区和井口区既有压力低区域,又有高压区域。高压区域燃气的泄漏速度快,并且由于压力大,会产生很大的声音;在低压区域,虽然阀门或者法兰密封已经非常好,但是微小泄漏还是不可避免的。在故障情况下还会发生中等泄漏;公用区的可燃气体一般是从生产区或井口区扩散过来,当燃气泄漏浓度与速度较高,会比较快速的被探测到。但是轻微泄漏很容易被风吹散,在几周内都有可能不被探测到。并且由于众所周知的原因,在通风的地方,使用传统的方法已经很难探测到这些微小泄漏。当这种轻微泄漏长时间发生时,气体云就会聚集在平台周围,当其足够大时,就可能带来安全隐患或严重后果,因此对可燃气体进行探测是极其重要的。

2可燃气体探测现状

目前可燃气体泄漏探测效果不佳的主要原因有:

1) 单一类型可燃气体探测器探测的局限性,使其存在探测盲区。

2) 可燃气体探测器布置及定位不合理。

3) 恶劣工况对探测器性能的影响。可燃气体探测器容易受到海上平台高温、高湿环境的影响,产生误报。

3可燃气体探测器综合布置方案

3.1概述

目前常用的可燃气体探测器有触媒式、半导体式、红外式以及超声式等。

3.2点红外式可燃气探测器

红外传感器分为点式和收发式。红外式探测机理是利用可燃气体对红外线的吸收,当可燃气体浓度越高,红外线被吸收的就越多,不透过的量越大。鉴于红外式燃气探测器必须有燃气泄漏积聚的过程,其不适用于高压燃气快速泄漏区域。

目前,海上平台针对燃气泄漏进行覆盖式探测,在每个潜在泄漏点布置点红外燃气探测器。但是考虑到平台设备的操作与维护,燃气探测器一般只能就近安装,所以实际探测效果相对于标定的性能有所降低。另外,考虑到海上平台风的因素,对于轻微燃气泄漏,点红外探测器很难探测到。单个燃气探测器浓度报警设定为20% LEL和50% LEL,并进行200 N表决,以防止单个燃气探测器误报警。

3.3开路式燃气探测器

随着红外探测技术的日趋完善,开路式燃气探测器在海上平台的应用逐渐增多。它由发射器和接收器两部分组成,发射器和接收器的距离最远可达100 m。探测器能检测出从发射器到接收器间的可燃气体平均浓度,而不是点式探测器所反应的某一点浓度。

开路式探测器易受外界设备的阻挡,所以收发式气体探测器一般用于工艺生产区和生活区的分界处、HVAC入口处等,用于探测进入生活区的可燃气体。开路式燃气探测器报警浓度设定一般为1 LEL·m和2 LEL·m。仅作报警应用,不进行表决动作。开路式燃气探测器适于探测轻微泄漏积聚形成的燃气云。

3.4超声式燃气探测器

传统的气体探测需要在探测器和气体间有一直接的体接触或一阻止光束通道的中断,这种探测器的主要缺点是测量技术需要气体聚集起来,在海上,这种特定条件是不能够得到保证的,因为气体云在户外会很快分散,对高压力管线燃气泄漏不能及时反应。超声式燃气探测器是探测高压气体泄漏时产生的超声波,不需要经过泄漏气体的扩散积聚,浓度增加并接触到传感器的过程,且超声波不受风的影响,因此不需要泄漏气体与传感器相接触,这就使该仪器成为在海洋平台环境探测气体泄漏的理想选择。一般应用在压力高于15 bar的管线区域。另外在实际布置中,需要考虑平台正常运行时背景噪声的影响,对于触发值进行调校。目前在平台应用中,仅作报警使用,不进行表决动作。

4工程案例

在LW3-1的工程设计中,经过方案优化,综合考虑成本和可操作安全性,考虑海洋平台不同区域可燃气体泄漏特点,将不同原理的可燃气体探测器(超声波、开路式、点红外)综合布置、优化安装位置以及采取不同的报警设定点和灵活的表决策略,避免了误报警和误动作的发生。能够迅速有效地探测到海洋平台生产设施的微小泄漏,减少了可燃气体云聚集造成的安全隐患,较好地解决了海洋平台可燃气体泄漏探测效果不佳的问题。

1)在平台多条24英寸天然气管线附近布置点红外式可燃气探测器,规范中要求“在室外开放场所,每个可燃气体探测器的最大探测距离为15 m”,考虑到该区域管线较为密集,法兰、阀门等潜在的泄漏点较多,以及风对探测效果的影响,点红外式探测器很难探测到微小的泄漏,因此在本次设计中每个可燃气体探测的探测距离控制在7.5 m左右,安装高度在泄漏点上方1.4～1.7 m。同时保证至少有两个探测器覆盖同一区域。探测器的两级报警浓度值设定为20% LEL和50% LEL,并对该区域的探测器进行200N的表决,以防止单个探测器产生误报警,提高探测效率。

2)各个生产区之间或者生产区与公用区之间,或者危险区与安全区之间的分界处布置开路式可燃气探测器,防止可燃气缓慢泄漏,在某一区域积聚形成燃气云,点红外探测器探测失效引起的危险。在本区域与其它分界处各布置一套开路式可燃气体探测器,探测器的发送端与接收端距离为35 m左右,防止探测距离过长产生频繁的误报警。安装高度为2.3～2.7 m,且避开逃生通道,同时安装支架的管径应大于4英寸,以防止平台震动造成发送端与接收端不能对准。报警浓度值设定一般为1 LEL·m和2 LEL·m,仅作报警应用,不进行表决动作。

3)在天然气外输管线的清管球收发器区域,压力大于15 bar,属于高压区域。由于高压气体泄漏时会产生人耳听不到的超声波,因此在设计中布置超声式可燃气体探测器。探测器安装在泄漏点上方1.5～2 m处,并保持360°视角,探测器与潜在泄漏点之间应无影响探测效果的阻挡物。经过现场实地测量,该区域正常运转时背景噪声为78 dB,超声探测器的报警触发值应高于超声波背景噪音4～6 dB,因此将探测器的报警触发值设定为84 dB,仅作报警使用,不进行表决动作。

LW3-1 LOWER DECK探头布置图如图1所示:

在高压管线和清管球的操作维护区布置超声式燃气探测器。管线上的潜在泄漏点布置点红外式燃气探头,并在火区外侧开放区域布置超声式燃气探测器。利用三种探测器进行综合布置,有效保证平台安全生产以及人员安全。

参考文献

[1]SH3063—1999石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范,中国石油化工集团公司[S].2009-10-1.

[2]SY6503—2000可燃气体检测报警器使用规范,国家石油和化学工业局[S].2000-12-12.

[3]海上油气田火灾和可燃气体泄漏探测设备的布置及选型的推荐做法[S].海洋石油工程股份有限公司.

[4]GB15322.1—20可燃气体探测器第1部分:测量范围为0～100%LEL的点型可燃气体探测器,全国消防标准化技术委员会第六分技术委员会[S].2003.

[5]袁飞,卢文科,胡频.可燃性气体探测器的设计[J].仪表技术,2009(11):16-18.

[6]HG/T20507—2000国家石油和化学工业局,自动化仪表选型设计规定[S].2001.

[7]刘松,叶镝,宋广兴.FPSO火灾和可燃气体探测系统设计浅谈[C].//2008年度海洋工程学术会议论文集.2008.

[8]陈雪,杨萌.可燃气体报警器系统设计[J].当代化工,2009(2)

[9]朱丽,李刚进,吴怀宇,夏文智,刘亮.可燃气体红外光双波段探测器研究[J].微计算机信息,2008(19)

可燃气体探测器 第2篇

(一) 国内外现状、水平和发展趋势

大型厂矿排放的易燃易爆有毒气体严重威胁到了人类的生存环境和人生安全, 对这些气体进行快速、实时检测对安全生产及环境保护都具有重要的意义。气体的检测方法很多, 按照气体传感机理可以划分为化学气敏法、荧光法、气相色谱发和光谱吸收法。化学气体传感器一般存在干扰器的影响, 很难以实现单一组分的测量, 还会存在温度显著影响测量稳定性的问题, 以及传感器会出现耗尽有效成分而中毒的现象。荧光法的问题在于待测样品在检测以前需要进行消解处理, 无法进行在线监测。气相色谱法的主要缺点在于检测周期长, 有时长达数天, 无法实现在线监测或安全报警。因此, 有毒有害气体的在线监测近年来发展较好的, 研究较多的主要是基于TDLAS技术的激光气体传感器。

(二) 项目研究开发对本企业、行业的推动 (带动) 作用

TDLAS激光气体作为一种高精度强适应性的气体传感器, 通常用于工业过程气体分析, 而很少用于安全报警, 原因在于特殊波长激光器以及长光程气室的价格昂贵、本项目所研发的激光气体传感器拟通过先进的数字锁相放大算法, 以及结合实际测量精度要求尽可能减小了气室光程和造价, 降低电路的复杂性和成本, 使得激光气体传感器作为一种报警器的工业化应用成为可能。

天然气管道布置和输送作为一项高技术, 高风险的生产活动, 各种形式的气体泄露会导致许多影响大气环境与人民生命财产安全的隐患。

天然气的主要成分是甲烷 (CH4) , 易燃易爆气体, 同时甲烷又是一种强效的温室气体, 甲烷的温室效应是二氧化碳的20多倍, 是地球大气中仅次于二氧化碳的第二号能导致全球变暖的温室气体。

目前天然气应用较多的主要是基于催化燃烧式的点型仪器, 它们的使用有着50年以上的历史, 主要由工作珠和参考珠组构成的一个惠斯登电桥, 如图:

原理缺点:

响应速度慢;易受空气中的水气和粉尘损坏失效;

有损测量方式, 容易受到其他气体成分交叉感染, 易中毒;

无法大范围区域检测。

基于TDLAS的气体浓度检测技术在国外广泛应用于石化、天然气等有毒有害、易燃易爆泄露监测, 在国内应用于精确定量分析的高端应用, 例如;过程气体浓度分析, 中科院合肥分院在TDLAS研究方面走在了国内理论研究的前沿, 其研制的抽取式激光甲烷检测仪已经完成了测试。目前该设备尚处于实验室测试论证阶段。

二、工作原理

每种气体分子都有自己的吸收谱特征 (即由于分子结构和能量分布的差异各自显示出不同的吸收谱) , 光源的发射谱与气体吸收谱重叠的部分才被吸收, 吸收后的光强将发生变化。当光源的发射波长与气体的吸收波长相吻合时, 就会发生共振吸收, 其吸收强度与该气体的浓度有关, 通过测量吸收光强度就可测量气体的浓度。对应关系可由朗伯·比尔 (Lambert-Beer) 定律来衡量。

气体吸收光子后, 分子跃迁到激发态, 在激发态停留非常短的时间后, 又通过直接发射回到稳定状态。在这个过程中, 释放出光子。由于气体分子结构具有互异性, 不同气体的吸收情况因其分子结构的不同而互不相同, 检测某种特定波长光的吸收情况, 可进行气体的定性和定量分析。

差分谐波检测法

针对不同的问题, 微弱信号的检测方法也分别迥异。多年来, 人们在微弱信号检测方法和检测仪器上进行了不断的努力和探索, 已经达到了较高的水平。上表列出了目前常规检测方法和微弱信号检测方法可以达到的量级。本系统基于甲烷分子对光的选择性吸收这一特性来检测瓦斯浓度, 为了最大程度地降低各种噪声的影响, 行之有效的办法是采用差分吸收技术和波长调制技术。

差分吸收法差分吸收技术是将光源发出的光分为两路, 一路经过测量气室, 一路经过参考气室。光源的不稳定以及光电器件的时漂, 温漂对两路信息的影响相同。

单波长双光路检测:单波长光源, 发出的光经分光器分成两路, 一路经过含有被测气体的气室, 另一路则经过不含被测气体的参考气室。

三、研究开发方法及技术路线

本项目从国内外气体浓度检测技术的研究现状出发, 面对现行气体浓度检测方法的种种缺陷, 提出一种将可调谐二极管光谱吸收技术 (TDLAS) 应用于工业易燃易爆、有毒有害等气体的浓度检测的方法, 设计出一种利用波长调制结合二次谐波检测技术, 采用数字锁相放大器对终端信号进行处理的激光气体浓度检测和报警系统。

(1) 主要研究的技术路线如下:

1) 理论研究:对近红外分子光谱吸收机理进行深入的理论研究, 结合浪波比尔定律验证了几种常见工业气体, 例如CH4、CO2、NH3、H2S、CO、水汽的吸收波长和吸收谱线形式, 设计出这六种气体的TDLAS检测系统的基本架构。根据气体在近红外吸收谱线强度的分布, 以及应用现场干扰气体的分布情况和影响程度, 挑选每种气体最适合的激光波长。

2) 气体吸收池的设计:根据每种气体在现场使用中的最低探测灵敏度要求, 计算出所需的最短光程, 设计出体积最小, 并且容易防尘、防水、防爆的气体吸收池。首先通过不限制体积的直通长光程吸收池验证光程的长度是否满足要求, 然后使用多次反射的怀特池原理设计出体积最小化的长光程吸收池。

3) 使用常规的模拟锁相放大器对气体吸收谱线的二次谐波信号进行调制分析, 研究谐波信号幅度、宽度和吸收强度、气体温度、气体压力、气体浓度之间的对应关系, 然后通过高精度高速模拟信号采集以及数字锁相放大器的软件算法, 通过嵌入式程序实现模拟锁相放大器的功能, 同时把气体温度和压力对谐波信号的影响规律集成到该软件算法中, 实现稳定可靠、环境适应性强的气体吸收二次谐波检测系统。

4) 研究电源噪声、辐射噪声以及PCB布线引入的高频串扰对二次谐波解调精度的影响, 优化光电前置放大电路、模拟信号采集电路以及电源、基准电压的设计。

5) 通过软件实现激光器温度的PID控制:首先通过集成芯片温度控制TEC实现蝶形激光器的温度控制, 进而设计出通过嵌入式软件实现PID算法对激光器温度进行控制, 解决硬件PID调试困难导致难以实现产品的批量化生产和一致性的保障。

6) 以现有的电化学式、红外式气体传感器的现场安装方式、仪表外观为参考, 设计出最合适TDLAS的激光气体传感器的外壳, 把最小化的气体吸收池设计成一体化安装的方式, 同时实现防水防爆。首先通过比较容易实现的防爆胶对光纤电缆进行封堵隔离的形式实现防爆和防水的功能, 进而通过增加透光不透气的窗片, 将探测器以及电气相关的部分放在窗片以内以实现电气和外界气体环境的完全隔离。

本项目的关键技术为、通过全数字化的锁相放大器提出吸收谱线的二次谐波, 较之于传统的模拟锁相放大器来说更加稳定, 没有模拟器件随环境温度, 运行时间而漂移, 同时在生产调试过程中更加方便、快捷, 使设备有更高的一致性, 同时数字锁相放大器的精度理论上可以比模拟锁相放大器高出一个数量级, 也就对气体吸收池的光程降低了要求, 可以通过简单的单次反射甚至是直通光程实现同等精度要求的气体测量, 不但减小了气室的体积, 也避免了长光程气室对镜片上污染影响的敏感程度, 提高了该传感器在现场应用的适应性。

(2) 点型扩散式TDLAS气室设计

气室的结构特点应是内壁光洁, 不吸收红外线, 不吸附气体, 化学性能稳定, 不能与甲烷等气体成分发生化学反应。根据Lambert-Beer定律, 灵敏度与光源的光强和气体吸收的光程长度有关系。为了获得较大的光强变化, 需要增加气室的长度, 尤其是气体浓度较小时, 更有利于提高传感器测量的灵敏度。但是随着光路长度的增加, 光功率衰减也会变得比较严重。

因此, 选择气室的长度要综合两个因素来考虑:一是吸收光程尽可能大, 但不能无限制得增加气室的长度。二是气室中光路的损耗小, 状态稳定。目前有种结构为怀特气室, 原理是其两端均有反射镜, 使光在反射镜之间来回反射, 以增加光和吸收气体相互作用的长度, 进而提高了灵敏度。但由于其结构复杂, 导致体积较大, 安装和清洁都不方便, 而且光路调整困难, 因此系统不采用这种气室。考虑到易加工性和灵敏度需要, 本系统设计了尺寸长度为15cm的测量气室, 通过单次反射实现30cm的光程, 实现精度500ppm以内的甲烷检测, 同时可以实现TDLAS监测系统的小型化, 使其成为一种可以安装固定在井壁上的小型点型传感器。

对近红外分子光谱吸收机理进行深入的理论研究, 结合浪波比尔定律验证了几种常见工业气体, 例如CH4、CO2、NH3、H2S、CO、水汽的吸收波长和吸收谱线形式, 设计出这六种气体的TDLAS检测系统的基本架构。根据气体在近红外吸收谱线强度的分布, 以及应用现场干扰气体的分布情况和影响程度, 挑选每种气体最适合的激光波长。

使用常规的模拟锁相放大器对气体吸收谱线的二次谐波信号进行调制分析, 研究谐波信号幅度、宽度和吸收强度、气体温度、气体压力、气体浓度之间的对应关系, 然后通过高精度高速模拟信号采集以及数字锁相放大器的软件算法, 通过嵌入式程序实现模拟锁相放大器的功能, 同时把气体温度和压力对谐波信号的影响规律集成到该软件算法中, 实现稳定可靠、环境适应性强的气体吸收二次谐波检测系统。

研究电源噪声、辐射噪声以及PCB布线引入的高频串扰对二次谐波解调精度的影响, 优化光电前置放大电路、模拟信号采集电路以及电源、基准电压的设计。

通过软件实现激光器温度的PID控制:首先通过集成芯片温度控制TEC实现蝶形激光器的温度控制, 进而设计出通过嵌入式软件实现PID算法对激光器温度进行控制, 解决硬件PID调试困难导致难以实现产品的批量化生产和一致性的保障。

根据现有市面上电化学和红外类气体传感器的安装方式和特点进行针对性改进设计, 突出TDLAS激光气体检测的优势, 设计出安全报警仪表类型的产品, 并进行计量型式认证和防爆认证。

以现有的电化学式、红外式气体传感器的现场安装方式、仪表外观为参考, 设计出最合适TDLAS的激光气体传感器的外壳, 把最小化的气体吸收池设计成一体化安装的方式, 同时实现防水防爆。首先通过比较容易实现的防爆胶对光纤电缆进行封堵隔离的形式实现防爆和防水的功能, 进而通过增加透光不透气的窗片, 将探测器以及电气相关的部分放在窗片以内以实现电气和外界气体环境的完全隔离。

根据每种气体在现场使用中的最低探测灵敏度要求, 计算出所需的最短光程, 设计出体积最小, 并且容易防尘、防水、防爆的气体吸收池。

通过不限制体积的直通长光程吸收池验证光程的长度是否满足要求, 然后使用多次反射的怀特池原理设计出体积最小化的长光程吸收池。

通过全数字化的锁相放大器提出吸收谱线的二次谐波, 较之于传统的模拟锁相放大器来说更加稳定, 没有模拟器件随环境温度, 运行时间而漂移, 同时在生产调试过程中更加方便、快捷, 使设备有更高的一致性, 同时数字锁相放大器的精度理论上可以比模拟锁相放大器高出一个数量级, 也就对气体吸收池的光程降低了要求, 可以通过简单的单次反射甚至是直通光程实现同等精度要求的气体测量, 不但减小了气室的体积, 也避免了长光程气室对镜片上污染影响的敏感程度, 提高了该传感器在现场应用的适应性。

四、激光甲烷气体探测器的应用

武汉新烽光电股份有限公司自主研制的QGX系列激光甲烷气体探测器, 是继催化燃烧式和红外式之后出现的第三代气体传感器, 通过气体分子的吸收波长与外界温度、压力无关以及不同分子之间具有互不干扰的波长吸收特性, 实现了不受环境温湿度、不受干扰气体影响的激光气体传感器。通过在不同区域、不同企业的试用, 对各种安装燃气管网及设施等消防场所进行实际泄露检测, 重点在平时检测困难或难以直接进行检测的地方, 将测量的数据通过无线传输至主管部门的服务器, 主管部门通过接收服务器中以报表或数据表的形式发送的各个数据, 分析并总结得出不同消防场所环境下该仪器的适用性和性能特征。

(一) 某南方LNG加气船甲烷检测

通过在某南方LNG加气船上燃气管道连接处安装激光气体探测器, 检测连接处的燃气泄露情况, 均没有发现问题。管道连接处是重点监测位置, 一年的监控检测过程中, 通过日常检漏设备和保压测试, 均未发现燃气泄漏问题, 与激光甲烷探测器的检测结果保持一致。

(二) 某中部钢厂脱硫装置甲烷检测

通过在某中部钢厂脱硫装置旁安装激光气体探测器, 检测脱硫装置附近的甲烷泄露情况。安装满半年后发现探测器发出报警信号, 发现有一疑似漏点, 经过仔细检测和逐步缩小漏气范围, 确定该处装置附近存在甲烷泄露的可能。

(三) 某西部矿井内甲烷 (瓦斯) 检测

通过在某西部矿井内按照一定距离安装激光气体探测器, 检测矿井内的瓦斯 (甲烷) 气体泄露情况。管道工人在巡检矿井的过程中, 检查探测器是否工作正常, 并及时与主管部门服务器联系, 针对异常情况及时、有效的做出响应。

五、结论

本文通过介绍应用武汉新烽光电股份有限公司的激光甲烷探测器在某些消防场所的实际应用, 解决传统仪器无法实现的可靠检测, 证明该仪器是现有探测仪器的有效补充手段, 测量精度高、使用寿命长, 处于高浓度环境中不会发生中毒现象。在为需要的企业提供技术支持的同时, 及时解决检测难题, 为提高燃气泄漏检测效率, 保障优化消防场所的安全奠定坚实基础。

参考文献

[1]Wang Lei.Research on safety assessment system of gas transmission and distribution net work[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology, 2004.

[2]Zhu Yuan, Chen Guoming, Liu Dexu.Analysis of factors affecting hydrogen sulfide poisoing of sour gas pipeline leakage[J].Journal of Safety and Environment, 2010, 10 (6) :188.

[3]Huang Xiaomei, Peng Shini, Yang Junjie, et al.Investigation and analysis on failure of gas pipeline in typical domestic cities[J].Gas and Heat, 2010, 30 (9) :24.

[4]Zhang Wenyan, Yao Anlin, Li Youlv, et al.Hierarchy and fuzzy evaluation of risk of embedded gas pipeline[J].China Safety Science Journal, 2006, 16 (8) :32.

[5]高建国, 丁剑秋, 杨芳芳, 等.二氧化碳催化加氢甲烷化研究进展[J].贵州化工, 2009, 34 (3) :23.

[6]路霞, 陈世恒, 王万丽等.CO甲烷化Ni基催化剂的研究进展[J].石油化工, 2010, 39 (3) :340.

[7]郑荣兵, 徐新良, 徐亚荣, 等.CO甲烷化研究进展[J].河南化工, 2011, 28 (2) :3.

可燃气体探测器 第3篇

设计要求:1)能够检测酒精浓度;2)能够预先设定阀值;3)阀值能够再调整;4)超过阀值能够声光报警;5)显示酒精浓度值;6)能够判断是否吹气和吹气是否有效。

呼气酒精浓度测试常用的方法有燃料电池型(电化学型)和半导体型两种。燃料电池酒精传感器只有美国、英国、德国、中国等少数几个国家能够生产。半导体型酒精传感器采用具有气敏特性的氧化锡半导体作为传感器,当气体中酒精浓度增加时,传感器电阻值就降低, 对酒精具有最高的敏感度。

基于STC12C5A16AD单片机设计的酒精气体浓度探测仪,可用来检测酒精气体浓度,当酒精气体浓度高于允许限定值时,发出报警。

1 系统结构

系统由数据采集模块(包括吹气判断电路、MQ3酒精气体浓度传感器电路、信号调整电路组成);单片机控制模块(包括STC12C5A32AD型单片机、模/数转换部分、阀值比较电路、液晶显示器电路、晶振电路、复位电路组成);阀值电路模块(包括阀值预设定电路、阀值调整电路、阀值存储电路、过阀声/光报警等分电路组成)。系统结构框图如图1所示。

STC12C5A32AD这款单片机自身带有8路ADCP1.0-P1.7口模数转换功能;可以大量简化硬件电路设计。

2 电路设计思路

2.1 酒精浓度检测仪电路

由酒精气体浓度传感器MQ-3负责检测空气中的酒精气体浓度;由单片机内部自带的模/数转换器把检测到的模拟量(表示酒精浓度)的电压信号转换成数字量;然后和预先设定的表示酒精浓度的阀值进行比较,如果比较结果超过阀值就由单片机P2.3口输出方波信号控制PNP型三极管VT4驱动蜂鸣器发出报警声;同时由单片机P2.6口输出低电平控制发光二极管LED3发出红光;表示被检测的人处于醉酒状态;如果黄灯LED2亮表示被检测的人处于饮酒状态;如果绿灯LED3亮表示被检测的人没有饮酒。

数据的采集模块:

2.2 吹气判断电路

当没声音信号时VT1饱和导通,其集电极为低电平,VT2因反偏截止,IC1 555“2”脚为高电平,IC1 555“3”脚输出低电平,VT3截止,信号输出端VOUT输出高电平。此时绿色指示灯LED2不亮,表示没吹气或吹气无效,此时,单片机P1.3口输入高电平;编程时P3.1口高电平判断为:吹气无效或没有吹气。

吹气时,麦克线圈把音频信号转化为低频脉冲信号,经电容C1耦合、三极管VT1 9013/VT28050工作在放大区,经2次放大,IC555 2脚大于1/3VCC、小于2/3VCC时,接成单稳态的IC555电路翻转、3脚输出高电平、绿色LED21导通发光,表示吹气有效;此时,单片机P1.3口输入低电平;编程时P1.3口低电平判断为:吹气有效。

酒精浓度信号采集电路及信号调整电路:MQ-3酒精气体浓度传感器检测到空气中的酒精浓度,并且把浓度转换成电压输出(模拟量AOUT送到单片机的P1.7口);传感器输出的信号输入运算放大器LM393的2脚,与3脚RP2分压以后的电位比较,从1脚输出整形数字信号(数字量)。

模/数转换:由于STC12C5A32AD这个型号的单片机P3口带有ADC功能,根据酒精浓度和电压关系图表,可以把模拟量转换为数字量,供CPU处理。调节电位器Rp改变输出的灵敏度。

2.3 单片机模块

单片机和液晶显示器LCD1602接口、及晶振、复位电路如图3所示。液晶显示器选用LCD1602来显示酒精浓度值;LCD1602挂在单片机P0口上,液晶显示器的8位数据线P0.0~P0.7和单片机P0口的8位P0.0~P0.7一一对应连接;LCD1602的3条控制线由单片机P2.0、P2.1、P2.2控制;连接关系如下:EP2.0;RW-P2.1;RS-P2.2;液晶显示器通过3脚上的10K电位器RP3调整;由于P0口结构关系需要外接上拉电阻;用1K的排阻一端接5V,另一端接P0.0~P0.7;单片机采用11.0592MHz晶振频率;复位电路采用按键式复位方案。

2.4 酒精浓度和输出电压关系的取得

由无水乙醇和水勾兑、稀释而成不同浓度的酒精;然后分别用不同浓度的酒精慢慢靠近MQ-3酒精气体浓度传感器,从电压表读出电压值;建立模型(图表),找出电压和浓度的关系(试验多次,然后取平均值)。电压与浓度的对应关系如表1所示。单片机还把浓度和阀值比较,如果超过阀值就通过P2.3口控制三极管VT4(9012)驱动蜂鸣器发出报警声。通过P2.6/P2.5输出低电平驱动红灯LED3亮表示醉酒状态;LED2黄灯亮表示饮酒状态;同时单片机把转换后的酒精浓度数据送到液晶显示器上显示;单片机负责控制各个分电路。

2.5 阀值设定/调整电路

由单片机和四个按键组成。按键一端接地,另一端接单片机P3口;P3.5口控制SW4(CANCEL)键(当按下时表示处于阀值预设或阀值调整状态);P3.4口控制SW3(OK)键(当按下时表示阀值设定到位);P3.1口控制SW2(Down)键,每按一次,阀值减一;P3.0口控制SW1(UP)键,每按一次,阀值加一。如图4所示。

平时没有键按下,P3口处于高电平状态;当有按键按下时,P3口和地线接通被拉成低电平。采用查询扫描方式,循环检测。如果没有按键按下,检测结果都是高电平;如果检测到低电平时,表示有键按下。当检测到P3.5口是低电平时,表示SW4按下处于阀值预设定状态,此时,每按一次SW1(UP)键,阀值加一。达到20mg(或80mg)时,请按下SW3(OK)键,表示固定阀值。如果按下SW2(Down),阀值减一。

表示酒精浓度的阀值取得:采用道路交通安全法中的规定;即大于20mg小于80mg,判断为饮酒状态;大于80mg判断为醉酒状态。

2.6 阀值存储电路

采用电可擦写可编程只读存储器AT24C24来保存酒精浓度阀值数据。图中PRE、E1和E2为芯片的地址引脚,一般接地即可。SCL和SDA为AT24C04和单片机IIC通信的串行控制时钟线和数据线。SCL连P1.0,SDA连P1.1。阀值数据很重要,是处罚的依据,必须保存好以备查和解决争议;AT24C24内部有E2PROM可保存数据100年,掉电数据不丢失,最适合。

阀值设定/调整:通过“增加”、“减少”按键调节。

2.7 声光报警电路

声光报警电路如图5所示。

单片机将酒精浓度的测量值与事先设定的阈值相比较,当测量值大于阈值时,蜂鸣器报警;当超过阀值(20mg、80mg)时,单片机从P2.3口输出方波信号,控制三极管VT1导通/截止交替变化,驱动蜂鸣器发声。

如果20mg/100ml <酒精含量<80mg/100ml,则单片机P2.5口输出低电平驱动发光二极管发光,黄灯闪烁,表示饮酒状态。

如果酒精含量>80mg/100ml,则红灯闪烁,单片机P2.6口输出方波信号驱动发光二极管闪烁,红灯表示醉酒状态。

3 设计制作印刷电路板

Protel Dxp 2004是目前网络上功能最强大、最专业的PCB线路板设计软件,软件具有丰富的设计功能,能进行原理图的设计、印制电路板的设计、新增加了自动布线功能、原理图仿真功能。把各个分电路集成就形成了酒精浓度检测仪完整电路原理图。如图6所示。

设计过程中设计了自己的元件库,自制了4个元件(LCD1602、MQ-3、STC12C5A32AD、LED);设计了自 己的封装 库 ( LCD1602、MQ-3、STC12C5A32AD)。

为符合设计要求,设计了酒精浓度检测仪电路印刷电路板。采用双面板方案,电子元件选用非贴片,元件封装采用THT技术,电路布局按功能分区布设,双面覆铜;PCB板采用方型;集成电路采用DIP技术;按要求设计的酒精浓度检测仪电路印刷电路板图如图7所示。

4 软件设计

主程序流程图如图8所示。

图8主程序框图(参见右栏)

5 结论

本设计能够对人体呼出气体进行酒精气体浓度检测,超过规定阀值时能够声光报警,实现了预期设计要求。

摘要：酒精气体浓度探测仪采用MQ-3乙醇气体传感器对空气中的酒精浓度进行检测,利用单片机把检测到的酒精浓度模拟量电压信号转换成数字量,再和预设的酒精浓度阀值进行比较,如果超过阀值由单片机控制三极管驱动蜂鸣器报警,液晶屏显示报警时的酒精浓度;本电路可以由键盘预先设定、调整阀值;本电路能判断吹气是否有效;电路全部采用Protel Dxp 2004制版软件设计;印刷电路板采用双面板设计、双面覆铜方案。