基于单片机的可燃气体测量系统的仿真研究

2024.08.26

刘博++闫永存

摘要：文章利用气敏材料的特性，将采集的信号转换为电压信号，从而对可燃气体浓度进行测量，并对系统进行了仿真测试。测试结果表明，本系统性能稳定，灵敏度高，使用灵活度较高，可用于室内可燃气体监测，能够有效预防可燃气体泄露引发的危险。

关键词：可燃气体；监测；单片机

天然气、烷类等可燃气体本身是人们日常使用的一种清洁能源，利用价值较高，但是其危害不容忽略。在日常生活中，由于使用不当造成天然气泄漏会使人因窒息而死亡。另外，如果在天然气中加入少量二氧化硫气体或硫化氢气体，但硫化氢是一种剧毒气体，如果天然气中含有较多的硫化氢，人大量吸入后会造成健康损伤，如果天然气不完全燃烧还会产生一氧化碳等其他有害气体。天然气的另一个危害是爆炸性。天然气易燃易爆，和空气混合后，其混合物浓度达到5%～15%，如果遇到明火就会爆炸，温度达到550 ℃左右就会燃烧。天然气热值高，约35 530～41 800 J/m3，天然气燃烧后发出的热量是相同体积的城市煤气的2.5倍左右[1]。

本设计基于单片机对可燃气体浓度进行测量，利用气敏材料的特性，将采集的信号转换为电压信号，通过单片机的处理，可以实现对可燃气体浓度进行测量。本系统有以下特点：性能稳定，灵敏度高，使用灵活度较高，可用于室内可燃气体监测，有效预防可燃气体泄露引发的危险，还可以用于家庭用气体泄漏警报器、工业用一氧化碳气体警报器、便携式气体检测器等。

1 系统软硬件设计

1.1 实验原理

仿真实验所用设备有：无线处理器板一块、传感器底板一个、仿真器一个、USB（B型口）线一根、可燃气体传感器模块一个。

本实验中用到的可燃气体传感器为MQ-7，MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，其工作原理、实验原理以及实验过程与MQ-7相同，本实验以MQ-7为例，设计了一种简易的可燃气体检测系统。MQ-7气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

采用高低温循环检测方式低温（1.5 V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0 V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器[2]。

传感器典型的灵敏度特性曲线如图1所示。图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值，Ro表示传感器在0.001氢气中的电阻值。图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

1.2 硬件电路设计

MQ-7连接单片机的电路原理如图2所示。

由MQ-7的灵敏度曲线可知，要得到可燃气体浓度，需要知道传感器的电阻Rs，根据电路原理图，使用下面的公式可以求得Rs的值：

Rs=Vin×R751/（Vcc-Vin）-R750

所以只要得到输入端Vin的值便可以计算Rs，所以我们需要采集Vin的值，故Vin经过LM358D电压跟随器接入无线处理器AD采集引脚。另外，在本次试验中我们仅将AD采集值输出，以便观察实验现象[3]。

1.3 程序设计思路

本系统的程序设计重点在于芯片引脚AD输入模式的配置和AD模块工作模式的配置，主程序流程如图3所示。

1.4 系統测试

编写可燃气体传感器程序并编译，然后将系统相关硬件连接，打开串口助手观察实验结果。全速执行程序，改变传感器的环境位置（也就是改变MQ-7传感器所处环境）可以从串口助手看到采集电压数值变化如图4所示。

此外，该种型号可燃气体传感器在使用过程中要注意以下事项：必须避免暴露于有机硅蒸气中，高腐蚀性的环境中和碱、碱金属盐、卤素的污染中，接触水，这几种情况都会使电压过高，引起灵敏度下降。

2 结语

本文设计了一种基于单片机对可燃气体浓度的测量系统，其利用气敏材料的特性，将采集的信号转换为电压信号，通过软硬件的设计从而对可燃气体浓度进行测量，并对系统进行了仿真测试。测试结果表明，本系统性能稳定，灵敏度高，使用灵活度较高，可用于室内可燃气体监测，能够有效预防可燃气体泄露引发的危险。

[参考文献]

[1]葛东旭.可燃气体检测报警传感器的选用[J].电子世界，2015（14）：197-200.

[2]陆旭明.基于AVR单片机及MCGS软件的可燃气体检测系统[J].实验室研究与探索，2014（12）：126-130.

[3]朱爱萍.可燃气体检测报警器使用中的问题探讨[J].科技传播，2011（22）：53.