摘 要：本设计研究了一种对油气浓度进行检测的仪器，可以用于加油站，油库的安全检测。本设计采用催化燃烧式气体传感器进行油气检测，用电桥电路作为测量电路，并对所采集的信号作放大、补偿处理；经过A/D芯片将模拟电压信号转换为数字信号，用于信号的显示及报警。本项目设计的便携式数字化油气浓度检测仪适用于石油、天燃气运输、储存和使用等场所，如油库、加油站、石油化工企业等，可消除因油气浓度超标所造成的人员中毒、火灾爆炸等事故隐患，防止空气污染，减少燃气泄露所造成的能源浪费。

关键词：油气浓度；智能检测；气敏传感器；A/D转换；单片机

Abstract： The design studies an instrument that detecting concentration of hydrocarbon， which can be used for safety testing at gas stations or oil depots. The design uses a catalytic combustion gas sensor to detect oil and gas， electric bridge circuit as a measuring circuit， amplifying and compensation processing the collected signal； A / D chip transform analog voltage signal into digital signal for signal display and alarm. The project design a portable digital oil and gas concentration detector for petroleum， natural gas transportation， storage and use of other places， such as oil depots， gas stations， oil and chemical companies， can eliminate gas poisoning， fires and explosions and other accidents caused by over standard of oil concentration， to prevent air pollution and reduce energy waste from gas leak.

Keywords： oil-gas； smart detection； gas sensitive sensor； signal A/D converting； single chip processor.

0 引言

随着国民经济高速发展，石油、天然气等能源在日常生活和化工等领域得到广泛应用。在油料的收发及储存过程中。由于汽油挥发性强，必然产生大量的油蒸汽。随着油气浓度的升高，其事故隐患也随之增大，轻则发生油气中毒，重则有可能导致着火、爆炸等恶性事故。分析事故发生的主要原因是油气浓度检测设备技术落后，不能准确检测出油气浓度超标并及时报警。油库气体泄漏、人员中毒事故的屡屡发生，环境恶化的现实情况，使得相关部门和各种仪器厂商都高度重视应用于环境检测的气体检测技术。为了顺应时代的发展与社会的要求，研制出能同时检测多种气体的便携式多功能气体检测仪成为了社会的必然需求。本项目研究的便携式数字化油气浓度检测仪适用于石油、天然气运输、储存和使用等场所，如油库、加油站、石油化工企业等，可消除因油气浓度超标所造成的人员中毒、火灾和爆炸等事故隐患，防止空气污染，减少燃气泄露所造成的能源浪费。

1 设计框架

便携式数字化油气检测仪是一种将应用传感器、集成电路、单片机和计算机模式识别等技术结合于一体的仪器。仪器采用MC105气敏传感器进行油气浓度检测，这种传感器其稳定性和准确性好，检测范围较大，具有良好的重复性、选择性。通过电桥测量构建信号检测电路；使用INA128仪用放大器放大处理弱电信号；用集成电路ADC0809芯片将模拟信号转换为数字信号；通过微处理器处理数字信号，并通过LCD数字显示屏显示油气浓度数值并进行声光两级报警，用C语言编写程序进行系统控制，系统框图如图1所示。

2 硬件电路

2.1传感器设计原理

设计采用MC105气体浓度传感器进行油气浓度检测。MC105 型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作。这种传感器通过在铂丝线圈上包以氧化铝和粘合剂形成球状，在其外表面包裹铂、钯等稀有金属的催化层。当对铂丝通以电流时，检测元件保持高温，此时若与可燃气体接触如甲烷气体，甲烷就会在催化剂层上燃烧。燃烧使铂丝线圈的温度升高，线圈的电阻值就上升。测量铂丝电阻值变化的大小就可以知道可燃气体的浓度。

MC105气体浓度传感器的结构由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，从而起到检测作用。补偿元件起参比及温湿度补偿作用。

2.2 放大电路设计

通过电桥的输出的电压非常微弱，且为双端信号，必须经放大、补偿等措施将来自传感器的信号进行精密放大，抑制共模成分，提高信号质量。信号放大电路关系到信号检测转换的精确性，在信号转换模块中有重要的作用。通过综合比较，本仪器采用INA128仪用放大器实现信号放大。

INA128仪用放大器是低功耗高精度的通用仪表放大器。它们通用的3运放设计和体积小巧使其应用范围广泛。反馈电流输入电路即使在高增益条件下也可提供较宽的带宽，本设计利用INA128构建的放大电路如图2所示。

2.3 信号转换

信号放大电路将检测气体对应的电流转换得到的电压是一种连续变化的模拟信号，必须通过对应的模数转换电路将模拟信号转换为数字信号后才能进行运算处理。而要实现宽量程、高精度的测量，模数转换器是非常关键的一个元件，要实现数据采集测量模块，模数转换的器件选择至关重要。本论文采用ADC0809作为仪器的模数转换芯片。

2.4 信号显示

经A/D转换器，将油气浓度传感器的输出模拟信号转换为数字信号后，再通过微处理器对这些数字信号进行处理，并在LCD数字显示屏上显示出油气浓度值，使得油气浓度的检测提示信息更为准确，可靠性较好。

本仪器采用LM016L型16*2 LCD显示屏，可显示两行字符。LM016L液晶模块采用HD44780控制器，hd44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动，闪烁等功能，硬件电路如图4所示。

2.5 报警电路设计

由于油气浓度超过设定阀值要发出报警。报警模块采用LED，蜂鸣器，与单片机同一I/O口连接，当油气浓度超标时，单片机控制接通报警电路，LED，蜂鸣器，同时工作，于是产生声光报警，电路连接如图5所示。

2.6 测温电路设计

显示环境温度并与为检测仪报警上下限提供环境参数是油气浓度检测仪的一项必备功能。只有具备该功能才能根据环境温度的不同而改变报警的上下限。仪器能够测量环境温度，对于检测仪的检测结果分析就会更加精确。

本仪器采用DS18B20数字式温度传感器。DS18B20是美国DALLAS半导体公司推出的一种智能温度传感器。能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，硬件电路如图6所示。

3 软件设计

本设计利用和Proteus进行硬件电路图的设计和仿真，利用KEIL C51进行软件程序的编写。

3.1 系统主程序设计

被测气体被传感器检测到，然后经A/D转换后送入单片机进行处理，并在显示屏上显示出气体浓度值，当所测得的浓度值大于所设置的报警浓度时，单片机控制报警电路报警。

3.2 单片机端软件

该检测仪的单片机端软件主要有采集程序，LCD显示程序，以及报警模块的程序组成。在设计程序的时候利用模块化编程，模块化编程比较容易理解也更容易发现错误。模块化程序编写原则是：不该让外界知道的信息就不该出现在头文件里，而外界调用模块内接口函数或者是接口变量所必须的信息就一定要出现在头文件里，否则，外界就无法正确的调用所提供的接口功能。

3.2.1 ADC0809数据采集

ADC0809首先通过默认通道IN0输入传感器产生的电信号，同时外部电压进入ADC0809。然后START信号由低到高，在脉冲的下降沿ADC0809开始转换，同时判断EOC状态是否等于0，，若等式成立，表示转换正在进行，每个时钟CLK的脉冲转换一位，否则继续等待重新判断。转换完成后，EOC自动变高，这时OE=1，转换器输出转后的数字量，数据输出完成后，OE=0输出数据线呈高组态，即数据采集完成，返回初始状态进行下一次转换，数据采集流程图如图7所示。

3.2.2 数据处理

数据采集完成之后，对采集的数据进行滤波处理。最基本的平均滤波程序是算术平均滤波程序。算术平均滤波对滤除混杂在信号上的随机干扰非常有效。一般来说采样次数N越大，滤波效果越好，但系统灵敏度要下降。为了提高运算速度，程序中常用移位来代替除法，因此N一般取4、8、16等2的整数幂。

3.2.3 数据显示

数据处理经滤波处理之后，通过编程送入LCD进行显示，LCD主程序流程图如图8所示。

4 系统测试

仪器测试数据是由高浓度无水乙醇代替LPG测试所得。LCD显示屏上显示的是体积百分比浓度值（%VOL）和爆炸下限百分比浓度值（%LEL），LPG的爆炸极限为1.5%-9.5%VOL。测试时程序设定超过50%LEL报警，即传感器输出电压为22.50mV时，报警电路声光振动报警。对系统整体测试，数据如下表1所示。

由表中数据可知，系统整体能正常工作，测试成功。由于是用高浓度无水乙醇代替来测试，不能完全反应实际情况，因为在实际中，当爆炸下限百分比浓度值达到100%时即100%LEL时就已经发生爆炸了。

5 结论

便携并且高精度的气体浓度测量对人类生活以及环境监测非常重要。本课题针对实际需求，查阅相关资料与论文，研制出一种可检测油气浓度的便携式气体浓度检测仪。本论文所做的主要研究工作有：

（1）首先提出了便携式油气浓度检测仪的总体设计方案，给出了检测仪的设计要求，并根据要求，提出了气体传感器的选型依据与标准，介绍了仪器所选用的气体传感器。

（2）根据总体设计方案，设计了便携式油气浓度检测仪的硬件电路，其中包括数据采集与处理模块，处理器以及辅助电路模块等部分。完成了仪器软件设计，包括数据采集与处理模块的软件设计。

（3）将仪器样机在预先调制好的样本气体中进行检测，得出仪器在标准样本气体下的检测结果，证明了仪器检测误差小于 2PPM，并根据结果进行了误差分析，讨论了仪器电路以及其他因素对仪器检测结果的误差所造成的影响。

参考文献

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