可燃气体检测仪表实现

一、单位说明

1、ppm：气体体积百分比含量的百万分之一，是无量纲单位。

• ppm全称为parts per million,中文指百万分之一。表示在总量为一百万份的混合物中，有多少份是我们需要关注的物质。换句话说，1ppm等于1/1,000,000。
• 虽然无量纲量本身没有量纲，但是它也有时被加以无量纲的单位。在分子和分母使用同样的单位（kg/kg或mol/mol），有时可以帮助表达所测量的数值（如质量百分浓度或摩尔分数等）。
• 1ppm=1mg/kg 1ppm=1mg/L 1ppm= 0.0001%
• 例如10ppm二氧化碳指的是空气中含有百万分之10的二氧化碳，由于PPM单位是无量纲单位，大部分的能够检测PPM级别的气体检测仪，都是用来检测工作环境中气体微泄漏用的，因为气体微泄漏是很危险的，长时间的气体微泄漏可能会引起大事故，所以我们需要用PPM级的气体检测仪来及时排除微泄漏的地方。

2、Vol：气体体积百分比，是物理单位。

• Vol就是某一种特定气体的体积在空气中所占的百分比。如5%VOL甲烷，代表的意思就是甲烷在空气中所占的体积是5%。我们也可以设定某一个百分比数值的VOL作为报警点，当某种气体的含量达到或者超过这个设定值时，气体检测仪就会报警
• 例：5%Vol的甲烷:指甲烷体积在混合气体中占5%。

3、LEL：可燃气体的爆炸下限浓度（到达100%遇明火大概率爆炸）

• 可燃气体的概念是指能够与空气（或氧气）在一定的浓度范围内均匀混合形成预混气，遇到火源会发生爆炸，那么，这个可燃气体在空气中能引爆的最低体积百分比浓度，也就是我们说的气体爆炸下限浓度就是LEL%，简称是爆炸下限。
• 它的单位也是百分比，即把爆炸下限分为一百份，一个单位为1LEL%，爆炸下限里面的气体体积的浓度是用VOL%来表示的。
• 例如氢气的LEL是4%VOL,即它在空气中的体积百分比达到4%VOL时，遇明火就会爆炸，因此将4%VOL作为100%危险来看，称为100%LEL，即4%VOL=100%LEL,那么1%VOL=25%LEL。

二、LEL%、VOL%和PPM三者单位的换算

• 首先是VOL和PPM的换算，这两个单位的换算比较简单，因为%VOL是体积的百分比，而PPM则是体积的百万分比，所以1%(VOL)=10000PPM。
• VOL和LEL的换算，这两个的换算我们要先找出该可燃气体的爆炸下限值是多少，空气中可燃气体浓度达到其爆炸下限值时，我们称这个场所的可燃气环境爆炸危险度为百分之百，例如甲烷的LEL是5%VOL,即它在空气中的体积百分比达到5%VOL时，遇明火就会爆炸，因此将5%VOL作为100%危险来看，称为100%LEL，即5%VOL=100%LEL,那么1%VOL=20%LEL。

• PPM和LEL的换算，这两个没办法直接换算，要先将LEL换算成VOL，再由VOL换算成PPM。以5%VOL甲烷为例，20%LEL的甲烷是多少PPM，根据计算公式得出：

  • 20（%LEL）×5（%VOL）×1,000,000ppm=10000PPm
  • 例：10%LEL的甲烷（爆炸下限5%）。
  • 10%LEL＝10%×5%Vol＝0.5%Vol
  • 0.5%Vol＝0.05×1,000,000ppm＝5000ppm
• 假设25%LEL，10%LEL都为报警点。甲烷的爆炸下限为5%体积比，把这个5%体积比一百等分，让5%体积比对应100%LEL，也就是说，当检测仪数值抵达10%LEL报警点时，相当于此时甲烷的含量为0.5%体积比。当检测仪数值抵达25%LEL报警点- 时，相当于此时甲烷的含量为1.25%体积比。
• 所以，第一阶段报警不是已经危险了，此时是在提示要马上采取相应的办法，比方开启排气扇或是堵截一些阀门等，离真实危险的爆炸下限还有很大一段距离，这样才会起到报警提示的作用。

三、参数手册图表分析

• 甲烷的LEL是5%VOL，5%VOL=100%LEL，那么1%VOL=20%LEL。

​ NAP-55A线性数据图

​ NAP-57A线性数据图

• 根据产品参数这里的描述可知，当甲烷气体浓度达到1%Vol，也就是20%LEL时，电压输出在37-53mv之间，换算一下，与上面的分析结果大体一致。
• 前期我们大概使用1%LEL=2mv的比例关系去做气体浓度的量程，后面根据实际环境去调整。则0.2mv = 0.1%LEL

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四、电路设计

• 电路上设计了减法器电路，还设置了可调电阻输出对比电压，开机后校准可调电阻电压与传感器在干净空气中电压一致，此时将传感器与可调电阻输出连接到减法器，当二者压值相同时，减法器输出0电压，当R16=R15，R18=R17时，通过运放公式Vout = R18/R16(VA-AD) =10，放大10倍提高精度，传感器检测到气体变化，压值发生变化，使得减法器输出与干净空气时的电压之差，此时可根据手册给出的变化特性去计算变化范围。

​ 运放电路与传感器、可调电阻对比电压输出

• 如图所示，红色区域为可调电阻调节旋钮，因为每个传感器都会有一定阻值或电压的差异，用来改变对比电压，在运放上与传感器输出电压做对比，一般设置为无可燃气体时传感器的电压值，这样当二者电压相等，运放输出电压为0。
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• 依据手册来看，手册上特性是有气体时升高电压，因其内部是惠斯通电桥结构，正反接都可以输出值，这里因为方便对比故使用反接来对比，当传感器检测到气体时，自身输出电压会降低一些，运放因为传感器电压与可调电阻的输出电压不一致，此时会输出二者的差值，此差值即为传感器的线性输出。
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• 黄色区域按键为调试按键，粉色区域所指的排针是调试接口，当感觉读数与实际气体浓度有差异时，可以使用USB to TTL连接调试接口，按下调试按键，电脑上会显示一些数据，如图，V_Sensor为传感器电压的直接检测，V_ADC为运放对比放大10倍后的差值，V_RES为可调电阻电压的直接检测，此时可以根据传感器电压和可调电阻电压，去微调可调电阻，由于运放是放大10倍的，只要运放电压输出值在10以内都是合理的范围
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• 此外还可以看到传感器探头上是要加缸体的，当不加时，探头暴露在空气中，灵敏度很高，当加上缸体，头部带有疑似活性炭等吸附功能的网面，会将气体附在网面上，与暴露在空气中的快入快出不同，是淡入淡出的，所以给气体测试会发现，读数上升有些慢，下降也会慢，此情况也符合实际中气体慢慢泄露的情况。

• 通过显示主板的485接口，接收每个传感器探头的数据并显示

  • 显示主板功能：4G、MQTT上传、超标电话短信报警（使用非物联网卡）

    • 三路继电器控制（声光报警器、风扇等可选）
    • 探头读数屏幕显示，可翻页多显示
    • 485主从机，可扩展
    • LED和蜂鸣器报警（受环境限制，可能无法发现，应外接声光报警器）
    • 按键翻页、报警电话输入保存

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五、算法设计（非使用版本，这里只做简要算法思路展示）

• 思路：单片机的ADC是12位ADC，2的12次方为4096，测量范围0-3.3v，获取ADC值采样测量值，将采样值通过 （采样值/4096*3.3） 的公式转化为3.3v范围的电压值，此时电压值是一个浮点数，因检测范围是mv级别，将其乘1000，转为整数级别的mv表示，后面统计10次采样的电压，通过快速排序，将最小值放过在数组最前面，最大值放在数组最后面，此时可以忽略最大值与最小值，将其余数计算平均值，得到一个滤波后的电压值，发送给主机

• 传感器电压值经过运放相减后放大10倍，静态时0.1mv实际为1mv，又因0.2mv = 0.1%LEL的比例关系，则计算时，先转为3V3比例 电压值，乘上1000，再除2可得到一个对应的%LEL比例值（带有小数点后一位数），可设置10-12%LEL第一次报警，20-24%LEL第二次报警

uint16_t num[];

uint8_t count = 0;

uint16_t adc_Value;

**float** temp;

 

uint16_t **GetAdc**() {

 

 HAL_ADC_Start_DMA((ADC_HandleTypeDef*) &hadc1, (uint32_t*) adc_Value,**sizeof**(adc_Value) / **sizeof**(adc_Value));  //这里只是为了表明启动ADC，不涉及真实实现

 temp = ( (**float**)adc_Value / 4096) * 3.3; //ADC值转化3.3V单位

 **return** (uint16_t)(temp * 1000);   //采样单位为mv，1V=1000mv，变为整数处理更好

}

 

// 比较函数用于 qsort 函数

**int** **compare**(**const** **void** *a, **const** **void** *b) {

 **return** (*(**int***) a - *(**int***) b); //返回负值，从小到大排序

}

 

uint16_t **GetMean**() {

 

 **double** sum = 0;

 num[count++] = GetAdc(); //获取采样值

 

 //滤波算法，10次采样之后，存入数组中，快速排序后忽略头尾的两个最大小值，将中间的值取平均计算

 **if** (count == 9) {

  **qsort**(num, count, **sizeof**(uint16_t), compare); //快速排序

  **for** (**int** i = 2; i < count - 2; i++) {

   sum += num[i];

  }

 }

 uint16_t value = (uint16_t) (sum / (count - 4));

 count = 0;

 **return** (uint16_t) (((((**float**) value / 4096) * 3.3) * 1000) / 2);

}

 

**int** **main**(){

 uint16_t LEL = GetMean();

 **if** (LEL > 120) {  //若12.0%LEL报警，大概对应24mv

  //报警操作

 }

 **printf**("气体报警范围：%d.%d LEL，不得大于15%%LEL", LEL/10, LEL%10);

 

 **return** 0;

}
 

 

至此，就可以实现对可燃气体的检测，同样也可以按照上面的思路更换传感器，更改一下代码，去检测其他气体。