根据虚拟仪器的可燃气体检测报警系统

基于虚拟仪器的可燃气体检测报警系统
一、设计目标：
采用传感器装置检测可燃气体浓度信号，通过计算机LabVIEW编程，完成一整套可燃气体检测报警系统。

设计包括系统的数据采集启停，系统时间延迟控制、浓度数据采集、数据预处理、浓度平均值和标准差分析、浓度数据的统计、数据的波形图表显示和数值显示、浓度越线报警功能，由模块化的设计思想最终实现浓度采集的整体系统设计。

二、设计原理
如图3-1所示为本次设计的总体框图。

气敏传感器QM-NG1采集得到浓度信息，采集卡采集到传感器得到的信息数据后，通过I/O通道与LabVIEW软件连接，通过LabVIEW软件设计，最终实现数据的分析，处理，报警等功能，完成可燃气体浓度检测系统的整体设计。

图3-1 浓度检测设计总框图
三、设计内容
1、硬件设计
本设计采用气敏传感器QM-NG1。

QM-NG1 是采用目前国际上工艺最成熟，生产规模最大的Sn02材料作为敏感基体制作的广谱性气体传感器。

该产品的最大特点是对各种可燃性气体以及有毒气体具有高度的敏感性。

如图4-1为气敏传感器原理图。

元件工作时需要通电预热一段时间，在元件没有接触气体时，其电导率急剧增加，约1分钟达到稳定后可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。

元件在接触标定气体后负载电阻两端的电压以较快的时间上升，在气体离去后，电压值会逐渐下降恢复。

因此可以通过数据采集卡NI PCI-6221检测压值（0-5V）的大小，根据电压值与气体浓度值的对应公式，可以将其转换成相应的浓度值，从而得到浓度值的大小。

图4-1 气敏传感器QM-NG1工作原理图
2、软件设计
如图4-3所示为整体系统的前面板设计，图4-4为前面板的数据显示部分，图4-5为程序框图设计。

设计包括系统的控制、浓度数据采集、数据预处理、浓度平均值和标准差分析、浓度数据的显示与统计、浓度越线报警模块。

图4-3系统设计前面板
图4-4 系统前面板数据显示模块
图4-5 系统程序框图设计
1、系统控制模块
如图4-6为系统控制模块前面板设计
图4-6 系统控制前面板
如图4-7为控制模块程序框图。

通过事件结构的应用，设定“确定按钮值改变”或者“取消按钮值改变”时执行事件结构中相应程序。

当按下“开始采集”按钮时，事件结构控制运行指示灯亮，从而输入到条件结构为真值，条件结构程序执行；当按下“停止采集”按钮时，事件结构控制运行指示灯灭，输入到条件结构的判断值为假，从而程序暂停运行；当按下“停止”按钮时，while循环条
件不成立，程序停止运行。

通过“定时——时间延迟控件”放置延迟时间函数，并用输入控件给其设定延迟时间，从而可以控制系统每隔设定的时间进行一次浓度数据采集。

图4-7 系统控制模块程序框图
2、浓度数据采集
如图4-8所示，通过程序框图中的“测量I/O——DAQ助手”建立DAQ数据采集通道，配置DAQ采集通道与硬件采集通道匹配，选择电压采集，根据采集到电压的大小，通过线性变换转换成相应浓度值的大小，此处将采集到的电压值（0-5V）放大20倍，对应浓度为0-100ppm。

图4-8 数据采集模块程序框图
3、数据预处理
采用数据预处理模块，将采集到的数组数据转换成离散的数据，方便浓度显示等模块的调用。

此模块采用数组子集函数，取出数字最低位数字，并通过数据类型强制转换函数，将只有一个数据长度的数组类型转换成单个双精度数据类型，通过数据显示控件和进度条显示燃气浓度。

通过一维数组循环移位函数和For循环中的移位寄存器将每个数据依次移到最低位输出。

图4-9为数据预处理
程序框图设计。

图4-9 一维数组向二维数组转换程序框图
4、浓度平均值和标准差分析
图4-10为浓度数据分析的前面板。

图4-10 平均值，标准偏差显示模块
如图4-11所示，选择“数学——概率与统计——标准差与方差”，输入采集到的气体浓度值，可得到所采集数据的平均值与标准差，并将其在数值显示控件及垂直进度条中显示出来。

图4-11 平均值，标准偏差显示模块程序框图
5、浓度数据的统计与显示
图4-12为浓度数据统计的前面板，图4-13为数据的数组显示部分前面板。

图4-12 浓度数据直方图前面板
图4-13 数据显示前面板
数据统计：如图4-14，选择“数学——概率与统计——直方图函数”，输入数据为采集到的浓度数据，选择XY图显示直方图统计结果，横坐标X显示浓度大小，纵坐标Y显示不同浓度数量统计，通过“右键——节点属性——Y标尺——范围——最大值、最小值”和数据输入控件设定直方图的Y标尺显示范围。

图4-14 浓度直方图设计程序框图
数据显示：采用二维数组存放采集到的浓度数据，由于采集到的数据是长度为96的一维数组，一维数组在屏幕上显示占据控件较大，所以将其转换成了二维数组显示。

调用重排数组维数函数，将原来的一维数组转换为16列，6行的二维数组，并通过显示数组控件在前面板上显示。

程序框图设计如图4-15所示。

图4-15 浓度数据显示设计程序框图
6、浓度越线报警模块
图4-16为浓度越线报警模块前面板。

图4-16 浓度越线报警模块前面板
声音播放：如图4-17所示，调用输入文件路径函数与声音播放函数，即可控制播放相应的声音文件。

图4-17 声音模仿子VI设计
如图4-18所示，使用旋钮输入预警上限和报警上限值，并且在数值显示控件中显示设定的浓度值。

判定当输入浓度大于设定的限制时，控制布尔型显示控件分别发出黄色和红色的闪烁报警，同时，调用声音播放子VI，使其分别播放不同的报警声音。

在波形图表中需要同时显示浓度值、预警上限值、爆炸上限值，需要设置波形图表属性，使其以不同颜色显示相应的三条曲线。

图4-18 报警模块设计程序框图
五、实验现象
程序运行时，按下“采集分析”按钮，开始采集浓度数据，浓度曲线保持在幅值为8附近，当可燃气体释放时，浓度曲线迅速上升，如果继续释放浓度，当浓度值曲线越过预警浓度曲线后，浓度预警灯开始闪烁，并预警声音开始报警，如果继续增加浓度，达到爆炸限制时，爆炸指示灯闪烁，出现爆炸警告声音。

如果停止燃气的释放，浓度曲线会逐渐下降，直到保持原来水平。

此外，浓度直方图会在设定的显示范围内实时显示浓度数据的统计结果，打开数据记录菜单，可以实时查看具体浓度值。

图5-1为刚释放燃气时的前面板，图5-2为浓度数据显示结果。

图5-1 刚释放燃气时运行结果
图5-2 浓度数据显示结果。

六、实验感想
本次实验我掌握了气敏传感器的工作原理及应用，掌握了数据采集卡的使用。

进一步熟悉了LabVIEW软件中各个函数模块的应用。

深入了解了使用LabVIEW 进行系统设计的方法，深刻体会到虚拟仪器的应用灵活性，高效性和便捷性以及在今后电子领域发展中的重要地位。