采棉机安全检测预警系统设计探讨 本文关键词：预警系统，探讨，检测，设计，采棉机
采棉机安全检测预警系统设计探讨 本文简介：【摘要】随着棉花的需求量不断增加，采棉机被广泛使用，在采摘过程频频发生火灾，因此需要设计一种对其监测的装置。针对棉花燃烧时的特征量，搭建硬件电路用于对采棉机火灾的检测。本设计采用STC89C51作为主控芯片，运用温度传感器DS18B20来检测棉花燃烧引起的储棉箱环境温度异常，运用烟雾传感器MQ-2检
采棉机安全检测预警系统设计探讨 本文内容：
【摘要】随着棉花的需求量不断增加，采棉机被广泛使用，在采摘过程频频发生火灾，因此需要设计一种对其监测的装置。针对棉花燃烧时的特征量，搭建硬件电路用于对采棉机火灾的检测。本设计采用STC89C51作为主控芯片，运用温度传感器DS18B20来检测棉花燃烧引起的储棉箱环境温度异常，运用烟雾传感器MQ-2检测CO等烟雾的浓度，组合为一个综合的检测预警系统。本文先用Protues和Keil进行电路的仿真和调试，再进行硬件电路的焊接和实验，完成整体的设计。通过搭建简易输棉管道模型进行试验，本设计可以快速检测到火灾信息并进行报警。
【关键词】火灾；DS18B20；MQ-2；采棉机
1引言
1.1研究背景
经济飞速发展的今天，棉花在世界市场占有的比重越来越大。新疆是一个农作物盛产的地方，棉花是其主要经济产物之一，尤其在新疆的兵团。广袤的耕作地中约有34%的土地耕种棉花，其中机采棉面积占新疆生产建设兵团总播面积的58.9%[1]。大型采棉机的使用减少了采摘时间，但也埋下了火灾事故隐患。根据相关报道，2013年，采棉机接连发生着火事故。据不完全统计，仅发生在兵团的采棉机起火事故就多达69次，烧毁棉花80.3吨，完全烧毁采棉机4台[2]，这些事故给农户带来了巨大的经济损失。因此，为适应采棉机数量的增加及对其安全的考虑，需要设计一套对其发生火灾前的预警方案。使得其在火灾发生之前，排除隐患，从而保护农户的安全和财产。
1.2棉花燃烧特征分析
棉花的组成成分包括纤维素、脂肪和果胶等，他们的含量均与棉花的成熟度有关，正常成熟的棉花，其纤维素的含量约占94%-95%。棉花的成分决定了燃烧特性，主要包括以下三个特性：（1）棉花包含了大量的纤维素，使得燃点较低，在标准大气压下，达到150oC便可燃烧，所以体现出棉花的自燃性；（2）在收集棉花的过程中，棉花表面会附着大量的微生物。由于微生物繁殖速度快，数量大，导致产生大量的热，且棉花的散热性较差，当温度升高约70oC，微生物死亡，这时棉纤维出现大量化合物碳化，吸收水分继续升温使得自燃，因而具有自燃性；（3）棉花打包后内部由于氧气稀少，常在局部缓慢燃烧，这种燃烧没有明火也没有烟，不易被人发现。当其燃烧变为明火用水浇灭后，内部仍然潜在阴燃的危险，因而具有阴燃性。新疆远离海洋，四周被高山遮挡，外部湿气不易进入，使得这里气候异常干燥，易发生火灾。在使用机械采摘棉花时，由于摩擦使得采摘头极易产生带火星的棉花，带火星的棉花在通过输棉管道风送系统时加速燃烧[4]，而棉花的燃点很低，很快点燃储棉装置中的棉花，正是的原因使得采棉机火灾事故频频发生。另一方面，起火初期，正副驾驶员未能及时发现，也是造成大火的重要原因。
1.3国内外火灾检测研究概述
1.3.1我国的研究现状我国火灾报警产品起步较发达国家晚几十年，大约上世纪70年代，相关技术专家才开始这方面的研究。往后的十余年中，也大多是模仿他国的装置进行生产，或是请国外的技术人员指导生产和学习别人的技术，没有形成自己的一套理论和相关的技术，因而在市场上也不具有优势。在90年代后，随着改革开放大门不断扩大，大批量的国外技术不断涌入中国的市场，使得本土的消防技术也在不断的提升，我国火灾报警产品的发展走上了正轨。在先进技术不断催化着市场成熟的同时，我国也出现了一大批生产报警装置的企业，其中的一些企业相互合资，或是在技术上展开合作和共同研发，均取得了较好的成果，同时相互竞争之际也催生了大量有实力的企业，部分技术已接近或赶上了国际水平。在采棉机火灾预警方面国内新疆宽华电气有限公司等单位研发出KH1404A型采棉机火灾自动报警系统，应用在了新疆西部银力机械采棉公司的5台凯斯采棉机上[5],但由于成本以及适应环境等问题，并未大面积推广。苗中华等[6]提出使用PIN光电二极管作为探测器，用来检测采棉机输棉管道内的弱火花，再采用MC145027芯片配合来传输检测信号,从而检测采棉机输棉管道是否有带火星的棉花通过。当将探头装在输棉管道一侧时，探头两侧会出现30o的盲区。作者为消除盲区，采用对射式安装工艺。这样在探头在帮对方消除盲区时，也将输棉管道划分为上下两个空间，可以分别对两个空间进行检测，极大地提高了灵敏度。王剑等[7]根据输棉管道里燃烧棉花的运动速度和输棉输棉馆的特征，运用热释电红外传感器采集微弱火光信号。输棉管道普遍是方形管道，而探测器探测范围呈现锥形，探测视角为125o。作者将探测器放于输棉管道对侧中心进行试验，得出装置的最佳检测距离可以达到400mm，并且安装两个检测装置报警准确率可以达到95%。1.3.2外国的研究进展相对来说，其他国家发生在采棉起的火灾情况并不多，因此相关研究较少。例如，美国的棉花是单行种植（中国采用双行），这样的种植方式不仅仅适合机器采棉，更大程度上减少了棉花之间的摩擦，有利于减少采棉机火灾情况的发生。国外的火灾报警装置有着一段发展历史。1847年美国研发了世界第一台用于城镇火灾报警装置，1890年首次出现感温式火灾探测器。之后的几十年中，感温式探测器占据了主要市场。到了20世纪50年代，瑞士创造了离子感探测器，使得人类火灾检测技术向前了一大步。约过了30年，市场上就出现了光电式传感器。在本世纪80年代后，火灾探测市场出现了一些智能的检测系统，以及一些相应的算法也随之产生，使得火灾检测技术发展到一个新的平台[8]。PaoloPiccinini等[9]在火灾的烟雾模式识别中提出：将得到的火灾疑视区域与背景区域的高频能量比值作为贝叶斯分类器的一个重要参数，对烟雾进行识别。Okayama等[10]首次提出三层反馈的人工神经网络烟雾检测算法，将采集到的烟雾浓度的数据和温度，作为起始的输入量，通过输出得到的火灾发生概率值检测是否有火灾发生。前期通过调研采棉机火灾的原因相关文献，找到初期火灾的特征。通过对其特征量选择合适的传感器搭建试验电路。后期进行实验平台的搭建，对系统进行测试和调试。
2检测方案设计
2.1检测方案说明
据分析原因，是由于新疆天气过于干燥，在采摘棉花是由于摩擦产生带火星的棉花，在通过输棉管道时燃烧而引起火灾。当棉花燃烧时必然会引起采棉管内气体成分的改变，采集其气体分析即可判断。若带火星的棉花经过输棉管道时并未引起报警，此时温度报警成为其后备预警方式。为适应为适应采棉机工作场所对可燃性安全性要求，本设计将对采集到的数据进行不断的更新显示。在检测的要求和目的上来看，采棉机预警系统必须含有一下结构：温度检测，烟雾检测，MCU主控和必要的外围电路等。
2.2系统的功能说明
烟雾传感器位于输棉管道采集气体部分，当空气中的烟雾浓度升高时引起MQ-2输出的电压也会变高。采集到的电压信号通过ADC0832转化送入MCU,与阈值比较做出相应动作。温度部分用于检测采棉机储棉装置中周围温度的变化，若是棉花火灾发生，势必引起周围环境温度变化。将储棉装置中的正常时的最高温度作为阈值，可以提高预警装置的可靠性。两检测部分之间为“或”的关系。采棉机中检测所有数据都将显示在液晶屏幕上。
3系统硬件设计
3.1采棉机最小控制系统
MCU为STC89C52,外围主要电路由晶振电路和复位电路组成，当接通电源（直流+5V）时，最小系统就可正常工作。控制芯片的时钟脉冲信号由外部晶振电路提供，其脉冲信号的频率就是石英晶体的频率，主流市场的使用频率采用6MHz,11.0592MHz和12MHz，本预警系统使用12MHz。其复位电路是在系统由于一些外界因素或内部程序等问题造成死机情况下帮助系统摆脱困境而设立的，其结构是复位按钮的两端与一个10uF的电解电容器并联后串一个10k的电阻并接地组成[11]。
3.2烟雾检测模块
本系统的烟雾采集模块主要MQ-2型号传感器，其集成的模块上输出信号是TTL电平或者是模拟量电压，其输出的TTL电平精度可以使用模块上的电位计进行调节（顺调灵敏高，逆调灵敏度低）。在本系统使用的是模拟量输出接口。MQ-2内部检测部分主要材料是SnO2，当该检测部分位于清洁空气时，其输出电压较低，当有可燃气体时，其电压会随着浓度升高而增大[12]。在使用前需要将传感器预热，当其发烫时属于正常反应。
3.3声光报警
预警部分采用蜂鸣器和红色LED灯。蜂鸣器可以分为有源和无源蜂鸣器，当无法确认蜂鸣器型号时，可以是使用+5V的直流电源检测，若上电会直接鸣叫，则是有源蜂鸣器（有源蜂鸣器正负极不能接反），否则是无源蜂鸣器。LED等的驱动电流小，直接与单片机相连时需要加上一个约220Ω的电阻。
4系统软件设计
4.1预警电路主程序
为使得程序思路清晰和便于后期调试，程序设计中都采用模块化编程，其子程序主要包括DS18B20模块，数模转换模块，显示模块，阈值设置模块等。本设计运行中通过在主程序中调用子程序实现检测功能和作出相应动作。
4.2DS18B20温度采集程序设计
当DS18B20上电后，就一直保持等待状态。若接到MCU的“44H”命令后，开始执行温度测量和模数转换，完成一次转换后又进入等待状态。
4.3MQ-2烟雾浓度采集程序设计
在本设计中MQ-2采用模拟量输出方式，外接模数转换芯片ADC0832，其分辨电压精度为19.53mV，可将其输出电压转换为256个等级。若MQ-2不存在，则输出为0。
4.4LCD1602数据显示程序设计
LCD1602在本设计中只用到“写”命令，所以将RW端硬件制零，以简化编程。设计中使用P0口进行数据传输，P2.6和P2.7口在while循环中控制实测数据的显示。
5电路试验和调试
5.1仿真电路搭建
在搭建电路中，先运用protues搭建仿真电路，查看程序逻辑上是否有冲突。由于在protues中并没有烟雾感器，所以用滑动变阻器代替。由于ADC0832是8位分辨率，数字量输出的等级28，在编程中通过语句yanwu=yanwu*10/250和数组将其接收到的模拟量转换为等级量0-9进行显示。对于DS18B20传感器，只能通过仿真元器件的上下键来改变其检测到的温度数值来模拟环境温度的改变，由于其内部构造可以直接输出数字量，故不需要数模转换。
5.2硬件电路搭建
根据protues仿真模型，首先在开发板上搭建实体电路。进行初步测试，当用手捏住DS18B20时，液晶上的实时温度开始上升，当上升温度超过后面括号的阈值时，声光报警启动。在对烟雾传感器做检测时，当没有MQ-2时，液晶显示第二行实时显示的是乱码。当接上传感器后显示为1，说明MQ-2正常工作。在对其进行测试时，由于当时环境不能改变环境中烟雾成分，就通过调整对应的阈值。当阈值为1时，声光报警启动。后面具体实验将对MQ-2检验实际的烟雾浓度进行测试。两者检测时是控制一个量在阈值范围内对另一个量进行改变检测，经过上面两组测试，系统的要求基本可以实现。
作者：吴延波 陈凯 闫坤坤 周肖肖 石砦 单位：新疆农业大学
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