Detektor plynu

Hlavní motivací pro vznik této konstrukce byl můj 3letý syn, který má kladný vztah k domácím spotřebičům. Knoflíky na plynovém sporáku jsou obzvláště zajímavým cílem jeho výprav - plyn tak pěkně syčí. První taková situace mne donutila vyvinout detektor právě zemního plynu. Samozřejmostí je možnost použít detektor všude jinde, kde hrozí únik plynu - u ohřívače vody, v garáži, při kempování apod. Při prvním studiu senzorů firmy Figaro jsem zjistil, že budu potřebovat nejméně 5 různých komparátorů. Proto jsem se rozhodl použít poměrně nový mikroprocesor firmy Motorola MC68HC908QT4 s obchodním jménem „Nitron". Místo dvou pouzder DIL14 se tak podařilo realizovat celé zapojení pouze sjedním pouzdrem DIL8 a několika pasivními součástkami. Navíc lze řídicí program v mikroprocesoru snadno měnit z počítače PC a díky tomu můžeme optimalizovat parametry detektoru pro danou aplikaci. Interfejs do počítače je tvořen dvěma součástkami za 3 Kč. Způsob komunikace je popsán dále a zakládá se na krátkém programu zvaném „bootloader“ (tento program naleznete v sekci Download), který je naprogramován v mikroprocesoru a po každém zapnutí zjišťuje, zda je připojen počítač PC. Pokud tomu tak není, předá řízení hlavnímu programu. Další výhodou tohoto procesoru je jeho interní oscilátor, takže 2 vývody, na které se standardně připojuje krystal, mohou být použity jako vstupy či výstupy.

Srdcem zapojení je senzor plynu od firmy Figaro která má v teto oblasti dlouhou tradici.

Snímací materiál je SnO2 nanesený na elektrodách na substrátu z oxidu hliníku. Snímací prvek je vyhříván z druhé strany topným těliskem z RuO2. Ve volném vzduchu má senzor definovaný odpor který se měří nepřímo jako napětí na zatěžovacím rezistoru R1. V přítomnosti oxidačního plynu se odpor senzoru zmenšuje a tato změna je detekovaná následnou elektronikou. R6 a R7 tvoři zátěž senzoru Referenční napětí pro komparátor je odvozeno z R3 R4 R5 a TR1 (termistor) podle doporučeného zapojeni výrobce TR1 dělič teplotně kompenzuje. Tuto metodu s rezistory R1 až R7 jsem použil z důvodu připadné snadné modifikace pro jiné druhy plynu či senzoru. V tomto případě pak nebude nutné přeprogramovaní mikroprocesoru. Napětí na zátěži senzoru (VSENSE) a napětí referenčního děliče (VREFJ jsou měřena 2 a 3 kanálem převodníku AD mikroprocesoru RS je zapojen v sérii s vyhřívacím prvkem senzoru a s jeho pomoci se měří protékající proud Napětí je snímáno kanálem O převodníku AD (VBIAS) Tyto tři proměnné VSENSE VREF a VBIAS slouží k rozlišení různých druhů alarmu. Pro potlačení falešných poplachů používá řídicí software několik metod. Tou první je 150 sekund dlouhá doba neaktivity po zapnuti přístroje Během tohoto času se senzor zahřívá, jeho odpor se nejprve prudce zmenší, a pote opět pomalu roste a senzor se stabilizuje. Druhá metoda spočívá v aktivaci alarmu pouze překročí-li koncentrace plynu rozhodovací úroveň po dobu delší než 15 sekund Software tak zamezí planým poplachům které mohou být způsobeny krátkodobým výskytem par alkoholu, což je běžné například při vaření. Třetí metodou která zlepšuje reakci detektoru je vestavěna hystereze. Ta potlačí připadné nestability pokud se odpor senzoru (VSENSE) pohybuje okolo překlápěcí úrovně komparátoru. Software kontroluje i správnou funkci senzoru Napětí na rezistoru RE v sérii s vyhřívacím prvkem senzoru je měřeno převodníkem AD (vývod PTAO) Pokud do vyhřívacího prvku teče správný proud napětí musí být menší než 5 V Další možnou kontrolou správné funkce senzoru je měřit také jeho reálný odpor. Případné změny mohou znamenat například upadlý přívodní vodič apod. Oba tyto případy software kontroluje. Pokud bychom se rozhodli detektor realizovat klasickým analogovým zapojením potřebovali bychom nejméně 5 operačních zesilovačů či komparátorů. Právě komparace je však v software realizována pomoci jednoduchého příkazu IF (pokud programujete například v jazyce C) Zde je hlavni výhoda malého a levného mikroprocesoru s převodníkem AD jakým je pravě Nitron V teto aplikaci nahradí nejméně dvě velká pouzdra DIP14 jedním malým DIP8. Různé úrovně alarmu jsou indikovány diodou LED D1 Pokud koncentrace překročí úroveň 1 bliká dioda krátce 2krát za sekundu Zvětši-li se koncentrace nad úroveň 2 začne dioda Blikat rychleji - třikrát za sekundu Paralelně je alarm indikován i piezo sirénkou - při první úrovni krátkými pípnutími Během druhého stupně pote zní nepřetržitý toň Pokud je zjištěna porucha čidla. dioda LED svítí trvale. Detektor může být použit i jako součást již existujícího domácího alarmu k tomu jsou určeny kontakty relé K1 na svorkovnici. V některých aplikacích muže být užitečné pokud po poklesu koncentrace plynu pod nebezpečnou hodnotu zůstane alarm i nadále indikován Pro tuto paměťovou funkci je potřeba zkratovat propojku JP1 Poplach lze pote dezaktivovat až vypnutím celého detektoru. Dioda LED D2 indikuje přítomnost napájecího napětí To je stabilizováno notoricky známým obvodem MC7805 K jeho napájeni použijeme zdroj (nemusí byt stabilizovaný) s výstupním proudem 200 mA. Detektor je realizován na jednostranné desce s plošnými spoji o rozměrech 76 2 x 45 7 mm Pro realizaci je optimální krabička Bopla Elegant EG1030L dodávaná například firmou ELING Vlastní instalace detektoru plynu potě závisí na typu plynu který budeme detektovat Pro zemni plyn který je lehčí než vzduch by se měl detektor umístit na strop.

Konstrukce + Oživení

Na desku zapájíme všechny součástky mimo čidla a mikroprocesoru Pote připojíme napájecí napětí a voltmetrem zkontrolujeme 5 V na výstupu regulátoru. Nyní zapájíme i čidlo - zde pozor na správnou polaritu a poté i mikroprocesor. Pokud plánujeme Budoucí modifikaci software použijeme procesor s naprogramovaným .bootloaderem" V opačném případě je možné použit přímo naprogramovaný procesor. Nyní je detektor připraven na test funkce. Citlivost detektoru lze nastavit změnou R7. Pro test je možné použít kapku lihu rozetřeného mezi prsty které pote přiblížíme k detektoru. Je-li vše v pořádku po chvíli začne detektor signalizovat poplach. Také je možné využit plynu ze zapalovače Pozor ale nevystavujte senzor dlouhodobému působeni vysoké koncentrace těchto plynů. Pokud nejsme spokojeni s citlivostí detektoru lze změnou referenčního děliče posunout úroveň pro vyvolaní prvního stupně poplachu. Před vlastním použitím detektoru doporučuji podrobně prostudovat specilikaci výrobce kde je uvedeno mnoho zajímavých informací.

Software a programování

Mikroprocesor Nitron má jednu velmi dobrou vlastnost že ho lze snadno naprogramovat přímo v aplikaci. Stačí k tomu počítač PC a jednoduchý interfejs:

Většinou je pro převod z úrovni TTL na RS-232 nutný interfejs s MAX232 ale ten je zbytečně složitý. Je k němu potřeba deska s plošnými spoji a několik elektrolytických kondenzátorů Někdy je pak cena interfejsu vyšší než je cena mikroprocesoru. Aplikační poznámka AN2295 kterou najdeme na stránkách Motoroly nabízí jednodušší řešení. Vzhledem k tomu že je sériová komunikace v procesoru uskutečněna softwarově je velmi snadně změnit polaritu signálu. Diky tomu není potřeba inverze signálu RS-232"TTL a stačí omezit napěťově úrovně na sériové lince. K tomu stačí jeden rezistor a Zenerova dioda. Tento jednoduchý interfejs lze snadno vestavět přímo do krytky konektoru canon Nestandardní hodnota logické .1" je kolem O V (má být -12 V) a nečiní na drtivé většině seriových portů žádné problémy. Binární kód je nahrán do mikroprocesoru programem „hcO8sprg.exe" který naleznete v sekci download. Binární soubor „gasdet.S19“ je v sekci Download. Detektor vypneme V „DOSovén“ okně napíšeme „hcO8sprg.exe 2 gasdet.S19“ kde 2 je číslo použitého seriového portu. Poté na detektor připojíme napájecí napětí a je-li vše v pořádku „bootloader“ začne komunikovat s počítačem PC a budeme vyzvaní k potvrzeni „YES“ že chceme naprogramovat mikroprocesor. Na obrazovce bude výpis podobný tomuto:

Po dalším vypnutí/zapnutí Bude detektor připraven k použití. Během programování je nutné odpojit na chvíli diodu D1

Chtěl bych zdůraznit, že „bootloader" není součástí nového mikroprocesoru zakoupeného někde v obchoě. K jeho naprogramování potřebujete programátor.

Ovladací software pro mikroprocesor je napsán v jazyce C a přeložen pomocí programu CodeWarrior CW08 Jeho speciální omezena edice je volně ke staženi na Internetu. Vlastni software je velmi jednoduchý a pochopí jej i začátečník U všech důležitých řádku jsou komentáře takže si muže případný zájemce program sám modifikovat. Hlavní konstanty které určuji vlastnosti detektoru jsou uvedeny na začátku výpisu:

Autor: Radek Václavík

Za případné újmy na zdraví nebo majetku způsobené elektrickým proudem neberu žádnou zodpovědnost.