1、基于单片机的煤气智能报警系统的设计毕业设计井 冈 山 大 学本 科 毕 业 设 计 题目：基于单片机的煤气智能报警系统的设计学 院 电子与信息工程学院 专 业 电子信息科学与技术 起讫时间 2012.032012.05 基于单片机的煤气智能报警系统的设计摘要 随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视。管道煤气与灌装煤气的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险。由于使用的不当以及设备的老化等原因所引起的煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全，因此对于煤气浓度的检测与控制就变得至关重要，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成
2、为一个重要课题。 本论文是一篇基于单片机的煤气智能报警系统的设计。该系统可对煤气浓度进行实时监测，当被测气体中一氧化碳的浓度超过预定数值时,将产生报警并自动关闭煤气阀门。经过多次测试，该设计达到了精确度、灵敏度和稳定性高的要求，且成本低，操作方便，因此可广泛用于智能报警器与监控系统。关键字单片机；气体传感器；煤气监测；智能报警The Design of Intelligent Gas Monitoring and AlarmingSystem Based On Single Chip MicrocomputerAbstract With the rapid development of eco
3、nomy and the science technology， people become pay more and more attention to the quality of life and improving the environment. Pipeline gas and filling the use of gas for people brought convenient, also improve the environment of the city, but also has brought people of potential danger. Due to th
4、e improper use of equipment and aging causes of gas leakage greatly affecting peoples life and property security, so for the measurement and control of gas concentration is crucial. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors of all kinds of gases. The paper is
5、a design of intelligent gas monitoring and alarming system based on single chip microcomputer. The system can real-time monitoring of gas concentration, and when the concentration of carbon monoxide in the air more than book value, will have a warning and automatically shut off the gas valves. Many
6、tests have proved that this system satisfactorily meet the needs of high sensitivity, accuracy and stability in gas management. And it is low in cost and easy in operation, so a wide use can be expected in the gas industry market.Key words: SCM; Gas sensor; Gas monitoring; Intelligent alarm第 1 章 绪论1
7、.1课题研究的背景 随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏造成的中毒死亡事故尤为严重。众所周知，由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进
8、行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就变得尤为关键。家用智能煤气报警器就是为了预防煤气泄漏的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2 课题研究的目的与意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类
9、以及一氧化碳和氢气等易燃、易爆成分。贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可能发生可燃性气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录第46项中规定的物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家
10、执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（
11、主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.3 可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高; 另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%30% 。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报
12、警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器三大系列产品。(1) 民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警
13、器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外; 有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2) 工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆
14、现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了
15、生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；（2）在工
16、艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入到测试了；（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万
17、支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.4 系统设计基本内容 本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。煤气报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分包括气体传感器、A/D转换电路、看门狗芯片X5045、实时时钟芯片DS12887、单片机、LED数码显示屏、声光报警单元、光电隔离继电器、电磁阀以及RS-232通信模块。软件部分主要是数据采集程序、判断显示程序以及报
18、警程序。气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信。第 2 章 煤气智能报警系统的方案设计2.1 煤气智能报警系统的设计思路煤气智能报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度并进行声光报警的系统。系统的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数
19、转换电路、单片机控制电路。气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从气体检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号再送入单片机。单片机对该数字信号进行滤波处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则启动声光报警电路进行声光报警，反之则为正常状态。为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃气体浓度值，可将浓度值送到显示屏中。为方便调节报警限，可以加入按键。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。气体传感器及单片机是煤气智能报警系统的两大核心，根据报警器功能的需
20、要，选择合适、精确、经济的可燃性气体传感器及单片机芯片是至关重要的。2.2 气体传感器的介绍与选定2.2.1 气体传感器介绍(1) 气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类： (a)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。 (b)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。 (c)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。(2) 气体传感器应满足的基本条件 一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的
21、气体传感器都必须具备以下条件： (a)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； (b)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度； (c)对检测信号响应速度快，重复性好； (d)长期工作稳定性好；(e)使用寿命长；(f)制造成本低，使用与维护方便。(3) 常见气体传感器简介下面对常用的几种气体传感器作简单介绍:(a) 半导体气体传感器半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸
22、多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。(b) 固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(c) 接触燃烧式传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接
23、触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300C400C 的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。(d) 高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，
24、在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。(e) 电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。(f) 热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度
25、降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。(g) 红外传感器 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR(non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测
26、量CO和CO2、冷冻剂气体和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标气体的影响。2.2.2气体传感器选定气体传感器是本系统监测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器是决定系统成功的关键。CO气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将CO气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过 A/D 转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。传感器作为煤气智能报警系统的信号采集部分，是仪表的核心组成部
27、分之一。由此可见，合适的传感器是非常重要的。由于监控系统最关键的部分在于室内CO气体浓度的检测，本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标(GB30951996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器, MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失
28、,从而大大降低了功耗。其结构如图2.1所示 图2.1 MGS1100一氧化碳传感器横截面图图2.2 MGS1100 等效电路的引脚图 图2.3 串联电阻测试电路 其中图2.2中1、3端为加热器的电源接线端，2、4端为传感器输出端。为使传感器对CO 具有最佳敏感特性, 使SnO2 层达到预定的最佳温度是很重要的，通常加热器及SnO2 层的温度与加热电压VH、加热电流I有关。当传感器置于CO气体环中时，SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。 为了避免损坏传感器,必须注意电压使用范围。获得最佳的加热温度，加热电压必须调整到使加热器的功耗在16030mW
29、 范围内( 在连续直流驱动情况) 。加到传感器( 管脚2 和4) 的最大电压Vs 为5V, 超过此值就可能烧坏传感器。这些传感器不能用波峰纤焊, 以免使感应层受到污染。当保存或使用传感器时, 必须小心做好静电防护, 以防静电击穿器件。传感器不能暴露在高浓度的有害性气体中, 如挥发性有机溶剂、浓烟和氨气等。图2.3为取得传感器输出信号的基本电路图，VH加热电压,传感器电阻Rs与负载电阻Rt串联接到工作电压VCC两端, 由此可得关系:Vout=RtVCC/（Rt+Rs）传感器阻值Rs随着CO浓度的增大而减小时，输出负载电压Vout逐渐变大，所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。MGS1
30、100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨率为1PPM，工作温度为-2070，零点漂移为PPM10。2.3 煤气智能报警系统的整体设计方案2.3.1 煤气智能报警系统的工作原理 本论文中的煤气智能报警器以AT89S52单片机为控制核心，采用MGS1100型电阻式半导体传感器采集CO气体信息。 首先，MGS1100气体传感器获得被测量对象(室内CO浓度)的原始信号，然后经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换，得到被测对象的数字量信号，再由AT89S52单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存
31、，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标，如果超标则立即向光电隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇并自动关闭电磁阀。如果环境中的CO浓度很高，则单片机输出控制信号驱动声光报警单元进行声光报警。2.3.2 煤气智能报警系统的结构 为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的煤气泄漏报警器不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示气体浓度、故障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的可燃性气体报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 煤气智能报警系统结构框图如图 2.4 所示，系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、数据处理、
32、浓度显示、声光报警、按键输入、故障自检等功能。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。图2.4 煤气智能报警系统框图2.3.3 煤气智能报警系统的功能 在本设计中，煤气智能报警系统的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量(主要是CO气体)，通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信2.3.4 煤气智能报警系统的主要技术指标 应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测检测对象：CO及他们的混合气体；检测范围：CO：01000ppm检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：100ppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+12V；工作温度范围：-20
