基于单片机的室内天然气浓度检测系统设计.docx

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基于单片机的室内天然气浓度检测系统设计

基于单片机的室内天然气浓度检测系统设计

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。

天然气作为一种清洁型能源进入家庭得到广泛使用为人们的生活带来了方便，但同时也带来了潜在的危险，天然气在使用过程中，若管道和阀门密封不好，一旦泄漏出去极易爆炸，危及人们的生命财产安全。

鉴于这些原因，对于天然气的检测与控制就变得异常重要了，研究天然气浓度的检测报警与控制也随之成为一个重要课题。

本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的天然气泄漏报警系统可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警系统，具有一定的实用价值。

本设计主要实现家庭天然气泄漏的检测与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示等功能的完整系统。

该系统分别控制报警灯、蜂鸣器及开启排风扇和切断电磁阀，实现对天然气泄漏的实时监测及控制，程序实时监测系统状态。

关键词：

气体传感器；单片机；数据采集

Abstract

Withtherapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology,peoplepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandtheimprovementoflivingenvironment.Naturalgasarewidelyusedinourdailylifeandbringsconvenienceforpeople’slivesasacleanerfuel,butalsobringspeoplewiththepotentialdangers.Ifnotsealedpipesandvalves,theyleaked,easilycausedbyfire，endangeringpeople'slivesandproperty.Forthereason，soitisveryimportantforustoinspectandcontrolthesenaturalgaswell.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.

Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.Inthispaper,themaingasleakmeasurementandalarmsystemstothesemiconductorgassensorforthestudyinordertoconstituteasingle-chipmicrocomputerasthecorewithdataacquisition,objectcontrol,resultsshowedthatfeaturessuchasdatacommunicationsystemofintegrity.Thesystemcontrolthealarmlight，buzzerandcutofftheelectromagneticvalve,therealizationofthenaturalgasleakonthereal-timemonitoringandcontrol;proceduresreal-timemonitoringofsystemstate.

Keywords:

gassensor;singlechipmicrocontroller;dataacquisition

1绪论

1.1研究背景、目的和意义

1.1.1研究的目的和意义

天然气作为一种新型清洁型高效型能源近年来得到广泛普及成为人民的首选燃料，但是当它给人民带来方便的同时也带来了安全隐患。

每一栋居民楼也被天然气“笼罩”，伴之而来的是天然气泄漏引发的的爆炸、火灾等事故也时有发生。

这在某种程度上增加了人民生命财产的不安全和不稳定因素。

为了使天然气更好地服务群众服务社会，减少各种因天然气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各天然气使用单位尤其是居民用户选择一种适当的天然气检测报警器十分重要,因此本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。

为了预防天然气的泄漏切实保障人民安全，人们采取了各种措施。

家用智能天然气检测报警系统是预防天然气泄漏一种家用的自动检测报警控制系统，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。

本设计主要针对传统天然气检测报警系统进行技术改进以满足要求，具有如下特点：

用单片机实现检测并控制，电路设计简单、价格适中、稳定、增加了超出安全阈时自动开启排风扇（采用无触点开关保障安全）和关闭管道电磁阀功能，而且采用气敏传感器及防爆型电磁阀，安全可靠，因此本系统也可作为智能家居系统的一个子系统。

1.1.2国内外情况及其发展趋势

当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用天然气泄漏报警器为例，不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂的必须按要求安装报警器。

国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识很强，对环境安全性和生活舒适性要求较高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场的增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计，美国在1996年—2002年就天然气报警器的年均增长率为27％～30％。

在这些方面，国内的安全意识有待增强。

天然气泄漏报警器的发展趋势集中表现为，一是提高检测灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，减小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是燃气泄漏报警器一直追求的目标；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天然气检测气报警器。

如美国在天然气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。

1.2天然气检测报警系统的简介

天然气检测报警系统从功能上可分为仅有泄漏报警功能的泄漏报警系统和可以指示所检测到的天然气浓度并具有报警功能的检测报警系统；从使用场所上可分为民用天然气检测报警系统和商用天然气检测报警系统。

民用天然气检测报警系统通常是独立的在住宅中使用的天然气检测报警系统，功能较简单；商用天然气检测报警系统主要使用天然气的运输、储存场所、使用天然气和可能有天然气泄漏的的工厂和公共场所。

城市天然气规范中规定地下室、半地下室、地上密闭空间的用气房间、建筑的管道井、封闭计量表房等都要安装天然气检测报警系统。

建筑和天然气的相关规范和法规也推荐使用民用天然气检测报警系统。

工业用固定式天然检测报警系统由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室内，主要对各监测点进行控制，探测器安装于天然气最易泄漏的地点，其核心部件为内置的气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。

探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，气体浓度越高，电信号越强，当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时，报警器发出报警信号，并可启动电磁阀、排气扇等外联设备，自动排除隐患。

1.3本设计主要任务

本设计主要研究并设计一个基于单片机的家用天然气检测报警系统，可对天然气浓度进行实时检测和监控，从而使天然气浓度超限时及时报警，而且还能实现自动开启和关闭排气装置和天然气管道阀门。

通过实现对A/D转换后数据的采集和声光的报警控制，进而实现家庭天然气的检测与报警。

控制系统主要由AT89C51系列单片机、A/D转换数据采集电路、传感器电路、显示电路、声光报警电路、紧急处理电路等部分组成。

单片机通过A/D转换8路传感器来所得到的信号，进行比较处理，并且能够存储各个通道的报警上限和报警时的数据储存，

并且在安全值内，显示当前所测量值和设定值，超出安全值阈时产生声光报警并立即启动排风扇和关闭电磁阀，从而实现检测及报警作用。

2天然气浓度检测系统的总体设计

2.1设计要求

2.1.1方案的选择

方案一:

通过传感器感受到天然气，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。

电路简单、可靠，但是灵活性和实用性较差。

方案二:

可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到天然气信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。

该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性较差。

方案三:

通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，送入单片机中，单片机对此信号进行处理后，送入显示电路，实时显示室内天然气浓度。

当室内天然气浓度超限（即达到危险浓度）时，实现声光报警，并打开排风扇、关闭天然气管道电磁阀。

综合考虑以上三种方案，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。

2.1.2天然气泄漏报警系统的功能

系统的主要功能如下：

（1）实现对天然气浓度的实时监测；

（2）检测到天然气泄漏时具有声光报警功能；

（3）根据天然气泄漏状况自动关闭天然气管道电磁阀并开启排气装置。

在本设计中，天然气检测报警系统的主要功能就是快速准确的检测到室内天然气含量（主要是甲烷气体），并将甲烷气体浓度显示出来，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，系统还应该具备根据具体环境和安全要求不同可以人工调节不同的安全阈阈值。

为了实现以上功能：

系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、数码显示、声光报警单元、排风扇和切断阀。

2.1.3系统总体方案设计

天然气检测报警系统如图2-1所示，该系统以51单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、运算放大、A/D转换、CPU进行数据分析、并具有声光报警等功能。

该系统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。

气体传感器

A/D转换器

51单片机

参数设置

声光报警

险情处置

图2-1天然气检测系统框图

系统工作流程为:

气体传感器检测室内天然气浓度，经过运放气放大后进入A/D转换，将测得的模拟信号转换为数字信号并及时送给51单片机进行数据处理，得到室内天然气浓度值，通过数码管显示出来，同时根据相关安全标准判断天然气浓度是否超出安全阈，如果超出安全阈立即启用声光报警电路，并启动排风扇和电磁阀关闭管道。

2.2气体传感器的选型

气体传感器是指能感受气体（组分、分压）并转换