家用燃气泄漏报警器的设计.docx

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家用燃气泄漏报警器的设计

南京邮电大学高等教育自学考试专接本专业

毕业设计（论文）

设计题目：

家用燃气泄漏报警器的设计

专科学校南京信息职业技术学院

姓名卢艳

准考证号012912253007

本科专业计算机通信工程

指导教师袁迎春

完成日期2014年5月4日

附表一

南京邮电学院高等教育自学考试专接本专业

毕业设计任务书（本科）

姓名

卢艳

准考证号

012912253007

专业

计算机通信工程

题目

家用燃气泄漏报警器的设计

指导教师

袁迎春

职称

讲师

工作

单位

南京信息职业技术学院

通信

地址

南京信息职业技术学院

邮政

编码

210046

联系

电话

187********

设计内容（要求详细到节，有学生独立完成的内容）：

燃气报警器主要是由传感器感知模块，报警模块，LCD显示模块，传感模块组成，其中室内燃气浓度的变化经过一氧化碳传感器来感知并将其转化为电信号传输到测控电路中的。

在具备了硬件条件后，编写程序来完成本课题所需达到的功能；对于报警模块，可由蜂鸣器和LED实现报警功能。

结合上述提到的所要完成的主要功能，我认为完成这一设计可以分为下面这几步走：

（1）结合本设计课题所要完成的主要功能，完成原理分析及电路初步设计。

（2）确定电路所需的元器件并熟悉其各自在电路中的作用以及工作原理。

（3）利用prtel99se和keil软件完成相应的电路图制作与程序的编写，对燃气报警器的电路进行调试，验证方案的可行性。

（4）调试顺利完成后，搜集所需元器件，开始线路布局，进行手动焊接。

（5）在焊接成功后，对燃气报警系统的电路再进行测试。

（6）燃气报警实验顺利完成后，撰写毕业设计论文。

主要参考文献、资料（写清楚参考文献名称、作者、出版单位）

[1]周润景徐宏伟丁莉.单片机电路设计、分析与制作[J].北京：

机械工业出版社.2010

[2]彭为黄科雷道仲.单片机典型系统设计实例精讲[J].北京：

电子工业出版社.2006

[3]张志良主编邵青张慧莉.模拟电子技术基础[J].北京：

机械工业出版社.2006

[4]朱明程等.一氧化碳传感MGS1100原理及应用[J].电子技术,1998,1:

39-40

[5]戴永黄辉先胡俊达等.微型计算机技术[J].湘潭：

湘潭大学出版社.2008

[6]艾礼貌.浅谈热释电红外传感器报警系统[J].中国科技财富，2009,23（7）：

10-12

[7]周世龙，单电源供电运算放大器设计方法[J]，电子工程师，2005，31

[8]丁国骏，陈敏，《图解电子电路》，科学出版社[M]，2004

[9]王猛，姜旭，可燃气体报警器计量检定现状与发展，沈阳市能源标准计量所[J]，2006

[10]高吉祥，《数字系统与自动控制系统设计》[M]，电子工业版社，2007

[11]谢自美，《电子线路综合设计》，华中科技大学出版社[M]，2006

要求完成报告书的时间：

2014/4/27

单位（盖章）

南邮继续教育学院（盖章）

下达任务书：

年月日

附表二

开题报告

班级：

2012级南邮接本班

姓名：

卢艳

准考证号：

012912253007

提纲：

家用燃气报警系统的实现，系统各硬件模块的设计与调试，系统软件程序的设计与调试

1.对教师下达的课题任务的学习与理解

燃气是我们生活中不可缺少的部分，因为燃气泄漏造成的一氧化碳中毒或爆炸的事故屡屡发生。

本课题通过设计燃气报警器可以大大降低使因燃气泄漏造成的事故。

燃气报警的燃气探测器时刻监测室内的燃气浓度，当我们使用完燃气后忘关了阀门之后，就会泄露大量燃气，若燃气探测器检测到燃气溶度超过报警器设定的安全浓度值时，就会进行声光报警，以提醒人们及时关闭燃气阀门，注意安全问题。

由此可以大大降低灾难性事故发生的概率。

2.阅读文献资料进行调研的综述

通过图书馆查阅以及网上查询等方式，结合本设计所要完成的主要功能，了解到燃气报警器为居民家用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出警报声。

在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭应用十分广泛。

国外燃气报警器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于燃气报警器市场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，目前，燃气报警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，这也是燃气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燃气报警器。

3.根据任务书的任务及文献调研结果，初步拟定的执行（实施）方案（含具体进度计划）

2.01-2.05查找资料，确定课题

2.08-2.16收集资料，总体方案设计，开题报告

2.17-3.05调试程序，修改论文，完善实物

3.05-3.25撰写毕业设计论文

3.25-3.30整实物体，论文定初稿

4.11-4.20整实物体，论文定稿

4.21-5.06准备答辩

5.07毕业答辩

指导教师批阅意见

指导教师签名________________

日期：

注：

不够可另加附页。

附表三

毕业设计（论文）工作中期检查表

类别

指导教师检查意见

备注

（包括工作摘记）

计划执行情况

毕业设计工作

该毕业设计基本能按照计划进行，现处于家用燃气报警硬件结构以及气体传感模块的设计阶段，学生感觉该课题具有一定的深度，需要查阅大量的资料。

动纪律思想品德

期间工作态度劳

学生在毕业设计

该生能够及时和老师进行沟通和交流，主动查阅资料，认真分析研究。

按照老师要求进行论文的研究和写作，态度积极。

有协作精神。

毕业设计调整意见

注重燃气报警系统对自动排气方面功能的设计和开发。

学号

学生姓名

11019P05

指导教师

签名

卢艳

年月日

附表四

毕业设计（论文）评语表（本科）

姓名

卢艳

准考证号

012912253007

专业

计算机通信工程

题目

家用燃气泄露报警器的设计

毕业设计（论文）评语：

指导教师（签名）

年月日

备注

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,液化气、煤气进入家庭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,其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味的气体，同时燃气燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。

由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，使用燃气报警器是对付燃气泄漏的重要手段之一。

基于此现实，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。

本论文针对家庭燃气主要类型与成分而设计的燃气泄露报警系统，以气敏传感器和单片机为核心器件。

该燃气报警器是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格廉价的报警器，它具有很强的实用性。

当这些气体在室内达到一定要求浓度（安全值）时，该装置能够进行声光报警，提醒人们注意有家里有燃气泄漏，及时采取措施。

关键词：

气敏传感器；单片机；模数转换；报警器系统；

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofeconomy,scienceandtechnology,peopletoimprovethequalityoflifeandimprovingthelivingenvironmentmoreandmoreattention,liquefiedgasintothehome'sconvenientforpeopletouse,butalsotoimprovetheurbanenvironment,butatthesametimealsogaverisetoapotentialrisk,whichisthemostdangeroussourceofcarbonmonoxide.Carbonmonoxideisacolorless,odorlessgasfuelinuseatthesametime,ifthepipingandvalvesealisnotgood,theyleakedout,thelightcancausepoisoning,causedseverefire,endangeringpeople'slivesandproperty.Forthesereasons,thedetectionandcontrolofgasbecomesveryimportant,theuseofcombustiblegasisoneoftheimportantmeanstodealwithagasleak.Basedonthisreality,theuseofsingle-chipsystemsareproposedforeffectivepreventivemeasures.

Inthisthesis,themaintypesofhomeandcompositionofgasandgasleakalarmsystemdesignedtogassensorsandmicroprocessorasthecoredevice.Thecombustiblegasisasimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensivepricealarm,ithasastrongpracticality.Whenthesegasconcentrationsintheindoormeetcertainrequirements（safetyvalue）,thedevicecanbeaudibleandvisualalarm,areminderofthefamilyhashadagasleak,taketimelymeasures.

Keywords：

Gassensors;SCM;analog-digitalconverter;alarmsystem;

第一章概述

1.1课题的背景、目的和意义

1.1.1课题的背景

随着科技的发展，我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。

但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。

每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中，因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例。

更有甚者，因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见。

因为燃气使用造成严重经济损失，甚至会危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用可靠的燃气报警装置，严密监测室内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成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.1.2课题的目的和意义

人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？

据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件响应的根源，如果采用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。

有关部门经长期测试同样得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。

随着科学技术的迅猛发展，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。

人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区安全提出了更高的要求，报警系统被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。

人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

1.2题目可燃性气体报警器的国内外现状

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～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、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性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，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，可在防爆现场长期监测气体的浓度。

探测器安装在防爆现场，控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。

当在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、汽车加气站、锅炉房等工业场所。

1.3报警系统实现的基本内容和功能

1.3.1报警系统实现的基本内容

针对经常发生的燃气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、LCD显示器、LED发光二极管和蜂鸣器，设计一套基于单片机的燃气报警系统，控制系统主要是由STC89C52单片机、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、看门狗电路、复位电路、实时时钟电路、LCD显示，声光报警电路[1]等部分组成。

单片机通过AD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，轮回显示当前通道的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警，并且轮回显示报警通道的当前值、设定值。

报警系统由硬件和软件两大部分组成。

其中硬件部分由蜂鸣器、LED发光二极管、LCD显示器、气敏传感器制器、AD转换器，单片机主控器等设备组成。

软件部分主要是报警系统控制程序。

气敏传感器用来检测空气中燃气的浓度，当空气中燃气含量超过允许标准浓度后，传感器所获得的感应模拟信号经过AD转换器后传到单片机控制系统中，再由单片机控制系统对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号送至各个硬件，对各个硬件采取相应的警报动作。

报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时发光二极管发光报警。

1.3.2报警系统实现的基本功能

本文所设计的数字气体报警器采用单片机STC89C52，其价格便宜，易于产品化。

本设计能将置于测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机STC89C52中进行处理并通过液晶屏显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的。

系统以MQ-2气体传感器和STC89C52单片机为核心[2],设计气体泄漏报警器。

实现：

1．准确测量周围环境中的可燃性气体、有毒有害气体的泄漏；

2．实现系统各个模块的功能控制；

3．实现单片机编程语言系统的控制及传感器电路的控制。

4．研究单片机各接口的作用及功能；

5．了解MQ-2气体传感器的具体功能；

6．实现对基本报警电路的控制。

第二章系统总体方案设计

2.1燃气泄漏报警系统的设计思路

根据在家庭室内使用易燃易爆的气体的安全性要求，设计的燃气泄漏报警器应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具备实时监测室内煤气浓度，发出声光报警。

尽量减少成本，提高可靠性和稳定性。

总得来说，燃气泄漏报警系统是通过气体传感器检测室内的可燃气体的浓度，再由单片机进行控制报警处理的。

主要由三部分组成，一是传感器，能够采集环境中的气体浓度，安装在气体源附近；二是控制器，能够对煤气信号进行处理和控制报警；三是报警装置，根据控制器发出的信号采取相应的报警措施。

2.2系统原理及基本框图

根据毕业设计的要求本次设计采用STC89C52单片机机芯片配合ADC0809模/数转换芯片构成一个简易的可燃气体检测报警系统[3]，显示部分由LCD液晶显示屏显示可燃气体的浓度。

该电路通过MQ-2传感器检测可燃气体并发出0-5V的电压信号并输入到ADC0809芯片采样模拟量电压，经过模/数转换后，产生相应的数字量经过其输出通道DB0～DB7传送给STC89C52单片机的P2口。

STC89C52单片机负责把接收到的数字量经过数据处理，产生正确的LCD的数据的实时显示。

本系统有单片机最小系统及电源、LCD液晶显示、可燃气体检测、报警电路组成。

基本原理如图2-1所示：

系统工作流程为:

由装在室内的CO传感器获得被测量对象（室内CO浓度）原始信号,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LCD液晶显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超过安全最低限度立即向报警电路输出控制信号,此时启动预警信号进行声光报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源。

具体技术指标如下：

应用范围：

家庭生活中的可燃性气体检测；

检测对象：

CO及他们的混合气体；

检测范围：

CO:

0～1000ppm；

检测精度：

CO优于20ppm；

报警浓度：

100ppm～300ppm；

响应时间：

≤30ms；

电池电压：

+5V；

工作温度范围：

-20～+70℃；

工作湿度范围：

10～95%RH。

2.3燃气报警系统总电路设计

根据各模块的选择的方案、元器件，确定了各个模块的设计方案。

控制模块：

采用STC89C52增强型单片机；

模数转换模块：

采用ADC0809模数转换器；

气体检测模块：

采用MQ-2型气体传感器；

显示模块：

采用LCD1602液晶显示；

声光报警电路：

采用蜂鸣器和发光二级管报警；

根据各个模块设计的电路，通过整合，由此得到了系统总体的电路设计，如图2-2所示。

第三章燃气泄漏报警系统的硬件设计

3.1控制模块

3.1.1单片机的简介

STC89C52单片机是STC公司生产的八位单片机。

在这一块芯片上集成了一台微型计算机的各个主要部分。

其中主要有CPU，存储器，可编程I/O口，定时/计数器，串行口[4]等，各部分通过内部总线连接。

STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能COMOS8的微处理器。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

3.1.2引脚介绍

STC89C52的引脚图如图3-1所示。

①主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

②外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin20）：

片内振荡电路的输出端

③控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

④可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

PO口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

3.1.3最小系统

单片机最小系统包括时钟电路和复位电路如图3-2所示：

1.时钟电路

STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器[6]，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。

内部方式的时钟电路如图3—3（a）所示，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。

定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。

晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。

外部方式的时钟电路如图3—3（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。

对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。

片内时钟发生器把振荡频率两分频[7]，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。

2.复位及复位电路

（1）