毕业论文-煤气泄漏检测与报警系统设计100070778Word下载.doc

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煤气泄漏

DesignofGas-leakingMonitoringandAlarmingSystem

Abstract：

Accuratereal-timemonitoringofthegasleakisimportant.Thispaperdescribesasinglechiptechnologybasedonintelligentgasmonitoringsystem,thegasconcentrationcanbeintelligentinrealtimedetectionandmonitoring,alarm,andcanautomaticallyopenandclosethegaspipelinevalves,afterseveralruns,precision,sensitivityandstabilitymeetthedesignrequirements,andlowcost,easytooperate,canbewidelyasasmartalarmandmonitoringsystemtouse.ThissystemusestheATMEGA16ascontrolcore.Thispaperintroducesthebothschemedesignandimplementofhardwareandsoftwareonthegas-leakingmonitoringandalarmingsystembasedonmeasureandcontroltechnology.Theexperimentshowsthatthesystemofdesignandmakesatisfiestherequirement,andholdsbetterpracticability.

Keywords:

Singlechipprocessor;

COSensor,Gasconcentration,voiceandlightalarm,Gas-leaking

目录

第1章绪论 4

1.1课题背景、目的及意义 4

1.1.1课题的背景 4

1.1.2课题的目的及意义 4

1.2系统设计内容 5

第2章系统硬件设计实现 6

2.1一氧化碳浓度检测电路设计 6

2.1.1CO传感器原理介绍与选型 6

2.1.2NAP-505型一氧化碳传感器介绍 7

2.2键盘及显示电路接口设计 8

2.2.1键盘/显示器电路设计 9

2.3稳压电源电路设计 12

2.4声光报警电路设计 13

2.4.1声音报警电路 13

第3章系统软件设计 16

3.1系统软件总体设计 16

3.2开机自检模块程序设计 16

3.3键盘处理、显示模块程序设计 17

3.4数据A/D转换模块程序设计 20

3.5数据处理和报警、控制模块程序设计 21

结论 23

致谢 24

参考文献 25

第1章绪论

本章主要介绍本次毕业设计的研究的背景、目的与作用，以及在本次设计的主要内容和技术指标。

1.1课题背景、目的及意义

1.1.1课题的背景

随着我国燃起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。

每年，因煤气泄露造成的中毒事故中，因热水器不当或产品本身的质量问题，造成的煤气中毒事故，全国均有不少事例。

有甚者，因室内煤气浓度过高，引起的煤气爆炸的事故也不少见。

家用煤气有时会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是甲烷，甲烷是一种可燃性气体遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。

人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒的一氧化碳后，

一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄漏的煤气甚至会发生中毒死亡随着经济的发展，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。

当今我国很多煤矿企业由于对于矿井下的煤气监测和处理不够及时，酿成了许多的惨剧，造成的工人生命和国家财产的损失。

因此，及时准确地对房间室内和矿井进行CO浓度实时监测和报警成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。

1.1.2课题的目的及意义

AT89系列单片机是控制系统常用的单片机，应用在很多领域，利用它完成的报警系统比较多，使用AT89系列构成的计算机系统能够实现准确的采样煤气浓度，能够达到题目的设计要求，而且AT89系列单片机相对于其它型号的单片机（AVR、ARM），更加易于学习和掌握，性能也相对比较好。

同时掌握好了此系列的单片机的应用，对于深入学习其他类型的单片机是一个很好的基础。

本课题需要完成一个完整系统的设计，涉及到电子技术、传感器技术、计算机应用与控制技术等多学科性知识，是一个硬软件相结合的设计性题目。

本课题融知识性与趣味性于一体，提供了一个有力的了解小家电设计技术平台，能提高我的检索资料的能力、电子系统设计的能力、实际动手的能力、分析排除故障的能力以及创新设计的能力等。

并且，可以通过此次设计，很好的掌握系统设计的工作流程、开发步骤；

熟悉单片机开发的多种编程语言。

1.2系统设计内容

设计的题目是“煤气泄漏检测与报警系统设计”。

选择ATMEL公司的ATMEGA16单片机为系统控制核心，采用电化学型CO传感器作为采集煤气浓度的采集器，经过系列处理实现对煤气浓度进行智能地实时监测、报警，能实现自动开启和关闭煤气管道阀门及排风装置。

系统设计具体任务如下：

（1）实现对煤气泄漏的实时监测；

（2）具有超限声、光报警功能；

（3）根据报警状况自动关闭煤气管道电磁阀并开启排风机；

（4）设计并制作煤气测量键盘、显示等接口电路；

（5）性能指标：

一氧化碳测量精度为<

3%；

实现所有的硬件、软件设计、系统整体调试、形成可以正常运行的产品为本次设计的最终目标。

将从系统的硬件、软件的设计实现；

系统的调试等方面进行介绍。

第2章系统硬件设计实现

硬件是系统的载体与执行机构，硬件设计是本次设计的重点，主要涉及传感器信号放大、采集、处理，键盘与显示处理，声光报警，执行电路设计、系统供电等多个部分。

本章分为8节介绍系统的硬件设计实现。

2.1一氧化碳浓度检测电路设计

2.1.1CO传感器原理介绍与选型

1、电化学型气体传感器的基本原理

按照检测原理的不同，电化学气体传感器主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器等等。

目前，烟气分析仪中使用较多的是定电位电解式气体传感器和迦伐尼电池式氧气传感器。

其中定电位电解式气体传感器工作原理是：

使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择地使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。

其结构是：

在一个塑料制成的筒状池体内安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。

前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。

2、CO传感器的比较与确定

本次设计的使用群体主要针对的是普通家庭，在家庭中的煤气浓度（CO浓度）一般不可能有太高，否则将引起很多的事故，即使有CO报警系统。

针对大多数家庭的情况，设计中考虑的CO传感器的测量范围在0~500ppm或者0~1000ppm，高于了此范围的CO传感器基本不使用于普通家庭。

在市场考察中得知CO测量范围在0~500ppm或者0~1000ppm的传感器类型也相当的多。

譬如中国饶阳县北核牌CO传感器系列、中国威兴达传感器厂的CO传感器系列、瑞士Membrpor的CO传感器系列、日本NEMOTO的CO传感器系列等。

传感器选择是主要考虑传感器本身的输出信号的大小，因为传感器的输出信号越大，对后续放大电路要求就越低，这样有利于硬件电路的设计。

这些传感器类型中信号输出最大的是瑞士Membrpor的CO传感器系列，它的信号输出可以达到50±

10nA／ppm以上；

而中国威兴达传感器厂的CO传感器系列只有1nA~50nA／ppm的输出。

本次选用的传感器并不是输出信号最大的，因为在价格方面瑞士Membrpor的CO传感器系列的价格都在500元RMB／PCS以上，而输出与其基本相当的中国饶阳县北核牌CO传感器系列也需要280元RMB／PCS左右。

而日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器的输出只是40±

10nA／ppm，但是价格只在80~120元RMB／PCS，综合各方面考虑，本次设计采用的是日本NEMOTO的NAP-505一氧化碳传感器。

2.1.2NAP-505型一氧化碳传感器介绍

NAP-505一氧化碳传感器属于电化学型传感器，它采用了新的构造，电解液泄露的风险较低到几乎为零，体积小，大幅度的减低了成本。

输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。

其主要性能参数如表2-1所示。

表2-1NAP-505型电化学一氧化碳气体传感器主要性能参数表

检测气体范围

CO0~1000ppm

输出电流

40±

10nA/ppm

分辨率

1ppm

重复再现性

±

2%以内

应答时间

<

30s

基准线位移（-20℃~50℃）

10ppm

长期稳定性

5%/年

环境温度

-20℃~50℃

环境湿度

15~90%RH

使用寿命

通常5年

基本原理：

在有一氧化碳的情况下，首先检知电极发生如下的一氧化碳氧化反应：

CO+H2O→CO2+2H++2e-

此时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液中，形成两层电。

在此检知电极和对向电极同外部电路相结合时，电子从检知电极向对向电极流动。

氢离子在电解液中移动接受对向侧电子，发生如下化学反应生成水。

2H++O2/2+2e-→H2O

这样的电化学式气体传感器根据化学反应（氧化还原反应）产生的能量，直接以电能的像是释放出来，从而检测出气体。

传感器的气体浓度与输出电流特性如图2-1所示。

图2-1传感器气体浓度一输出电流特性曲线

2.2键盘及显示电路接口设计

为了是系统更友好，在系统时需要键盘和显示部分，这样可以根据用户需求进行相应的设置，让用户可以了解系统当前运行的状态。

显示器输出显示代码和位代码。

因此，是一种功能较强、使用方便灵活的可编程键盘/显示器接口电路。

其中接口电路可与64点阵