煤气检测系统的毕业设计Word下载.docx

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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响应的根源，如采有用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示人们。

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。

为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。

所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

为此，我们需要设计煤气检测系统来更好的解决这一个问题。

1.3国内外发展现状

居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房里。

当遇到燃气泄漏时，煤气的浓度达到一定值后，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示；

于此同时，还可以联动外部设备，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，可以自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

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。

仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。

报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；

工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。

气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。

美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。

美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"

传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。

可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。

国外气体传感器发展很快，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；

另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为（27～30）％。

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。

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）已从产品研究进入中试；

（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。

第2章煤气检测系统设计的基本内容

煤气测量系统中，设计一套具有有毒气体检测功能、报警功能、能够判断室内空气中煤气的泄露情况和显示当前室内有毒气体的浓度，用单片机控制报警器是否需要报警。

煤气检测系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分主要包括气体传感器电路、放大电路、A\D转换电路、单片机最小系统、单片机控制电路和报警电路和数码管显示电路。

气体传感器用来检测室内空气中有毒气体的浓度，当室内空气中有毒气体含量超过允许标准浓度后，气体传感器所获得的感应信号，通过放大处理以后，再经过单片机的处理，控制报警电路发出报警处理。

软件部分主要包括A\D的采样程序、数据处理、报警程序和显示程序。

煤气检测系统设计在硬件设计方面，主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括气体传感器、放大电路、单片机、声光报警电路和显示电路的设计，给出系统的整体结构框图、仿真电路图和整体电路原理图。

2.1煤气检测系统的主要任务

本论文是煤气检测系统设计的研制，主要完成：

（1）对煤气检测整个系统进行了整体规划；

（2）对煤气检测系统进行硬件设计和软件流程设计，分为主程序设计，A/D转换控制程序的设计，数据处理，浓度显示程序设计、声光报警子程序设计等；

（3）软件的调试，功能仿真；

（4）画出煤气检测系统的电路原理图。

2.2煤气检测系统的设计要求

由于煤气检测系统主要包括气体传感器电路、放大电路、A\D转换电路、单片机最小系统、声关报警电路和数码管显示电路等部分。

本论文要求做以下设计：

（1）气体传感器对煤气是否泄漏进行检测；

（2）放大电路对检测出微弱的电压信号进行一定的放大处理；

（3）A/D转换程序设计，A/D转换器能够时刻的对放大的电压信号进行采集；

（4）根据有毒气体浓度与采集的电压信号的关系进行数据转换处理；

（5）显示程序的设计，用4位数码管显示所测得的煤气浓度值。

（6）声关报警控制程序设计，根据气体浓度进行相应的处理.

第3章煤气检测系统设计的硬件设计

3.1基于单片机实现

微处理器的出现极大地促进了生产力的发展，提高了人们生活的质量，实现了工业的现代化和自动化。

基于8位和16位单片机的嵌入式设备（如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等）的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。

这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成，实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能，提供一个开放的基础构架，并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。

针对目前微型处理器的处理芯片的不同，本设计是基于AT80C51单片机实现煤气检测系统的设计。

基于AT89C51单片机实现的煤气检测系统的具体方案如图3-1所示。

该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D转换器、AT89C51单片机控制电路、声光报警电路以及数码管显示电路。

气体传感器输出为模拟量，很微弱需要进行放大电路的处理，单片机处理的是数字信号，需要利用A/D转换器，将模拟量转换成数字量送给AT89C51单片机进行数据的处理；

声光报警电路里使用蜂鸣器作为报警用，同时还用LED灯进行相应的指示，以便于提醒注意；

单片机的最小系统是AT89C51单片机工作的前提条件；

显示电路采用了4位集成的数码管进行显示，由AT89C51单片机进行控制实现显示。

图3-1基于AT89C51的单片机的煤气检测系统组成框图

在煤气检测系统组成框图3-1中所示，系统以单片机AT89C51为控制的核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度的显示、声光报警电路的功能设计等。

其中传感器采用的是MQ-5，该传感器外形小，气体响应快，性能稳定，低功耗，常适用于泄漏监测器。

放大电路采用的是LM324运放进行放大微弱的信号。

A/D转换器采用的是ADC0809，它是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件，具有功耗低，性能稳定的特点。

数码管使用4位集成的共阴数码管。

3.2系统硬件电路的总体设计

系统硬件电路的总体设计主要包括了气体传感器电路设计、放大电路设计、A/D转换器电路设计、单片机的最小系统、声光报警电路设计、数码管显示电路的设计和电源电路的设计等。

3.2.1气体传感器电路设计

气体传感器可以分为六大类：

（1）半导体气体传感器。

（2）固体电解质气体传感器。

（3）接触感染式气体传感器。

（4）电化学式气体传感器。

（5）光学式气体传感器。

（6）高分子气体传感器。

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，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：

（1）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。

（2）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。

（3）对检测信号响应速度快，重复性好。

（4）长期工作稳定性好。

（5）使用寿命长。

（6）制造成本低，使用与维护方便。

气体传感器的分类和基本条件为选择那种气体传感器提供了参考的依据。

气体传感器是气体与气味检测的关键元件。

我们选择的气体传感器是MQ-5．

MQ-5气体传感器技术参数

MQ-5特点

*对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度

*对乙醇，烟雾几乎不响应

*快速的响应恢复特性

*长期的使用寿命和可靠的稳定性

*简单的测试电路

MQ-5应用

适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。

优良的抗乙醇，烟雾干扰能力。

MQ-5规格说明

图3-2规格说明书

MQ-5气敏元件的结构和外形，如图3-2所示（结构A或B）,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流，测量电路如图3-2所示。

图3-3灵敏度特性曲线

图3-3中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值

如图3-3所示，给出了MQ-5型气敏元件的灵敏度特性曲线，从中可以找出气体浓度的斜率近似的可以看成是线性变化。

图3-4温湿度特性

图3-4给出了MQ-5型气敏元件的温湿度特性

MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。

因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。

我们建议您用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。

图3-5气体传感器管脚与基本测量电路图

如图3-5里，其中