安全监测检测技术Word文档格式.docx

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一氧化碳是个“沉默的杀手”，为了避免一氧化碳带来的伤害，需要在家中安装煤气报警器，当室内煤气浓度超标时，可发出声光报警，同时伴有数字显示，自动开启排风扇，把燃气排出室外。

本产品通过对周围环境中的一氧化碳气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变、经过单片机处理后实现报警功能。

煤气报警器由气体传感器探测周围环境中的低浓度一氧化碳气体，通过信号采样电路，将探测信号用模数转化电路转换成单片机可识别的数字量，当一氧化碳气体浓度超过单片机控制设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出声光报警信号。

1.2家用煤气报警器设计的目的和意义

在社会信息化进程日益发展的今天，信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域，在建筑领域，人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。

这时候气体燃料的应用也越来越广泛。

目前家用煤气，液化器、天然气作为气体燃料，已用与家庭旅馆，深入人民的生活之中。

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中毒死亡尤为严重。

众多周知由于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。

这就对煤气自动报警的器的设计更加迫切。

　　　为了预防一氧化碳的泄漏，人们采用了各种措施。

家用煤气报警器是为了预防气体中毒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。

第2章气体测传感器的选择

2.1气体传感器的选择

2.1.1气体传感器介绍

2.1.1.1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：

1.利用物理化学性质的气体传感器：

如半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器。

2.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。

3.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。

2.1.1.2常见气体传感器简介

1.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匡气体传感器，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，由十具有灵敏度高、响应快、输庄信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应几。

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。

按贬敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

2.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）。

它主要适用十毒性气体检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

3.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十目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，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，而对十一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。

2.1.2气体传感器的主要参数和特性

1.灵敏度

灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，用K表示，它标志着气敏元件对气体的灵敏程度。

用K表示，用其阻值变化量△R与气体浓度变化量△P之比表示。

2.响应时间

气敏传感器的响应时间是指在工作温度下气敏元件对被测气体的响应速度。

从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的响应时间。

　　3.选择性

气敏传感器在相同条件下，接触同一浓度、不同种类气体是，区分气体种类的能力成为选择性，传感器催某种气体的选择性好，就表示传感器对它有较高的的灵敏度。

　　4.稳定性

当检测的气体浓度不变时，气敏元件的输出也应保持不变，单实际情况会受其他条件变化的影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元件输出特性保持不变的能力称为稳定性。

　　5.温度特性

气敏元件的特性岁温度变化儿发生变化的特性称为温度特性。

元件自身温度对灵敏度的影响相当大，解决这个问题的措施之一就是用温度补偿法。

　　6.湿度特性

气敏元件的特性岁环境湿度不同而发生变化的特性称为湿度特性。

　　7.电压特性

气敏元件的灵敏度随电压变化的特性称为电源电压特性。

2.1.3气体传感器的选定

根据传感器的主要参数和特性指标以及结合本设计所要求的检测浓度范围，选MC101作为本设计的传感器。

2.1.3.1MC101简介

MC101型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而正比例增大，补偿元件起到参比及温度补偿作用。

2.1.3.2MC101特点

表2-1MC101技术指标

产品型号

MC101

产品类型

载体催化气敏元件

标准封装

塑料封装

工作电压（V）

3.0±

0.1

工作电流（mA）

110±

10

灵敏度

（mV）

1%甲烷

25~50

1%丁烷

30~50

1%氢气

25~45

线形度（%）

5

测量范围（%）

0~100

响应时间（90%）

<

10s

恢复时间（90%）

30s

使用环境

-40~+70℃低于95%RH

保存环境

-20~+70℃低于95%RH

外形尺寸（mm）

12mm*8mm

图2-1灵敏度特性图图2-2响应恢复特性图

图2-4输出信号随环境温度的变化图图2-5输出信号随工作电压的变化图

图2-6输出信号随工作电压的变化图图2-7传感器基本测试电路图

第3章家用煤气报警器的硬件设计

3.1系统硬件电路总体设计

系统的工作原理是利用燃气传感器将可燃气浓度变换为MV级模拟电流信号，放大器把信号放大后，通过A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。

对其进行分别处理。

MC101催化燃烧式气体传感器主要是对一氧化碳气体浓度进行精密的单项检测。

空气中的气体浓度信号同时进入单片机，单片机对其进行分析，并输出信号到显示器，当检测信号达到限定的预设值时，单片机将输出信号驱动报警，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光。

　　燃气泄漏报警系统结构框图如图所示，该系统传感器和单片机是两大核心，他们共同配合完成气体信号采集、显示、生意及闪烁报警功能，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，成本低，有利于减少报警器的体积。

　　使用AT89C51单片机，选用催化式气敏元件MC101作为敏感元件，通过A/D转换器和声光报警电路，设计可用于家用燃气泄漏报警器，仪器的最基本组成部分包括：

气体传感器，模数转化电路，AT89C51单片机，声光报警电路。

传感器将气体浓度信号转化为模拟的电信号。

经过放大电路，将传感器的输出端微弱信号转化为A/D转化器能识别的电压信号范围，单片机对该数字信号进行数字处理，并对处理后的数据进行分析，通过与预设值的比较，由单片机实现不同的声光报警功能。

图3-1家用煤气报警系统结构框图

3.2家用煤气报警器结构组成

3.2.1放大器

　　　本设计采用的是LM358放大器。

仪表仪器放大器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，就是典型的差动放大器。

它只需高精度LM358和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。

广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量等数字采集的系统中。

本设计中差动放大电路结构图如下：

LM358（图3-1）内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。

图3-1LM358

　　　　　　　　图3-2差动放大器结构图

3.2.2A/D转换器

　　ADC0808是一种8位主次逼近式A/D转换器，其内部结构包括8路模拟量开关、地址锁存与译码、8位A/D转换器和三态输出锁存器。

多路开关外接8路模拟量输入端，可对8路0~5V的输入模拟电压信号分时进行转换，输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接连到单片机数据总线上。

　　A/D转换器的电路综合功能如下：

（1）分辨率为8位。

（2）最大不可调误差小于±

1LSB。

（3）单一+5V供电，模拟输入范围为0~5V。

（4）具有锁存控制的8路模拟开关。

（5）可锁存三态输出，输出与TTL兼容。

（6）功耗为15mW。

（7）不必进行零点和满度调整。

（8）转换速率取决于芯片的时钟频率，时钟频率范围为10~1280kHz，当时钟为300kHz时，转换速率为128us。

3.2.3单机片

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC-51指令系统，片内置通用8位（CPU和Flash存储单元）功能强大。

具体参数如下：

（1）与MSC-51产品指令系统完全兼容。

（2）4KB可重复擦写Flash闪速存储器。

（3）1000次擦写周期。

（4）三级加密程序存储器。

（5）128×

8B内部RAM。

（6）32个可编程I/O口线。

（7）2个16位定时/计数器。

（8）6个中断源。

（9）可编程串行UART通道。

（10）低功耗空闲和掉电模式。

（11）全静态操纵：

AT89C51为0Hz~24MHz。

（12）AT89C51的工作电源电压为5V。

3.2.4电源

　　电源采用直流电源变压器输出12V的电压，由去耦电容、开关、7085稳压器及电源指示灯组成。

直流12V再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。

电路安全稳定可靠，测试电压为+5V，并且在12V和5V电路中引线排针，以供日后使用。

3.2.5声光报警功能

当传感器检测的气体浓度达到预设值时，蜂鸣器开始报警，声音≥70dB并随着浓度的增加报警音量逐渐加大，同时伴随红灯闪烁，通过有明显变化的信号引起人们的警觉意识。

3.2.6LED显示

　　本设计的显示电路是由LED八段数码管实现的，为了可以更加精确的实现所测可燃气浓度，此显示电路采用由四个数码管组成的动态显示电路。

本次设计利用74HC164反相器作为数码管的段驱动电路，7407反相器作为为驱动电路。

3.2.7对排气扇的控制

排气扇是在室内安装好的装置，我们只需用单片机对其进行控制就可以了。

当采集到的信号到达一定的值，单片机的输出引脚发出相应信号，从而实现排气扇的自动开关。

该排气扇的电机我们采用步进电机，这样方便单片机对其的控制。

第4章家用煤气报警器产品介绍

4.1家用煤气报警系统外形

图4-1煤气报警系统外形图

4.2家用煤气报警器说明书