燃气泄漏报警与应急系统的设计.docx

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燃气泄漏报警与应急系统的设计

摘要

本文设计了一个燃气泄漏报警与应急系统，以MCS-51单片机为核心，利用气敏传感器、检测电路、报警电路，并用LED显示当前环境实时温度。

当环境中泄漏气体浓度超过限制时，系统发出声光报警，同时打开排风扇应急。

当警报解除时，可以复位电路，各个功能正常运作。

本设计共分两部分，硬件系统设计和软件系统设计。

硬件部分利用气敏传感器和温度传感器，对环境中的燃气浓度进行检测，经过单片机系统将处理的数据送LED显示实时温度，声光报警电路由蜂鸣器和发光二极管组成。

软件部分用C语言进行编程，采用模块化设计思想。

该系统通过调试后，能够较好的完成燃气泄露报警和温度显示，并对燃气泄漏进行相应的处理。

关键词:

燃气泄漏；报警；应急；温度检测

Abstract

Thispaperdesignsagasleakalarmandemergencysystem,withMCS-51single-chipmicrocomputerasthecore,anduseofgassensors,detectioncircuit,alarmcircuit,andLEDdisplaythecurrentenvironmentalreal-timetemperature.Whentheconcentrationofgasleakageenvironmentthanlimitwhenacousto-opticalarm,openaplatoonemergency.Whilewarnings,canresetcircuit,eachfunctionnormaloperation.

Thedesignoftwoparts,hardwaredesignandsoftwaredesignsystem.ThehardwarepartUSESgassensorsandtemperaturesensor,thegasconcentrationsofenvironment,throughthedataprocessingSCMsystemwillsendLEDdisplayreal-timetemperature,sound-lightalarmcircuitcomposedbythebuzzerandlight-emittingdiodes.SoftwarepartClanguageprogram,modulardesignthought.Thesystemthroughthedebugging,canbetterfinishgasleakalarmandtemperaturedisplay,andgasleakagecorrespondingprocessing.

Keywords:

gasleak,Alarm,Emergency,Temperaturedetection

1绪论

1.1课题研究的背景

随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。

每年，因煤气泄露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，所以如果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。

人待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，人体吸入有毒气体一氧化碳后，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，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。

一氧化碳中毒属内科急症，如不及时发现及治疗，将会危及生命。

近年来，我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。

特别是冬春季高发，据不完全统计，我国2006年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。

2007年3-5月份，南汇区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。

1.2课题研究的目的

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的根源，如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。

计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，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。

单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤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。

单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。

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。

为此我们开发研制了智能煤气报警系统。

1.3国内外研究现状及发展动态

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。

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。

近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。

随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。

深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。

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。

如日本费加罗公司推出了检测（0.1～10）×10－6硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。

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传感器。

如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。

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，与日本比较仍要落后10年。

1.4本文的内容安排

针对经常发生的煤气泄漏中毒事件，采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和电铃，设计一套有毒气体检测、报警电路，用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和蜂鸣器。

报警系统由硬件和软件两大部分组成。

其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、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煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器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通过串口送至主控器，由主控器对其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，同时打开排风扇。

本课题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、气体传感器总线的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。

系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。

2方案论证

采用单片机技术，实现了控制功能的多样化和智能化，简化了电路，降低了成本，提高了稳定性；传感器损坏报警及方便更换的特点，提高了系统的可靠性，延长了整机的使用寿命；另外，如果利用保留的单片机串口，增设通讯模块和相关程序，此系统还可作为集群监控系统中的下位机和现场执行机。

在应用中，系统运行稳定、可靠、灵敏。

与同类报警系统相比，本系统性价比更高，使用更为方便，因此具有广阔的应用前景。

系统主要由单片机电路、检测电路、报警电路和应急处理电路组成。

系统框图如图2.1所示。

图2.1系统框图

检测电路包括燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测两部分，原理电路如图3-9所示。

气敏传感器选用QM型，这是由金属氧化物半导体材料制成的“气——电”转换器件。

当有燃气泄漏时，其表面会发生化学吸附，使本身电