基于51单片机室内煤气及天然气泄漏警报器的设计毕业论文.docx

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基于51单片机室内煤气及天然气泄漏警报器的设计毕业论文

南京理工大学

毕业设计说明书（论文）

作者:

学号：

学院（系）:

专业:

题目:

基于51单片机室内煤气，天然气泄漏警报器的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

毕业设计说明书（论文）中文摘要

随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。

天然气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。

面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。

使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。

其中选用MQ-2传感器实现对气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

经AT89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态，而且在此设计中我们通过DS18B20温度传感器和AT89C51单片机进行连接，将温度信号转换成单片机可识别的数字信号，经过单片机处理并对其进行分析，最终将温度还有气体的浓度显示在LED的显示管中。

关键词气敏传感器报警器单片机温度传感器

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitleDesignofindoorgas&naturalgasalarmbasedon51microcontroller

Abstract

Withthewideuseofnaturalgas,eachresidentialtowerswere"enveloped"bythegas.Thepopularityofnaturalgastopubliclifebroughtconvenient,reducethecity'spollutionandimprovethelifequalityandefficiency,butatthesametime,naturalgasisalsopotential"dangerous",onceproducelargeleak,disposalnottimelycouldtrigger,thebigbangtopeople'slifeandpropertysafetybroughtgreatthreat.Facingthegasleakallkindsofaccidentscausedbythreats,weneedasolution.Useofnaturalgasalarmisdealwithgasinvisiblekilleroneoftheimportantmeans.

Thispaperstothesemiconductorgassensorsandsinglechipmicrocomputerasthecoredesigncanrealizethegasalarmsound-lightalarmfunctions,isakindofsimplestructure,stableperformance,easytouse,inexpensiveandintelligentgasalarm,hascertainpracticalvalue.

AmongthemwechooseMQ-2ofgasdetectionsensor,ithasahighsensitivity,fastresponse,stronganti-jammingcapabilityetc,andthepriceislow,servicelifelong.byAT89C51forprocessingthedataandanalysis,whetherisequaltoorgreaterthantheadefaultvalue（thatis,thealarmlimit）,ifbeyondthelimitthanitwillautomaticallystartalarmcircuitwarningvoice,otherwiseconverselyfornormalstate.Inthisdesign,weconnectedDS18B20temperaturesensorandtheAT89C51micr-ocontroller,itturnsthetemperaturesignalsintothedigitalsignalwhichthemicrocontrollercanidentify.FinallythetemperatureofgaswillbedisplayedontheLEDdisplaytube.

Keywords：

gassensoralarmsinglechipmicrocomputertemperaturesensor

1绪论

1.1、课题研究的背景

人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。

室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。

室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。

煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。

常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。

液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。

是由炼厂气或天然气（包括油田伴生气）加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。

由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。

由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。

液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。

其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。

液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。

人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。

室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。

天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命。

1.2、课题研究的意义

人们面对可燃性气体泄漏而危及生命健康情况，有没有一个彻底的解决办法？

据有关专家介绍，可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。

为防止中毒事件发生，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。

所以怎样预防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

基于此现实，本设计宗旨是为家庭用户设计一种能够对天然气，液化气和、煤气泄漏的装置，从于减少不必要的事故，进于保证人民的生命健康，减少不必要的损失。

1.3国内外研究情况及其发展

1.3.1、可燃性气体泄漏报警器种类与结构

可燃性气体泄漏报警器，多用于大型公寓、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。

可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。

有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

1.3.2、国内外情况及其发展趋势

当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。

国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，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泄漏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，据有关统计猜测，美国在1996年—2002年就煤气报警器的年均增长率为27％～30％。

在这些方面，国内应该增强安全意识增强。

可燃性气体泄漏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，这也是燃气泄漏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可燃性气体泄漏气报警器。

如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。

2天然气泄漏报警系统的方案设计

2.1方案的选择

方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。

电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。

方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。

该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。

方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。

键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。

综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。

2.2对于该警报器设计的要求

1.对可燃气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。

2.正常工作：

绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。

3.能够显示此时的温度

4故障报警：

传感器短路，短路时应发出与可燃气体浓度超范围报警有明显区别的声，光报警。

5.浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。

2.3气体传感器的选型

气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。

2.3.1气体传感器介绍

1.气体传感器的分类

（1）.半导气体传感器

这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.

（2）.固体电解质气体传感器

　固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。

其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。

由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。

开发新的气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用。

大大提高气体泄漏事故处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。

（3）.接触烧式气体传感器

接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。

其工作原理是：

气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。

这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。

例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。

接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

（4）.高分子气体传感器

国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。

高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：

　　l）高分子电阻式气体传感器

　　该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。

其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。

但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。

　　2）浓差电池式气体传感器

　　浓差电池式气体传感器的工作原理是：

气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。

3）声表面波（SAW）式气体传感器

SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。

两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。

被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。

主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。

其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。

SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器接口。

此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。

（5）.电化学传感器

电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。

典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。

　　气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。

采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。

　　穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。

这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。

　　通过电极间连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。

测量该电流即可确定气体浓度。

由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。

（6）.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于目标烟雾中，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，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。

（7）.红外传感器

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。

红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。

光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。

检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。

热敏元件应用最多的是热敏电阻。

热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。

光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。

红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

2.3.2气体传感器的选定

天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。

天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。

使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。

阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经