危险气体检测报警系统MQ2.docx
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危险气体检测报警系统MQ2
可自锁的危险气体检测与报警系统设计
摘要
本论文以MQ-2电阻式烟雾传感器和模拟电子技术为核心，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。
其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、智能化的烟雾报警器。
近年来，在医疗、空气净化、家用燃气和热水等方面，得到了广泛应用。
ThispaperhasMQ-2resistance-typesmokesensorandanalogelectronicstechnologyasthecore,todesignagoodtechnicallevelofthesmokealarm.WhichuseMQ-2combustiblegassensor-typesemiconductorsensorstoachievesmokesmokedetection,highsensitivity,fastresponse,stronganti-interference,etc,andthepricelow,longservicelife.Isasimplestructure,stableperformance,easytouse,intelligentsmokedetectors.Inrecentyears,healthcare,airpurification,domesticgasandhotwater,etc,hasbeenwidelyapplie.
1章概述
1．1选题背景及研究意义
随着现代化工业生产的发展，易燃、易爆、有毒气体及液体的种类和应用范围都得到了增加。
在化工、石油、染料以及其它行业中就有许多有害物质，如液化石油气、氨、氯及硫化氢、二氧化硫、二氧化氮等，如果在生产或运输过程中由于操作失误或其它原因，致使这些危险性物质泄漏出来，由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。
化学毒物，特别是易于扩散的有毒液化气体发生泄漏后，将严重危害人们的生命安全与健康，这一点已成为人们的共识。
导致事故发生的罪魁祸首是设备老化等因素产生的危险物质的泄漏，尽管我们不能完全避免泄漏，但可以在发生泄漏的早期作出准确判断并及时进行处理。
一旦发生气体泄漏事故，必须及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，避免造成重大财产和人员伤亡。
这就需要采用恰当的报警检测方法，准确地将检测系统安放在易燃、易爆、有毒有害气体的生产、储运、使用等场所中，尤其是将气体传感器安装在容器的关键部位，及时有效的检测有毒有害气体含量，及早诊断泄漏的发生；另一方面，将泄漏诊断与保护系统联系起来构成自反馈，使保护系统在气体到达危险程度之前动作，以最短的时间进行处理，将事故损失控制在最低程度
1-2危险气体报警检测研究现状
随着计算机技术以及传感器技术的发展，气体检测技术从原来单方面的应用一些化学反应发展为多方面、多学科交叉应用，在多方面获得了发展。
气体检测，可以分成主动检测和被动检测。
主动检测的方法，是将要进行检测的气体吸入某个密闭空间，通过一些物理、化学方法对气体的内部成份进行分析、检测。
主动检测有光谱分析法、气相检测法等检测方法。
吸收光谱是基于物质对于电磁辐射具有吸收现象形成。
由于分子的结构不同，每一种物
质都有其各自的特征吸收光谱。
吸收光谱分析法就是利用物质的这种光谱吸收特性来测定其浓度，该方法是进行定量分析的有用工具，可以用于常量和超微量组分的测定，由于光的叠加性原理也可以对多组分进行同时测定。
气相色谱法是对气体物质或可以在一定温度下转化为气体的物质进行检测分析。
由于物质的物性不同，其试样中各组份在气相和固定液相间的分配系数不同，当汽化后的试样被载气带入色谱柱中运行时，组份就在其中的两相间进行反复多次分配，由于固定相对各组份的吸附或溶解能力不同，虽然载气流速相同，各组份在色谱柱中的运行速度却不同，经过一定时间的流动后，便彼此分离，危险气体泄漏检测系统的研究按顺序离开色谱柱进入检测器，产生的讯号经放大后，在记录器上描绘出各组份的色谱峰。
根据出峰位置，确定组分的名称，根据峰面积确定浓度大小。
被动检测的方法，是一种检测元件被动的与气体进行接触，并产生将因此而产生的物理、化学反应变成电信号，多用于环境的监测或报警信号的产生。
实际上，在工业环境中，最常见的检测方法还是利用气体传感器进行气体泄漏的检测与报警。
市面上出现的气体报警仪器根据检测对象分为可燃气体检测报警仪、有毒气体检测报警仪、氧气报警仪三大类。
从检测原理上分为半导体式
、催化燃烧式、热导式、光谱吸收等。
从结构和方法上分为三类：
袖珍式、便携式和固定式。
固定式监测仪，用于实时在线监测，安装于可能产生危险的事故现场，实现实时监测报警，其检测方法以扩散法为主。
固定式又分为三类，一是单片机智能化监控系统，二是工控机监控系统，三是以DCS控制技术为基础发展起来的监控系统。
无疑，报警的及时性以及准确的故障分析，对工作人员尽快科学合理地处理事故至关重要。
1.3气体传感器概述
过去的气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体（H2,C4H10,CH4）等扩展到毒性气体（CO,NO2,H2S,NO,NH3,PH3）等。
气体传感器种类繁多。
按所用气敏材料及气敏特性不同，可分为半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式、高分子式等。
A.半导体气体传感器
这种传感器主要使用半导体气敏材料。
自从1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快等优点，得到了广泛的应用，目前已成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。
按照检测气敏特征量方式不同分为电阻式和非电阻式两种。
电阻式半导体气体传感器是通过检测气敏元件随气体含量的变化情况而工作的。
主要使用金属氧化物陶瓷气敏材料。
随着近年来复合金属氧化物、混合金属氧化物等新型材料的研究和开发，大大提高了这种气体传感器的特性和应用范围。
例如：
WO3气体传感器可检测NH3的浓度范围为5ppm～50ppm,ZnO-CuO气体传感器对200ppm的CO非常敏感。
非电阻式半导体气体传感器是利用气敏元件的电流或电压随气体含量而变化的原理工作的。
主要有MOS二极管式和结型二极管式，以及场效应管式气体传感器。
检测气体大多为氢气、硅烷等可燃气体。
B.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，运用于石化、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。
C。
接触燃烧式气体传感器
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，应用于石油化工、造船、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。
D.高分子气体传感器
高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
主要有酞菁聚合物、LB膜、苯菁基乙炔、聚乙烯醇-磷酸、聚异丁烯、氨基十一烷基硅烷等。
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，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。
根据所用材料的气敏特性，这类传感器可分为：
通过测量气敏材料的电阻来测量气体浓度的高分子电阻式气体传感器；根据气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量电动势来确定气体浓度的浓差电池式气体传感器；根据高分子气敏材料吸收气体后声波在材料表面传播速度或频率发生变化的原理制成的声表面波气体传感器；以及根据高分子气敏材料吸收气体后重量变化而制成的石英振子式气体传感器等。
高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以补充其它气体传感器的不足。
2.气体传感器的发展方向
首先是开发新的气敏材料。
主要措施是在传统的半导体气敏材料SnO,SnO2,Fe2O3中掺杂一些元素，其次是研制和开发复合型和混合型半导体气敏材料和高分子气敏材料，使这些材料对不同气体具有高灵敏度、高选择性、高稳定性。
另外，开发新的气体传感器，应用新材料、新工艺和新技术，对气体传感器的机理做进一步研究，使传感器更加微型化和多功能化，并具有性能稳定、使用方便、价格低廉等特点。
同时，进一步采用计算机技术实现气体传感器的智能化。
研制开发新型仿生气体传感器-----仿生电子鼻是未来气体传感器发展的主要方向。
本论文以MQ-2电阻式烟雾传感器和模拟电子技术为核心，设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。
其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、智能化的烟雾报警器。
近年来，在医疗、空气净化、家用燃气和热水等方面，得到了广泛应用。
2章危险气体监测系统总体设计
2.1设计思路分析
本课题所研究的报警系统是家庭煤气泄漏为背景，对危险气体一氧化碳,甲烷,丁烷的泄漏报警系统展开研究，决定将报警系统分为三大部分：
检测部分、中央处理器部分以及信号传送部分。
检测部分是由固定安装的MQ-2传感器，它负现场数据，并将采集得到的数据变成模拟的电信号；中央处理器部分负责将采集检测部分得来的模拟电信号数字化，既A/D转换，信号传递部分负责将从处理器得来的经过编码的数据发送出去。
泄漏气体报警系统的工作过程，就是泄漏气体达到一定浓度时（通常浓度值应非常低），经气体检测装置将气体泄漏信号变成电信号，再进行A/D转换、数据分析，最后将经中央处理器处理过的信号发送给信号接受者。
通过对国内外的危险气体报警系统方法的分析，结合有可能产生危险气体泄漏地点的实际情况，本设计硬软配置相比而言性价比好、集成度高、方便等优点，因此本课题决定采用固定式的单片机智能化检测系统。
通过对国内外的危险气体报警系统方法的分析，结合有可能产生危险气体泄漏地点的实际情况，报警是由电路、电源和显示报警装置组成的,并且安装在现场完成报警。
2.2设计元器件选购分析思路
为了使设计贴近现实,本实验设计了可自锁的天然气检测系统,用灯泡作为煤气罐的开关气阀，当检测气体浓度达到设置的上限时,就自动报警,并关闭天然气开关。
（图1报警系统构成图）
气体传感器采用MQ-2烟雾传感器，它的特点是对可燃性气体有很高的敏感度，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷气体的探测，并且家用燃气是有甲烷，丁烷以及少量的丙烷够成，对于本次设计更有利，如果本装置放在家庭厨房中，不仅可以检测天然气是否泄漏，也能可作为火灾报警器。
于是本设计的气体传感器决定用MQ-2传感器。
A/D转换器：
通过对几种AD数模转换器的学习和了解，本人用选用了ADTLC549。
TLC549具有控制口线少，时序简单，转换速度快，功耗低，价格便宜等特点，适用于低功耗袖珍仪器上的单路A/D采样，考虑到本设计对功耗，价格方面的考虑用A/DTLC549数模转换器更为合适。
为了使本设计看起来更加直观和达到预期的实验目的，显示器选用lcd1602液晶显示器，它可以显示字符，看起来更实用美观，在本设计中它实现了显示设置危险气体上限的值和当前气体浓度的参数。
使设计看起来更加实用和精致。
选用本器件是由于在以前的学习中有更多的了解便于顺利完成设计，同时也充实了实验内容。
报警系统是常用的蜂鸣器，按键控制系统实现气体上限设置即可，所以用一加一减按钮实现，简易方便。
2.3系统流程分析思路
（图2危险气体报警系统程序流程图）
首先，气体通过MQ-2气体传感器，传感器判断是否含有液化气、丁烷、丙烷、甲烷气体等危险气体，如果有则把气体参数传给AD转换器，转换器负责把传进来的模拟信号转化成数据信号传给单片机系统，系统分析参数与设定参数比较。
如果大于设置参数蜂鸣器报警，并且天然气气阀自动关闭。
3章危险气体监测系统硬件电路设计
本课题选用主要器件：
MQ-2传感器,A/DTLC549转换器,AT89C51,Lcd1602显示器,报警器,两个按键,二极管,导线,电阻,电容,主板等。
设计流程：
（一）数据采样部分：
传感器，转换器；
（二）数据处理：
AT89C51单片机系统；
（三）报警设定：
按键1（加），按键2（减）,报警器；
（四）显示设置:
液晶LCD1602显示器
图3系统设计电路图
3.1传感器及信号调理的工作电压
MQ-2是旁热式结构半导体式可燃气体敏感元件，其特点有：
广泛的探测范围，高灵敏度，快速响应恢复，优异的稳定性，寿命长，简单的驱动电路等，可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测.
适用气体:
可燃气体、烟雾;
探测范围:
300to10000ppm;
特征气体1000ppm异丁烷
灵敏度:
Rinair/Rintypicalgas≥5;
敏感体电阻:
1KΩto20KΩin50ppm甲苯
响应时间:
≤10s;
恢复时间:
≤30s;
加热电阻:
31Ω±3Ω;
加热电流:
≤180mA;
加热电压:
5.0V±0.2V;
工作条件:
环境温度：
-20℃～+55℃;湿度：
≤95%RH;环境含氧量：
21%.
贮存条件：
温度:
-20℃～+70℃，湿度:
≤70%RH。
MQ-2的内部电路原理图以及实物图：
（图4传感器MQ-2原理电路图）
（传感器MQ-2实物图）
3.2检测电路的设计及危险气体的信号电路
检测电路有MQ-2传感器和AD转换器组成：
具体链接如图所示：
（检测电路图）
3.3控制器的选择及电路设计
采用两个按键用来设定气体上限,超过上限报警并关闭天然气气阀;如图所示；
3.4液晶LCD1602显示器的电路设计
液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、PCB线路板、背光源、结构件装配在一起的组件。
英文名称叫“LCDModule”，简称“LCM”，中文一般称为液晶显示器。
其在便携式仪表中有着广泛的应用，如万用表、转速表等。
液晶显示器也是单片机系统常用的显示电路。
根据显示方式和内容的不同，液晶模块可以分为数显液晶模块、液晶点阵字符模块和点阵图形液晶模块3种。
数显液晶模块是一种由段型液晶显示器件与专用的集成电路组装成一体的功能部分，只能显示数字和一些标识符号。
液晶点阵字符模块是由点阵字符液晶显示器件和专用的行、列驱动器，控制器及必要的连接件、结构件装配而成的，可以显示数字和西文字符，但不能显示图形。
点阵图形液晶模块的点阵像素连续排列，行和列在排布中均没有空隔。
因此不仅可以显示字符，而且可以显示连续、完整的图形。
在本次设计中它的作用是显示测试到的气体，值的设定，当前气体的浓度。
一1602字符型LCD简介
字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。
1602是一种16*2字符型液晶显示器。
实物如图所示。
图1602字符型液晶显示器实物图
该显示器件采用电路模块封装，控制器大部分为HD44780，带有标准的SIP14引脚（无背光）或SIP16引脚（带背光），芯片和背光电路工作电压与单片机兼容，引脚分电源、通信数据和控制三部分，可以很方便的可以与单片机进行连接。
各引脚接口说明如表4-5-2所示。
表接口引脚
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据（I/O）
2
VDD
电源正极
10
D3
数据（I/O）
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
数据（I/O）
4
RS
数据命令选择端（H/L）
12
D5
数据（I/O）
5
R/W
读/写选择端（H/L）
13
D6
数据（I/O）
6
E
使能信号
14
D7
数据（I/O）
7
D0
数据（I/O）
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据（I/O）
16
BLK
背光源负极
二、电路原理
实验电路如下图3-5-6所示，LCD1602用的是8位数据线模式，具体接法为使能端E接P20，R/W端接P21，RS端接P22，D0～D7接单片机的P0端口。
单片机和LCD1602的连接电路图。
3.5A/DTLC549模数转换电路
8位串行模数转换器TLC549的应用
1.概述
TLC549是美国德州仪器公司生产的8位串行A/D转换器芯片，可与通用微处理器、控制器通过CLK、CS、DATAOUT三条口线进行串行接口。
具有4MHz片内系统时钟和软、硬件控制电路，转换时间最长17μs，TLC549允许的最高转换速率为40000次/s。
总失调误差最大为±0.5LSB，典型功耗值为6mW。
采用差分参考电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，VREF-接地，VREF+－VREF-≥1V，可用于较小信号的采样。
2.TLC549的内部框图和管脚名称
TLC549的内部框图和引脚名称如图所示。
2.2极限参数
TLC549的极限参数如下：
●电源电压：
6.5V；
●输入电压范围：
0.3V～VCC＋0.3V；
●输出电压范围：
0.3V～VCC＋0.3V；
●峰值输入电流（任一输入端）：
±10mA；
●总峰值输入电流（所有输入端）：
±30mA；
●工作温度：
TLC549C：
0℃～70℃
TLC549I：
－40℃～85℃
TLC549M：
－55℃～125℃
3.工作原理
TLC549有片内系统时钟，该时钟与I/OCLOCK是独立工作的，无须特殊的速度或相位匹配。
其工作时序如图所示。
当CS为高时，数据输出（DATAOUT）端处于高阻状态，此时I/OCLOCK不起作用。
这种CS控制作用允许在同时使用多片TLC549时，共用I/OCLOCK，以减少多路（片）A/D并用时的I/O控制端口。
一组通常的控制时序为：
（1）将CS置低。
内部电路在测得CS下降沿后，再等待两个内部时钟上升沿和一个下降沿后，然后确认这一变化，最后自动将前一次转换结果的最高位（D7）位输出到DATAOUT端上。
（2）前四个I/OCLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5个位（D6、D5、D4、D3），片上采样保持电路在第4个I/OCLOCK下降沿开始采样模拟输入。
（3）接下来的3个I/OCLOCK周期的下降沿移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位，
（4）最后，片上采样保持电路在第8个I/OCLOCK周期的下降沿将移出第6、7、8（D2、D1、D0）个转换位。
保持功能将持续4个内部时钟周期，然后开始进行32个内部时钟周期的A/D转换。
第8个I/OCLOCK后，CS必须为高，或I/OCLOCK保持低电平，这种状态需要维持36个内部系统时钟周期以等待保持和转换工作的完成。
如果CS为低时I/OCLOCK上出现一个有效干扰脉冲，则微处理器/控制器将与器件的I/O时序失去同步；若CS为高时出现一次有效低电平，则将使引脚重新初始化，从而脱离原转换过程。
在36个内部系统时钟周期结束之前，实施步骤
（1）－（4），可重新启动一次新的A/D转换，与此同时，正在进行的转换终止，此时的输出是前一次的转换结果而不是正在进行的转换结果。
若要在特定的时刻采样模拟信号，应使第8个I/OCLOCK时钟的下降沿与该时刻对应，因为芯片虽在第4个I/OCLOCK时钟下降沿开始采样，却在第8个I/OCLOCK的下降沿开始保存。
（A/DTLC549链接电路图）
3.6报警电路
演示报警采用蜂鸣器。
具体接线原理如图4所示。
（图5 报警模块接线图）
4气体监测系统软件设计
4.1软件设计步骤概述
1.创建工程和选择CPU
单击Project–NewμVisionProject菜单项，μVision3将打开对话框，推荐对每个新建工程使用独立的文件夹，在输入工程名称后即可创建一个新的工程。
µVision3自动弹出对话框要求为目标工程选择CPU。
由于使用的是8051系列单片机故选择Atmel的AT89C51。
2.加入启动代码
嵌入式程序需要通过CPU的初始化代码来配置目标硬件。
启动代码负责配置设备微处理器和初始化编译器运行时系统。
3.创建新的源文件
选择File菜单New或者点击图标以创建一个新的源文件，选项会打开一个空的编辑窗口，用户可以在此窗
4.在工程里加入源文件
源文件创建完后，需要在工程里加入这个文件。
在工程工作区中，移动鼠标选择“SourceGroup1”然后点击鼠标右键，将弹出一个下拉窗口，如图2-1-7所示。
选择AddFiles选项会打开一个标准的文件对话框，在对话框里选择前面所创建的C源文件，然后点击“Add”。
这时文件已被添加到工程，再点击“Close”关闭该对话框即可。
文件被添加到工程后即可以开始编写程序代码了。
除了添加程序代码文件到工程外还可以添加头文件（*.h）和库文件（*.lib）。
5.设置目标工具选项
在开始其它工作以前需要根据目标硬件的实际情况对工程进行配置。
通过点击目标工具栏图标
或Project菜单下的OptionsforTarget，在弹出的Target页面可指定目标硬件和所选择设备片内组件的相关参数。
6.编译工程
单击工具栏中BuildTarget按钮只编译修改过的源文件或者是新的源文件，并且会产生可执行文件。
使用RebuildTarget命令，则不管是否修改过，所有的源文件都会被编译。
7.创建HEX文件
应用程序在调试通过后，在使用Flash编程工具时，用户通常需要创建HEX文件，用于下载到EPROM编程器中或仿真器中。
4.2ProteusISIS7Professional仿真系统创建单片机仿真程序步骤
1．选择单片机芯片：
（1）选择单片机80C51系列的AT89C51，双击左键就添加到元件列表中。
2．放置其它器件或者仿真仪器：
（1）然后选择器件，液晶Lcd1602显示器，及所需的元器件，RP1,电容，电阻等。
（2）添加两个加减按键，以及报警器，发光二极管，电阻R2，R4等。
（3）添加AD转换器tlc549，以及MQ-2传感器；
3．用导线以及者总线连接各个器件；
4．调入HEX文件，如图所示：
5．进行仿真观察。
如图所示：
；
开始调试
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