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电科专业毕业论文

室内有毒气体的检测装置设计

摘要

随着人类的科技进步，人们的生活质量也不断提高，但是随之而来的也有不利的一面。

家庭中，煤气、天然气的泄漏将在短时间内产生大量一氧化碳和甲烷，危及人生安全。

对一氧化碳等有毒气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。

本系统利用STC12C5A60S2单片机做核心控制模块，利用MQ-7一氧化碳传感器、MQ-4天然气传感器和MQ-2烟雾传感器，实时监控一氧化碳、甲烷和烟雾的浓度变化，如果某处的有毒气体浓度过高，系统将发出声音报警，提醒人们及时抢险。

本系统可用于家庭环境，也适用于工业环境。

由于单片机成本低廉，自动控制功能比较强大，运行稳定，环境适应性好，所以本系统采用单片机做控制的核心元件。

MQ-7、MQ-4、MQ-2一氧化碳传感器、天然气传感器、烟雾传感器的灵敏度高；长寿命，低成本；简单的驱动电路即可。

因此，很适用于家庭的检测。

数码管能清晰的显示该环境下各个气体的浓度，即使在光线较暗时，所以选用液晶屏做显示模块。

本文主要叙述了基于单片机的有毒气体检测系统设计的全过程，包括硬件电路设计、软件设计和实物制作。

关键词　一氧化碳；甲烷；单片机；检测；报警

THETOXICGASDETECTIONINCHAMBER

Abstract

Withtheprogressofhumantechnology,thequalityoflifeofthepeople,buttheattendantdownside.

Infamily,gas,naturalgasleakwillproducelargeamountsofcarbonmonoxideandmethaneinashortperiodoftime,life-threateningsituation.Theresearchanddevelopmentofcarbonmonoxideandothertoxicgasdetectioninstrumentshasalsobeenanissueofconcern.

ThesystemusesSTC12C5A60S2MCUcorecontrolmoduleMQ-7carbonmonoxidesensortodetectcarbonmonoxide,MQ-4gassensorMQ-2smokesensors.Real-timemonitoringofchangesintheconcentrationofcarbonmonoxide,methaneandsmoke,ifsomewheretoxicgasconcentrationistoohigh,thesystemwillsoundalarmtoremindpeopletotimelyrescue.Thesystemcanbeusedinthehomeenvironment,butalsoforindustrialenvironments.

Low-costsingle-chipautomaticcontrolfunctionismorepowerful,stable,goodenvironmentaladaptability,thesystemusesthecorecomponentsofthemicrocontrollercontrol.

MQ-7,MQ-4,MQ-2carbonmonoxidesensor,gassensor,smokesensorsensitivity;long-life,low-cost;simpledrivecircuitcanbe.Therefore,itissuitableforthedetectionofthefamily.

Thecleardigitaltubedisplaygasconcentrationsintheenvironment,eveninlowlight,sotheselectionisdoneontheLCDdisplaymodule.

Thispaperdescribesthetoxicgasdetectionsystembasedonsinglechipdesign,includinghardwaredesign,softwaredesignandphysicalproduction.

KeywordsCarbonmonoxide;methane;MCU;detection;alarm

第一章绪论

1.1　课题研究背景及意义

随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。

这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。

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。

例如，1995年7月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成3人死亡，6人受伤，仅约一小时左右，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。

因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。

一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。

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，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。

这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。

作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。

气体传感器的发展。

危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。

但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。

因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品场所有害气体或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。

对避免和控制事故具有重要意义。

有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。

危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况：

（1）泄漏检测：

设备管道有害气体或液体（蒸汽）现场所泄漏检测报警，设备管道运行检漏。

（2）检修检测：

设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸汽），特别是动火前检测更为重要。

（3）应急检测：

生产现场出现异常情况或者处理事故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸汽）进行检测。

（4）进入检测：

工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸汽。

（5）巡回检测：

安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸汽。

随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。

工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。

一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。

一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。

一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。

为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。

国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。

我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪[1]。

1.2　国内外研究现状

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。

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。

（1）气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展

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，据有关统计预测，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。

（2）国内现状与差距

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：

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；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；新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；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；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[2]。

1.3　本文主要内容及章节安排

本文主要讲述基于单片机的毒气检测系统的设计全过程，包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。

论文具体章节安排如下：

第1章介绍了本次课题的课题背景、国内外研究现状、课题的研究意义。

第2章主要讲述了系统的硬件设计，包括最小系统、显示模块、声音报警模块和传感器模块。

第3章主要介绍了此次设计的软件部分，包括主程序、时钟产生程序；

1.4本章小结

本章主要叙述了该课题的意义、国内外的研究现状以及对本设计的任务安排。

第2章硬件系统设计

2.1　气体检测的原理

气体浓度检测系统的原理框图如图2-1所示。

检测气体的浓度依赖于气体检测变送器，传感器是其核心部分，按照检测原理的不同，主要分为金属氧化物半导体式传感器、催化燃烧式传感器、定电位电解式气体传感器、迦伐尼电池式氧气传感器、红外式传感器、PID光离子化传感器、等以下简单概述各种传感器的原理及特点。

图2-1原理框图

金属氧化物半导体式传感器

金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。

由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。

金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏，故目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。

下图为，金属氧化物半导体式传感器的外形图。

图2-2金属氧化物半导体式传感器

 催化燃烧式传感器

催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点。

催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理，感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，使温度使感应电阻的阻值发生变化，打破电桥平衡，使之输出稳定的电流信号，再经过后期电路的放大、稳定和处理最终显示可靠的数值。

下图为，催化燃烧型传感器的外形图：

图2-3 催化燃烧式传感器

 定电位电解式气体传感器

定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术，在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。

定电位电解式气体传感器的结构：

在一个塑料制成的筒状池体内，安装工作电极、对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在顶部封装。

前置放大器与传感器电极的连接，在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态。

气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比。

下图为，定位电解式气体传感器的外形图：

图2-4 定电位电解式气体传感器

 迦伐尼电池式氧气传感器

隔膜迦伐尼电池式氧气传感器的结构：

在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、厚10~30μm的聚四氟乙烯透气膜，在其容器内侧紧粘着贵金属（铂、黄金、银等）阴电极，在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极（用铅、镉等离子化倾向大的金属）。

用氢氧化钾。

氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化，释放出电子，电流的大小与氧气的多少成正比，由于整个反应中阳极金属有消耗，所以传感器需要定期更换。

目前国内技术已日趋成熟，完全可以国产化此类传感器。

下图为，迦伐尼电池式氧气传感器的外形理图：

图2-5迦伐尼电池式氧气传感器

红外式传感器

红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应。

但结构复杂，成本高。

下图为，红外式温度传感器的外形图。

图2-6红外式温度传感器

 PID光离子化气体传感器

PID由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下，离子化，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。

PID具有灵敏度高，无中毒问题，安全可靠等优点。

下图为，PID光离子化气体传感器的外形图：

图2-7PID光离子化气体传感器

2.2　硬件总体设计

有毒气体的检测装置具有单片机应用系统的三个层次。

其中以STC12C5A60S2单片机为核心构成单片机系统。

在此系统中，检测信号进入单片机进行运算处理。

为了更好的理清设计思路，将整个系统细分为三部分加以设计说明。

整个报警器由三个部分组成，分为三大模块：

浓度检测模块、主控模块和报警模块。

在本次设计中，使用的核心器件是单片机和各种气体的传感器。

为了保证整个系统可靠的运行，设计中必须明确三大部分的实际联系：

以单片机为中心，其他各大模块一一展开。

其中，浓度检测及显示模块所实现的功能是将气体的浓度值转换成为单片机能够处理的数字信号，并且浓度值显示出来：

主控模块以单片机为主，对其他模块的运行进行控制；报警模块是此系统的外部电路，它的功能是实现报警。

系统框图如图2-8所示。

图2-8硬件总体设计

下面就对各个模块的功能和实现形式做简单介绍

（1）气体浓度检测模块

有毒气体报警器主要采用高稳定气体传感器MQ-7、MQ-4、MQ-2检测房间气体浓度，检测结果送STC12C5A60S2中进行转换后，将得到的数字信号进行分析处理。

（2）主控模块

主控模块即单片机最小系统。

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）。

8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱监测等。

上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。

针对电机控制，强干扰场合。

其单片机内部自带高达60K FLASH ROM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写。

（3）报警模块

此模块主要有蜂鸣器、液晶显示频组成，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供声音报警服务；同时，数码管显示报警的传感器号。

到此为止，本系统的三大模块功能和设计思路已经确立，下文将介绍整个硬件系统的详细设计过程。

并且给出设计电路。

2.3　单片机的最小系统

单片机最小系统原理图如下：

图2-9单片机最小系统原理图

单片机的最小系统是由组成单片机系统必需的一些元件构成的，除了单片机之外，还需要包括电源供电电路、时钟电路、复位电路。

2.3.1　单片机介绍

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S）,针对电机控制，强干扰场合。

主要特性有：

1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；

2. 2.工作电压：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）； 

3.工作频率范围：

0 - 35MHz，相当于普通8051的 0～420MHz； 

4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节； 

5.片上集成1280字节RAM； 

6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口），可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma； 

7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器  可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片； 

8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）；

9. 看门狗； 

10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）

11.外部掉电检测电路:

在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%； 

12.时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内） 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11MHz～15.5MHz，3.3V单片机为：

8MHz～12MHz，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准； 

13.共4个16位定时器   两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器   做串行通讯的波特率发生器   再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器； 

14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟； 

15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2 ）, CCP1/P1.4 （也可通过寄存器设置到P4.3）； 

16. PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：

 ——也可用来当2路D/A使用 ——也可用来再实现2个定时器 

——也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）； 

17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）

18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口； 

19. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）； 

20.工作温度范围：

-40 - +85℃（工业级） / 0 - 75℃（商业级）21.封装：

PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48  I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接  74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,  还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口[3]。

2.4传感器介绍

本设计的主要用到的传感器有MQ-7一氧化碳传感器、MQ-2烟雾传感器、MQ-4天然气传感器。

下面，分别介绍这三个传感器的性能特性。

由于CO的危险性最强，也是最容易产生的危险气体，所以详细的介绍一氧化碳传感器。

2.4.1气敏传感器的重要性

1）气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感

器。

在检测和自动控制系统中，传感器处于研究对象与测控系统的接口位

置，是感知、获取与检测信息的窗口，对系统的功能起了决定性的作用。

因此，只有根据系统要求，选择合适的传感器，才能得到精确可靠的信号

处理和控制电路。

2）气敏传感器的工作原理

半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性

质变化来检测特定气体浓度的。

设计中选用N型半导体气敏传感器MQ-

N7对一氧化碳浓度进行检测。

平时，气敏元件的A、B两极间电阻很大，

当有气体泄漏时，其两极间的电阻值随接触的气体浓度的不同而发生变化，

气敏传感器的特性曲线如图2-7所示。

气体浓度越高极间电阻值越小，而

气敏元件负载两端的电压则会增大。

如此，气敏元件就将气体的浓度转化

成了电压信号。

为了加快气敏管的反应速度，需通过热丝对敏感元件进行

加热。

图2-10气敏传感器的特性曲线

3）气敏元件主要性能参数

⑴电阻R0和Rs

固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下的阻值；而工作电阻Rs代

表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。

实验发现，工作电阻与各种

检测气体浓度C都具有如下关系：

（2-1）

式中，m、n是由传感器元件、测量气体种类等因素决定的常数，且m=1。

⑵灵敏度：

气敏元件的灵敏度k通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻值之比来表示：

（2-2）

⑶响应时间tres：

把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到

该浓度下稳定阻