一氧化碳报警器设计毕业论文.docx

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一氧化碳报警器设计毕业论文

一氧化碳报警器设计毕业论文

前言

随着国家经济的提高，现代化、智能化的多功能建筑越来越多，家居安全事故的发生也就越来越多。

所以，人们对安全防范要求也更高。

针对智能家居的监控，实现了自动对家居里的可燃气体浓度的检测和报警，而实现气体浓度检测离不开高性能的气体传感器。

从广义上讲，传感器就是能感受外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。

狭义上讲，传感器就是能将外界信息转换成电信号的装置。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，一切现代化仪器、设备几乎都离不开传感器。

在工业生产中，尤其是自动化生产过程中，用各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参数，如温度、压力、流量、PH值等，以便使设备工作在最佳状态，产品达到最好的质量。

此次设计中所利用到的气体传感器就是要测量一氧化碳气体浓度的动态信号，并且利用数模转换芯片将浓度值转换为数字值，实现整个系统的检测与事故处理功能，实现智能控制。

本文的一氧化碳报警器就是单片机应用系统的一种典型应用，要求能够检测一氧化碳气体浓度，并且在气体浓度超过给定值时能采取相关措施。

由于一氧化碳中毒是家庭小区以及矿工企业常见事故，给人们生命财产安全带来了极大的危害。

为了能减少事故的发生，提醒人们注意，迫切需要一氧化碳报警设备。

1绪论

1.1课题背景

21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。

正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。

智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。

所以，安全使用智能家居产品已成为大家关注的焦点。

近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。

“报警早，损失少”，进一步说明了及时报警的重要性，在家庭里面也是如此，一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大灾。

目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。

像家庭中在使用煤气、液化石油气和天然气等燃料时，安装一个可燃气体报警器，当出现漏气或着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之主人及时采取措施。

日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器的法规，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7个州11个城市通过立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。

随着城市燃气化的扩大，我国已有北京市、辽宁省、黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市、大连等省市相继发布燃气安全管理文件，做到政府立法和百姓自身提高安全保护意识有机结合。

一氧化碳（CO）为无色、无味、无臭、无刺激气体，比重0.967，几乎不溶于水，不易被活性炭吸附。

当碳物质燃烧不完全时，可产生CO，如人体短时间内吸入较高浓度的CO，或浓度虽低，但吸时间较长，均可造成急性中毒。

CO主要来自取暖燃料的燃烧，CO对人体的损害主要表现在损害血液输送氧气的能力，CO与血红蛋白结合能力超过氧和血红蛋白的结合能力的200--300倍，当CO与血红蛋白结合形成的碳氧血红蛋白含量达到5%时，就会对人体产生慢性损害，达到60%时就会昏迷，达到90%就会死亡。

由于发生一氧化碳中毒事件的普遍性和隐蔽性，迫切需要一种能够很好的监控室内一氧化碳浓度的仪器，并且在一氧化碳浓度过高时能够采取相关措施防止火灾的发生，保护人们的生命财产安全。

本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作一氧化碳报警器，保障人们的生命财产安全。

1.2一氧化碳报警器的概述

燃气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻”。

当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供燃气报警器后级线路处理。

经过电子线路处理变成浓度成比例变化的电压信号，由线性电路加以补偿，使信号线性化，经微机处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值时，燃气报警器发出声光报警信号并可显示燃气浓度或启动外部联运设备（如排风扇、电磁阀）。

选择一款优质的燃气报警器，首先要选择质量过关的传感器。

质量不过关的传感器，一般16个月性能就下降，因而失去报警器的安全性，出现不报警或误报警现象，而一种好的传感器可连续使用十几年，特性也不会有什么变化。

但是，报警器中的其它电子元件的寿命都是有限，先进国家也规定燃气报警器的有效期最多为五年。

报警器都存在着检测误差，只要当着误差降低在5%以内这个报警器才符合使用要求。

这就要求了气敏传感器性能必须符合这个条件，高精度的传感器是系统的灵魂。

气体传感器受湿度、温度的影响较大，在条件需要的时候应该采用温度、湿度补偿来提高测量精度。

1.3课题研究的目的及意义

设计出性能更加可靠，经济实惠的一氧化碳报警器。

目前，现有一氧化碳检测仪器主要是面对工矿企业或公共场所的检测，价格高昂，对家庭也是不适应的。

因此，本次设计所面对的是广大居民，其优点在于：

（1）成本低廉并能对一氧化碳准确报警。

（2）该产品无需专业人员操作，只要放在合适位置，通电即可，连续使用、方便简捷。

（3）能起到预防燃气、一氧化碳等气体造成的火灾、中毒等严重后果，使人们高枕无忧。

1.4系统设计主要任务

本文利用单片机电路制作一氧化碳报警器。

设计过程中最关键的两个部分：

系统硬件的设计和控制软件的编写。

这也是在设计过程中需要解决的最关键的问题。

（1）硬件问题

一氧化碳报警器的硬件主要有3大部分，即CO浓度检测及显示模块、主控模块和报警模块。

CO浓度检测模块主要由气敏传感器组成，它是整个系统中最关键的元件。

主控模块由单片机及其相关软件组成，由程序对单片机进行控制。

报警模块主要由蜂鸣器和继电器等组成，这个模块是对燃气浓度过高的时候的监测和报警。

（2）软件问题

它的软件设计主要包括主程序、A/D转换模块的编程、数码管显示的编程。

主程序主要实现了系统的初始化，以及按键功能的编程，实现了软件硬件的结合，更改报警限值。

要对程序进行多次调试，分块编程。

对各个子程序块所解决的问题要相当明确。

最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

2方案设计

设计就是根据题目的要求而对硬件和软件进行规划，并选择最合适的硬件电路和软件程序来达到目的。

硬件设计是通过对设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到设计的功能要求。

并且把这些元器件焊接在一块电路板上。

它包括对各种元器件的功能和接法的了解，以及对各种元器件的选择和设计方案的选择。

软件设计是分析设计的硬件用程序实现其功能，并且调试优化产品功能。

2.1设计原理

本论文中的一氧化碳报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集气体信息。

首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入单片机；然后，在STC12C5A60S2单片机内A/D转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度超出设定的限定值时，蜂鸣器发出声音报警。

另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。

为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。

2.2设计思路

一氧化碳报警器是不仅能够检测环境中的一切可燃气体的浓度还能检测烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：

信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

信号采集电路一般由烟雾传感器和模拟放大电路组成，将烟雾信号转化为模拟的电信号。

模数转换电路将从烟雾检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。

单片机对该数字信号进行滤波处理，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），如果大于则启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。

为方便检测与监控，使仪器测试人员及用户能够直观地观察到环境中的可燃气体浓度值，可将浓度值送到显示屏中。

为了方便调节报警限，本设计还加入了按键。

以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

根据此设计思路，选定了如下设计方案。

系统使用STC12C5A60S2单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，显示电路，及报警装置开发了可用于家庭或小型单位一氧化碳报警器。

整个设计由3大部分构成：

气敏传感器、STC12C5A60S2单片机、显示电路。

气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。

烟雾传感器及单片机是可燃烟雾检测报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。

烟雾传感器的选型在下一节详细介绍。

单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在下一章详述。

2.3气体传感器的选定

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。

气体传感器作为一氧化碳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。

由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。

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，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。

而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

下一章将对MQ-2型气敏传感器做详细的介绍。

2.4装置效果图

图2.1成品效果图

3硬件电路设计

硬件电路形象的说就是整个装置的框架，硬件电路的设计，直接影响装置功能能否实现。

硬件电路的设计首先必须了解各原件的性能指标，工作原理，以及整体的电路连接。

3.1芯片介绍及相关电路模块设计