有毒可燃气体报警器的研究.docx

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有毒可燃气体报警器的研究

本科毕业设计说明书

有毒可燃气体报警器的研究

Toxicandcombustiblegasalarm

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有毒可燃气体报警器的研究

随着科技的发展，越来越多的有毒可燃气体出现在工业生产和人们的日常生活中。

很多有毒可燃气体可以应用于生产和生活，但也有许多是工业和产品的伴随物，有毒可燃气体在给我们甚或带来便利的同时也存在巨大隐患。

因此，必须对这些有毒可燃气体进行现场实时检测，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。

因此，研究有毒可燃气体的检测方法与有毒可燃气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

本论文在参考国内外产品及设计思想的基础上，对有毒可燃气体报警器设计进行了深入的研究，比较合理地选择了系统的设计方案。

并对仪器的设计和各个组成部分进行了详细的分析和介绍。

本论文设计的有毒可燃气体报警器由气体信号采集电路与单片机控制电路两大部分构成。

传感器选用MQ135型气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵敏度高、响应快、抗干扰等优点，而且价格低廉，使用寿命较一般的半导体气体传感器长，至少可以达到3年。

核心芯片采用STC89C52单片机。

具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，在提高了报警器的准确性、可靠性及抗干扰性且不提高成本的同时，缩小了报警器的体积。

在本论文研制的报警器的基础上，可以再做适当的功能扩展，使有毒可燃性气体报警器的功能更加完善，安全性更高，使用更加方便等。

为了能够进一步提高安全性，可以在自动声光报警的基础上，用单片机驱动继电器，带动有毒可燃性气体管道阀门或者其他关闭气体泄漏源的装置。

该报警器可以实时、准确检测有毒可燃气体，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。

关键词：

报警器；有毒可燃气体；单片机；气体传感器

Abstract

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,moreandmoretoxicandflammablegasintheindustrialproductionandpeople'sdailylives.Alotoftoxicandcombustiblegascanbeusedintheproductionandlife,buttherearemanyoftheaccompanimentofindustrialandproduct,therearehugehiddendangersoftoxicandcombustiblegastousorevenconvenience.Therefore,wemustconducton-sitereal-timedetectionofthesetoxicandflammablegas,earlydetectionofpotentialaccidents,andtakeeffectivemeasurestoavoidtheaccidentinordertoensurethesecurityofindustrialsafetyandfamilylife.Therefore,toxicandflammablegasdetectionandtoxicandcombustiblegasalarmhasbecomeanimportanttopicinthefieldofsensortechnologydevelopment.

Inreferencetodomesticandforeignproductsanddesignideasonthebasisofthispaper,thedesignofthetoxicandcombustiblegasalarmin-depthstudy,areasonablechoiceofsystemdesign.Andinstrumentdesignandthevariouscomponentsofthedetailedanalysisandpresentation.

ThisthesisisatoxicflammablegasalarmgassignalacquisitioncircuitandMCUcontrolcircuit,twomajorparts.SelectionofsensortheMQ135typegassensor,thesensorofthismodelnotonlyhastheadvantagesofsemiconductorgassensorwithhighsensitivity,fastresponse,andinterference,andlow-cost,longservicelifethantheaverageofsemiconductorgassensor,atleastthreeyears.CorechipwithSTC89C52SCM.Hastheadvantageofhigh-speed,lowpower,super-interference,improvealarmaccuracy,reliability,andanti-jamminganddoesnotincreasecostsatthesametime,reducingthevolumeofthealarm.

Developedinthispaperthebasisofthealarm,youcandotheappropriatefunctionalexpansion,toxicandcombustiblegasalarmfunctionmoreperfect,moresecure,easiertouse.Inordertofurtherimprovesecurity,automaticaudibleandvisualalarmonthebasisofusingamicrocontrollertodrivearelaytodrivethetoxicandflammablegaspipelinevalvesorotherclosinggasleaksourcedevice.

Thealarminrealtime,accuratedetectionofcombustiblegases,andcanbealongtimereliableandcorrectalarm,hasaverybroadapplicationprospectsandpromotionalvalue.

Keywords:

alarm;toxicflammablegas;microcontroller;gassensor

第1章绪论

1.1课题研究的目的和意义

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。

气体传感器的发展使得其应用越来越广泛。

危险化学品和可燃性气体要加强安全管理，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，在危险化学品和可燃性气体场所有害可燃性气体或液体（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。

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。

我设计的是有毒可燃其他报警器，该仪器以单片机STC89C52为核心，包括传感器、A/D转换、液晶显示屏、声光报警和按键模块等部分。

传感器部分采用MQ135气敏传感器，能感知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。

这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过A/D转换将其转化为离散的数字信号。

单片机将采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并可以送到LCD显示屏显示出来。

当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。

该系统可有效的降低事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，STC89C52单片机的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，大大的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于生产生活中的有毒可燃气体的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。

第2章有毒可燃气体报警器的方案设计

2.1气体传感器的选型

可燃性气体传感器是一个气-电变换器，它的作用是把可燃性气体在空气中的含量（即浓度）变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。

传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型（袖珍式、便携式、固定式）仪表的核心之一。

因此，传感器的选型是非常重要的。

2.1.1气体传感器的种类

国外从30年代开始研究开发气体传感器。

过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以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，从原理上可以分为三大类：

（1）利用物理化学性质的气体传感器:

如半导体、催化燃烧等。

（2）利用物理性质的气体传感器:

如热导、光干涉、红外吸收等。

（3）利用电化学性质的气体传感器:

如电流型、电势型等。

下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍。

（1）半导体气体传感器

这类传感器主要使用半导体气敏材料，利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。

由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，这类传感器得到了广泛的应用。

目前，世界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究，其中日本、美国处十领先地位，我国也投入大量资金和人力进行研究，并取得一定成果。

该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。

（2）固体电解质气体传感器

这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。

它使用固体电解质材料作为气敏元件。

其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，钡U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，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域。

如测量H2SYST-Au-WO3，NH3的NH'4CaCO3等。

但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。

（3）接触燃烧式气体传感器

这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。

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，测量阻值变化从而测量气体浓度。

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F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。

这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。

在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。

其不足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，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，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。

（4）高分子气体传感器

利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。

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D21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。

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，可以弥补其它气体传感器的不足。

（5）电化学传感器

这类传感器由膜电极和电解液灌封而成。

气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。

它的优点是:

反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大于等于两年）。

它主要适用于毒性气体的检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

2.2MQ135传感器简介

2.2.1MQ135传感器概述

MQ135气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（

）。

当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

2.2.2MQ135传感器详细说明

MQ135气敏传感器主要做空气污染用，具体可以应用于家庭用空气污染报警器、工业用空气污染控制器、便携式空气污染检测器等多种仪器。

作为一种优秀的气敏传感器，它有以下优点：

1.在较宽的浓度范围内对有害气体有良好的灵敏

2.对氨、硫化物、苯系等气氛灵敏度较高

3.长寿命、低成本

4.驱动电路简单

MQ135传感器对氨气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害的监测也很理想。

这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro表示传感器在100ppm氨气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

灵敏度特性：

图2为受温度、湿度影响的典型曲线。

图中纵坐标是传感器电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含100ppm氨气、各种温/湿度下的电阻值Ro表示在含100ppm氨气、20℃/65%RH下的电阻值

温/湿度的影响：

图3是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

基本测试回路：

传感器规格参数：

传感器的结构，外形：

MQ135气敏元件的结构和外形如图4所示（结构A或B）,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

图4

第3章有毒可燃气体报警器的硬件设计

3.1有毒可燃气体检测报警器的设计

在有毒可燃气体报警器的设计中，单片机是仪器的核心部件。

它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号和数字信号，另一方面要对这一信号进行处理，控制报警进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。

在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。

同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。

根据多方面的比较，本设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。

首先，可燃性气体浓度信号通过MQ135气体传感器将有毒可燃气体浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，直接输出数字信号或经过A/D转换输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入STC89C52中，模拟电压信号需经线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。

最后，将浓度值送入LCD显示屏显示。

当检测到的有毒可燃气体浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声光报警，同时显示屏显示相应状态。

3.1.1可燃性气体检测报警器的结构

可燃性气体报警控制器系统结构如图3-1所示，系统以STC89C52单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警、按键控制等功能。

仪器有两种运行状态，一种直接接收传感器模块的数字信号，并控制报警电路。

一种是单片机接收传感器模块的模拟电压信号，再将电压信号转化成浓度值，然后单片机根据前置条件控制电路。

图3-1可燃性气体报警控制器系统结构

3.2STC89C52系列单片机系统结构特点

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案[2]。

STC89C52具有以下标准功能:

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

其引脚电路如图3-2所示，STC89C52主要性能有以下几点：

（1）与MCS-51单片机产品兼容

（2）8K字节在系统可编程Flash存储器

（3）1000次擦写周期

（4）全静态操作：

0Hz～33Hz

（5）三级加密程序存储器

（6）32个可编程I/O口线

（7）三个16位定时器/计数器

（8）八个中断源全双工UART串行通道

（9）低功耗空闲和掉电模式

（10）掉电后中断可唤醒

（11）看门狗定时器

（12）双数据指针

（13）掉电标识符

图3-2STC89C52引脚图

3.3可燃性气体报警控制器的电路设计

3.3.1A/D转换电路

AD7705是AD公司新推出的16位

转换器。

器件包括由缓冲器和增益可编程放大器（PGA）组成的前端模拟调节电路,

调制器,可编程数字滤波器等部件。

能直接将传感器测量到的多路微小信号进行A/D转换。

这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点,非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。

它采用三线串行接口,有两个全差分输入通道,能达到0.003%非线性的16位无误码数据输出,其增益和数据输出更新率均可编程设定,还可选择输入模拟缓冲器,以及自校准和系统校准方式。

工作电压3V或5V。

3V电压时,最大功耗为1mW,等待模式下电源电流仅为8

。

3.3.2STC89C52单片机接口电路

STC89C52采用PQFP贴片式的封装形式，有40个管脚。

根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电路主要分为6个部分。

STC89C52单片机接口电路如图3-3所示。

图3-3STC89C52单片机接口电路

（1）复位模块

复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。

为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。

在本设计中，采用的是阻容RC上电复位电路，通过电容加到RST端上一个高电平复位信号，高电平持续时间取决于RC电路参数。

为了保证系统能可靠地复位，RST端上高电平信号必须有足够长的时间，本复位操作采用按键控制操作。

（2）系统时钟模块

时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。

本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。

在STC89C52的18脚（XTAL1）和19脚（XTAL2）外接12M的晶体，同时并连2个33pF的电容，产生系统时钟。

（3）显示模块

由STC89C52的32~39脚以及14~15脚构成显示及控制信号。

本次设计中采用的是动态显示的方法进行浓度显示。

（4）声音报警模块

由STC89C52的24脚实现声音报警控制。

当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。

（5）按键控制模块

有两个按键分别接单片机25、26脚作为系统操作按键

（6）LED状态显示模块

由STC89C52的21~23脚构成LED状态显示控制，黄灯亮表示系统处于非工作状态，绿灯亮表示系统处于正常工作状态，红灯亮表示系统处于非正常工作状态。

3.3.3声音报警电路

当可燃性气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。

图3-7声音报警控制电路

3.3.4显示电路

显示电路采用LCD1602显示，相较其他显示方式液晶屏显示优点突出，具有以下特点：

①显示质量高

由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。

因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。

②数字式接口

液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。

③体积小、重量轻

液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达