家用燃气报警器毕业设计论文DOC.docx
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家用燃气报警器毕业设计论文DOC
学校代码：
10128
学号：
200810107021
本科毕业设计说明书
（
题目：
家用燃气泄漏报警装置的设计
学生姓名：
学院：
机械学院
系别：
测控系
专业：
测控技术与仪器
班级：
测控08-1
指导教师：
高级实验师
二0一二年六月
摘要
燃气（人工煤气、天然气）的普及，为市民提供了方便，也提高市民的生活质量，但是任何事物都有它的两面性，在使用燃气的过程中，因燃气泄漏等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用燃气，是不可忽视的一个重中之重的工作。
家用燃气泄漏报警装置能有效监测环境中可燃气体（如CH4）的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，并且能随着浓度的增加报警音量逐渐加大，能及时起到安全防范的作用。
本设计所研究的可燃性气体报警系统包括：
气体信号采集电路、调理电路、模数转化电路、单片机系统电路、报警电路组成，首先利用传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，选择合适的放大电路，将电压放大到A/D所要求的电压，经过模数转换，将检测的电压值送入单片机，在单片机内完成与设定的电压信号进行比较，当气体浓度超标时，驱动声音和灯光报警。
关键词：
传感器；报警器；单片机
Abstract
WiththepopularityofGas,forexample（artificialcoalgas,naturalgas）,Itisprovideaconvenienttocitizensandimprovethequalityoflives,Buteverycoinhasitstwosides,attheuseofgasintheprocess,gasexplosioncausedbygasleak,Sothatpoisoningandotheraccidentshaveoccurred,Itisharmforpeopleandpropertyandbringstheseriouslythreattothesafeuseofgasatthesametime,TheDomesticgasleakagealarmdevicecaneffectivelymonitortheenvironmentofcombustiblegases（suchasCH4）leakage,Onceitsconcentrationbeyondthealarmlimitvalue,cansendoutsoundandlightalarmsignals,andwiththeincreasingconcentrationofalarmvolumeincreasedgradually,Thealarmplaysasignificantrole.thesensorespeciallygassensorsusageanduseresearchareneeded.
Thedesignandresearchofthefamilygasalarmsystemincludes:
gassignalacquisitioncircuit,analog-to-digitalconversionelectriccontrolcircuit,Thesignalsaremonitoredandconvertedintovoltagesignal,selecttheappropriateamplificationcircuit,thevoltageamplificationtotherequirementoftheA/Dvoltage,afteranalog-digitalconversion,thedetectedvoltagevalueintothemicrocontroller,intheMCUcompletedwithinthevoltagesignaliscomparedwiththeset,whenthegasconcentrationexceedthestandard,drivethesoundandlightalarm.
Keywords:
sensor；alarm；SCM
图表清单
引言
随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行，目前家家户户做饭离不开煤气、天然气，一旦泄露后果不堪设想，每年，因煤气泄漏引发的中毒事件，或因室内燃气泄漏浓度过高引起的爆炸，类似的事件也不少见。
该设计装置可避免悲剧的发生，同时它又非常实用，具有良好的市场前景。
本设计是一种实用的燃气泄漏报警装置，首先是气体浓度检测，并对气体浓度信号进行放大处理，经过A/D转换，将转换后的数字信号送入单片机，由单片机系统完成对气体浓度的显示以及报警功能，报警电路由蜂鸣器和二极管组成，显示电路由7407反相器驱动显示。
家用燃气的主要成分是CH4，设计中传感器的选择是首要任务，经过市场调查，选取灵敏度高和性价比比较高的MC101传感器。
在产品技术含量上，国内产品和国外产品差别不是很大，在一些指标上也有一定的超越，但是产品的大规模化生产才刚起步，需要积累经验和技术，所以在产品的一致性和长期稳定性存在差距，国内正在扩大发展大型企业和集团，以便带领国内企业冲击国外市场。
第一章概述
1.1家用燃气泄露报警的概述
燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，它是安全使燃气的不可或缺一道保护。
本设计中传感器的选择和单片机是设计的核心，可燃气体报警器的探测可燃气体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。
这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变、经过单片机处理后实现报警功能。
燃气泄漏报警器由气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过信号采样电路，将探测信号用模数转化电路转换成单片机可识别的数字量，当可燃气体浓度超过单片机控制设定的值时，控制器通过执行器或执行电路发出声光报警信号。
1.2家用燃气泄露报警的发展
目前，气体传感器的集中表现为：
一是提高传感器灵敏度和工作性能，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，如日本费加罗公司提出了检测（0.1-10*106硫化氢低功耗气体传感器，美国GneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，实现了多功能化，智能化，气敏元件传感器作为新型气敏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现状是：
①烧结型气敏元件仍是市场的主流。
②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。
③低功耗气敏元件已从产品研究进入中试。
④国内气敏元件传感器产量已经超过“九五”初期的400万支。
总的说来，我国的安防报警产品才刚刚起步，无论从产品的技术含量、产品系列完整性、使用性、还是社会影响程度都是相当低的。
国外的产品和品牌占领了我国的大部分市场，所以我们应该抓住机遇，迎接挑战，庆幸的是国营企业，民营企业经过几次产品的更新换代，为安防报警产品的技术提供了新的活力与动力，随着更多企业更大程度的投入安防产品的开发，使得我们夺回了很多产品的国内市场，同时也整装待发，向海外市场提出挑战。
1.3家用燃气泄露报警研究的目的与意义
燃气的泄露，给市民的生活带来了不便，严重影响了生命安全，如果采用燃气报警就能得到及时的警钟，有关部门专家经过长期测试，燃气报警器能防止泄露造成的事故发生的有效率达95%以上。
面对这种隐形杀手的威胁，因此，无论是从中国企业的发展战略，还是为了维护家家户户一个平安的生活切身利益，都急需探究一款高效稳定的安防产品。
在改革开放的30多年间，我国有很多企业不断发展壮大，已成为具有世界竞争力的世界级企业，但也有很多以前成功的企业现在却失败了，总结我国成功企业战略管理的成功经验，分析失败企业的教训，加以推广，对于解决我国企业当前和未来所面临的问题与挑战，单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日长生活中需要测量和控制的一个重要问题，为了防止中毒事件再次发生，利用单片机系统进行有效的预防对策。
所以提高新的燃气报警产品有重要的实践意义，怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。
只有这样才能够在解释中国情景上形成新的理论，丰富或者补充国际上对新兴市场、经济带来的挑战。
第二章燃气检测传感器的选择
2.1气体传感器的选型
气体传感器是能将被测气体的浓度、类别和成分按一定规律转换成一定关系的电量输出的装置。
通过电信号的大小可以获得待测气体的相关信息，从而可以进行检测、监控和报警。
它是气—电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化为电压或者电流信号，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、及报警控制等工作。
气体传感器作为气体浓度信号采集部分，是整个设计的核心之一，所以气体传感器选型是首要工作。
2.1.1气体传感器介绍
2.1.1.1气体传感器的分类
气体传感器种类繁多，从检测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：
如半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器。
2利用物理性质的气体传感器：
如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器。
3利用电化学性质的气体传感器：
如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。
2.1.1.2气体传感器应满足的基本条件
1能选择性的检测单一性气体，而对共存的其他气体不相应或低相应；
2能对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；
3对检测信号相应速度快，重复性好；
4长期工作稳定性好；
5使用寿命长；
6制造成本低，使用与维护方便。
2.1.1.3常见气体传感器简介
1半导体气体传感器
半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作匡气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。
自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由十具有灵敏度高、响应快、输庄信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应几。
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。
按贬敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。
2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作为气敏兀件，其厚理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。
由十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，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。
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接触燃烧式传感器
可燃性气体与空气中的氧接触，发生氧化反应，产生反应热，使得作为敏感材料的铂丝温度升高，电阻值相应增大。
一般情况下，空气中的可燃气体的浓度都不太高。
可燃性气体可以完全燃烧，发热量与其浓度有关。
空气中可燃气体的浓度越大，氧化反应产生的热量就越多，铂丝的浓度变化越大，其电阻值增加就越多。
阴齿，只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值（△R）就可以检测空气中可燃气体的浓度。
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、材料表面声波传播进度和频率、材料重量等物理性能发生变化。
高分子气敏材料由十具有易拣作性、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雨波器件相结合，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
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。
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（大约两年）。
它主要适用十毒性气体检测。
目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。
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十目标气体中，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，而对十一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。
7红外传感器
红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量兀件内的目标气体，参考光束通过比较兀件内的参考气体。
在测量和比较兀件中，红外射线被气体有选择地吸收了。
未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比十目标气体浓度的差分信号。
非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。
不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2，冷冻剂厌恶和一些易燃气，由于非碳氢化合物易燃气体（如氢）不吸收电磁普中IR部分能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并且有最小的交叉灵敏度，而且不受其他气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。
2.1.1.4常见气体传感器可检测气体种类
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，通常只能检测一种或者两种特定性质的气体。
例如氧化物半导体气敏传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。
固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。
简要例举出已经研究、开发的各类气体传感器及其可检测的气体种类
表2-1各种气体传感器可检测的气体种类
传感器的种类
ＣＯ
CO2
H2s
NH3
HCN
HCl
CO
Cl2
Cl2
NOx
SO2
O2
CH4
C2H2
H2
H2O
半导体气体传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
○
固体电解质传感器
○
○
○
○
○
催化燃烧式传感器
◎
○
○
○
电化学传感器
○
○
○
○
○
○
○
○
高分子电解质气体传感器
◎
○
○
○
○
2.2.2气体传感器的主要参数和特性
①灵敏度
灵敏度是气敏传感器的一个重要参数，用K表示，它标志着气敏元件对气体的灵敏程度。
用K表示，用其阻值变化量△R与气体浓度变化量△P之比表示。
②响应时间
气敏传感器的响应时间是指在工作温度下气敏元件对被测气体的响应速度。
从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到新的恒定值所需要的响应时间。
③选择性
气敏传感器在相同条件下，接触同一浓度、不同种类气体是，区分气体种类的能力成为选择性，传感器催某种气体的选择性好，就表示传感器对它有较高的的灵敏度。
④稳定性
当检测的气体浓度不变时，气敏元件的输出也应保持不变，单实际情况会受其他条件变化的影响而发生变化，这种在其他条件发生变化时气敏元件输出特性保持不变的能力称为稳定性。
⑤温度特性
气敏元件的特性岁温度变化儿发生变化的特性称为温度特性。
元件自身温度对灵敏度的影响相当大，解决这个问题的措施之一就是用温度补偿法。
⑥湿度特性
气敏元件的特性岁环境湿度不同而发生变化的特性称为湿度特性。
⑦电压特性
气敏元件的灵敏度随电压变化的特性称为电源电压特性。
2.2.2气体传感器的选定
根据传感器的主要参数和特性指标以及结合本设计所要求的检测浓度范围，选MC101作为本设计的传感器
2.2.3MC101介绍
2.2.3.1简介
MC101型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而正比例增大，补偿元件起到参比及温度补偿作用。
2.2.3.2MC101特点
桥路输出电压呈线性
响应速度快
具有良好的重复性、选择性
元件工作稳定、可靠
优异的抗H2S，有机硅中毒能力
表2-2MC101技术指标
产品型号
MC101
产品类型
载体催化气敏元件
标准封装
塑料封装
工作电压（V）
3.0±0.1
工作电流（mA）
110±10
灵敏度
（mV）
1%甲烷
25~50
1%丁烷
30~50
1%氢气
25~45
线形度（%）
5
测量范围（%）
0~100
响应时间（90%）
<10s
恢复时间（90%）
<30s
使用环境
-40~+70℃低于95%RH
保存环境
-20~+70℃低于95%RH
外形尺寸（mm）
12mm*8mm
2.2.3.3灵敏度、响应恢复特性
图2-1灵敏度特性图
图2-2响应恢复特性图
2.2.3.4输出信号随环境温度的变化
图2-3输出信号随环境温度的变化图
图2-4输出信号随环境温度的变化图
2.2.3.5输出信号随工作电压的变化
图2-5输出信号随工作电压的变化图
图2-6输出信号随工作电压的变化图
2.2.3.6基本测试电路
图2-7传感器基本测试电路图
第三章家用燃气泄露报警装置的硬件部分设计
3.1系统硬件电路总体设计
系统的工作原理是利用燃气传感器将可燃气浓度变换为mV级模拟电流信号，放大器把信号放大后，通过A/D转换器，变换成数字量送入单片机进行数据分析。
对其进行分别处理。
MC101催化燃烧式气体传感器主要是对CH4气体浓度进行精密的单项检测。
空气中的气体浓度信号同时进入单片机，单片机对其进行分析，并输出信号到显示器，当检测信号达到限定的预设值时，单片机将输出信号驱动报警，驱动蜂鸣器发出声响，报警LED发光。
燃气泄漏报警系统结构框图如图所示，该系统传感器和单片机是两大核心，他们共同配合完成气体信号采集、显示、生意及闪烁报警功能，系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，成本低，有利于减少报警器的体积。
使用AT89C51单片机，选用催化式气敏元件MC101作为敏感元件，通过A/D转换器和声光报警电路，设计可用于家用燃气泄漏报警器，仪器的最基本组成部分包括：
气体传感器，模数转化电路，AT89C51单片机，声光报警电路。
传感器将气体浓度信号转化为模拟的电信号。
经过放大电路，将传感器的输出端微弱信号转化为A/D转化器能识别的电压信号范围，单片机对该数字信号进行数字处理，并对处理后的数据进行分析，通过与预设值的比较，由单片机实现不同的声光报警功能。
3.2家用燃气报警器的功能
3.2.1声光报警功能
当传感器检测的气体浓度达到预设值时，蜂鸣器开始报警，声音≥70dB并随着浓度的增加报警音量逐渐加大，同时伴随红灯闪烁，通过有明显变化的信号引起人们的警觉意识。
3.2.2标准工作条件
3.2.2.1单片机的选择
图3-1燃气报警系统结构框图
单片机作为燃气泄漏报警的核心器件，一方面他要接受来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。
在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，在进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表检测人员能够观测到并进行相应处理。
同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。
3.2.2.2AT89C51单片机
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含4KB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MSC-51指令系统，片内置通用8位（CPU和Flash存储单元）功能强大。
3.2.2.3AT89C51的主要性能参数如下：
（1）与MSC-51产品指令系统完全兼容。
（2）4KB可重复擦写Flash闪速存储器。
（3）1000次擦写周期。
（4）三级加密程序存储器。
（5）128×8B内部RAM。
（6）32个可编程I/O口线。
（7）2个16位定时/计数器。
（8）6个中断源。
（9）可编程串行UART通道。
（10）低功耗空闲和掉电模式。
（11）全静态操纵：
AT89C51为0Hz~24MHz。
（12）AT89C51的工作电源电压为5V。
3.2.2.5引脚功能说明
P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1口：
P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序校验期间，P1口接收低8位地址。
P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可做输入口，做输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16为地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2）寄存器的内容），在整个访问期间不改变。
Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其他控制信号。
P3口：
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，他们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
做输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
3.2.2.6控制信号线
RST：
复位输入。
当振荡器工作室，RST引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以始终振荡频率1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
更注意的是：
每当访问外部数
升级会员 