家庭厨房煤气泄漏检测监控系统设计.docx

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家庭厨房煤气泄漏检测监控系统设计

摘要

随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。

一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。

由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。

本论文主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。

通过虚拟仪器LabVIEW进行控制之后，再通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制;程序实时监测系统状态。

关键词：

气体传感器，单片机，数据采集，LabVIEW

目　录

第一章绪论1

1.1论文研究来源、目的和意义1

1.1.1论文研究来源2

1.1.2论文研究目的和意义2

1.2可燃性气体报警器的国内外现状3

1.3本论文主要任务3

第二章煤气泄露自动测试总体设计4

2.1设计要求5

2.1.1煤气泄露测试的功能5

2.1.2煤气泄露测试系统框图5

2.1.2煤气泄露测试的各个功能模块6

2.2设计原理7

2.2.1气体传感器介绍7

2.2.2气体传感器的选定7

2.3数据处理8

2.3.1传感器非线性信号处理9

2.3.2数字滤波处理9

第三章煤气泄露自动测试硬件设计9

3.1温度补偿电路11

3.1.1OP07低噪声高精度运算放大器11

3.1.2温度补偿12

3.2模/数转换器ADC080912

3.2.1ADC0809的介绍12

3.2.2引脚功能13

3.2.3主要特性14

3.3单片机AT89C51的概述15

3.3.1AT89C51简介15

3.3.2主要性能参数15

3.3.3管脚说明16

3.4声光报警与LED显示19

3.4.1声光报警单元19

3.4.2LED显示20

3.5排气扇控制系统与切断阀21

3.5.1光电隔离器21

3.5.2继电器选择22

3.5.3光电隔离电路23

第四章接口总线22

4.1RS-232接口总线22

结　论24

谢辞25

参考文献26

第一章绪论

1.1论文研究来源、目的和意义

1.1.1论文研究来源

随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。

但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。

可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。

为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，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，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。

1.1.2论文研究目的和意义

可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等[1]。

这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。

可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。

该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。

可燃性气体报警器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项，它归类于物理化学计量器具。

《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）第10.3.2条明确规定:

“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。

2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准（GB15322-2003）《可燃气体探测器》，2004年10月国家颁布《可燃气体检测报警器规程JJG693-2004》，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。

目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。

如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。

随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。

近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。

到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。

可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。

1.2可燃性气体报警器的国内外现状

国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。

据有关统计，美国1996年~2002年气体传感器年均增长率为27%~30%。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。

1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。

我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。

但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。

近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。

燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。

（1）民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。

有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

（2）工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。

工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。

检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。

若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。

控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。

探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。

当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。

此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。

1.3本论文主要任务

本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。

数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；数据传输模块将检测信号传输到计算机;计算机I/O接口为计算机与外部数据连接的硬件支持。

当数据进入计算机后，在LabVIEW平台上，经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过计算机I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。

第2章煤气泄露自动测试总体设计

2.1设计要求

2.1.1煤气泄露测试的功能

在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。

为了实现以上功能：

系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、输入键盘、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。

2.1.2煤气泄露测试系统框图

图2-1系统框图

系统工作流程为:

由装在室内的CO传感器获得被测量对象（室内CO浓度）原始信号,经过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号，进入A/D转换,得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据处理,得到最终的室内环境CO浓度值,将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇,如果超出下限值，切断阀关闭，并开始进入危险期计时,如果发现环境中一氧化碳浓度长时间处于危险状态,则有可能排气扇未能打开,或者房间发生严重CO泄露事故,此时启动预警信号进行语音报警提示,提示室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。

如果系统接有上位机工作的话,可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设置,并可定时地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值,进行二次处理加工或存入数据库永久保存。

具体技术指标如下：

应用范围：

工业生产和人民生活中的CO检测；

检测对象：

CO及他们的混合气体；

检测范围：

CO:

0～1000ppm；

检测精度：

CO优于20ppm；

报警浓度：

100ppm～300ppm

响应时间：

≤30ms；

电池电压：

+12V；

工作温度范围：

-20～+70℃；

工作湿度范围：

10～95%RH。

2.1.2煤气泄露测试的各个功能模块

在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统还应该具备人机交互界面、与计算机通信端口。

为了实现以上功能：

系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。

2.2设计原理

2.2.1气体传感器介绍

1.气体传感器是气体与气味检测的关键元件。

根据其气敏特性，气体传感器可以分为六大类：

（1）半导体气体传感器。

（2）固体电解质气体传感器。

（3）接触感染式气体传感器。

（4）电化学式气体传感器。

（5）光学式气体传感器。

（6）高分子气体传感器。

2.气体传感器应满足的基本条件

一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：

（1）能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。

（2）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）对检测信号响应速度快，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。

2.2.2气体传感器的选定

气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。

CO气体传感器属于气敏传感器，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。

传感器作为煤气泄露测试装置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，传感器的选型是非常重要的。

由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测,本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大致范围,结合国家环境空气质量标（GB3095—1996）规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化碳气体传感器,MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器，作为CO敏感元件，对CO响应的选择性好，并具有灵敏度高，稳定性好等特点在信号采集的同时加以温度补偿。

它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,而且硅膜减少热传导的热损失,从而大大降低了功耗。

图2-2传感器管脚与基本测量电路图

其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,其工作原理是把传感器置于CO气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。

图2—2（b）为取得传感器输出信号的基本电路图,Vh为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联接到工作电压VCC两端,由此可得关系:

VRL=RL·VCC/（RL+RS）

传感器阻值RS随着CO浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。

MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：

测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨率为1PPM，工作温度-20～70°，零点漂移为PPM<10。

2.3数据处理

2.3.1传感器非线性信号处理

人们使用传感器时总希望传感器的输出量和它所测量的输入量呈线性关系,但由于传感器内部因素和测量误差等原因,传感器的输入—输出特性在整个测量范围内往往不是严格的直线关系。

在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号,为了真实地反映被测量的CO浓度值,需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓度与采集电压之间的关系作一个误差尽可能小的标定,依据此标定关系,将测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的CO浓度值。

本系统采用的是分段插值法来对系统测量值和目标值进行标定的。

2.3.2数字滤波处理

数字滤波的方法有很多种,可以根据不同的测量参数进行选择。

下面介绍几种常用得数字滤波法：

1.程序判断滤波

2.中值滤波

3.算术平均值滤波

4.滑动平均滤波

5.RC低通数字滤波

6.加权平均值滤波

本文采用的是中值滤波法,下面主要介绍中值滤波法：

所谓中值滤波是对某一参数连续采样N次（一般N取奇数）,然后把N次的采样值从小到大（或从大到小）排队,再取中间值作为本次采样值中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效.若变量变化比较缓慢,则采用中值滤波效果比较好,但对快速变化的参数,如流量,则不宜使用。

中值滤波程序设计的实质是:

首先把N个采样值从小到大（或从大到小）进行排队,然后再取中间值。

N个数据按大小排序的具体做法是两两进行比较,设R0为存放数据区首地址,先将（（R0））与（（R0）+1）进行比较,若（（R0））<（（R0）+1）,则不交换存放位置,否则将两数位置对调。

继而再取（（R0）+1）与（（R0）+2）比较,判断方法同前,直到最大数沉底为止。

然后再重新进行比较,把次大值放在N-1位上………如此做下去,则可将N个数从小到大顺序排列。

第3章煤气泄露自动测试硬件设计

3.1温度补偿电路

3.1.1OP07低噪声高精度运算放大器

OP07高精度运算放大器具有极低的输入失调电压，极低的失调电压温漂，非常低的输入噪声电压幅度及长期稳定等特点。

可广泛应用于稳定积分、精密绝对值电路、比较器及微弱信号的精确放大，尤其适应于宇航、军工及要求微型化、高可靠的精密仪器仪表中。

特点是失调电压为10μv，失调电压温度系数为0.2μv/℃，长期稳定度为0.2μv/月，无需调零，无需外补偿和外接保护元件。

最显著的特点是：

1.该器件具有优异的抗静电能力，静电损伤阈值电压大于4000V（普通OP07的静电损伤阈值电压约为700-1000V）。

2.由于增加了保护电路，改善了器件的抗电浪涌性能。

3.具有更低的输入失调电压，典型值约为几个微伏。

4.两个运算放大器的参数一致性好。

5.采用A型外壳封装（表贴形式）,外形尺寸为10.3mmＸ7.9mm,小于两个单片OP-07运算放大器的体积,节约了安装空间。

6.管脚功能排列标准化,与OPA2277、OP727管脚功能排列相同。

主要应用于电子系统前置放大、误差放大、直流信号放大、直接耦合放大、仪表放大器、双路匹配放大等要求高精度、低漂移、高可靠及抗静电等信号处理的场合。

2.　特点

（1）低的输入噪声电压幅度—0.35μVP-P（0.1Hz～10Hz）

（2）极低的输入失调电压—10μV

（3）极低的输入失调电压温漂—0.2μV/℃

（4）具有长期的稳定性—0.2μV/月

（5）低的输入偏置电流—±1nA

（6）高的共模抑制比—126dB

（7）宽的共模输入电压范围—±14V

（8）宽的电源电压范围—±3V～±22V

（9）可替代725、108A、741、AD510等电路

3.1.2温度补偿

如图3-1所示为温度补偿电路

图3-1温度补偿电路

3.2模/数转换器ADC0809

3.2.1ADC0809的介绍

ADC0809具有8个通道的模拟输入线（IN0～IN7），可在程序控制下对任意通道进行A/D转换，获得8位二进制数字量（D7～D0）。

模拟输入部分有8路多路开关，可由3位地址输入ADDA、ADDB、ADDC的不同组合来选择，ALE为地址锁存信号，高电平有效，锁存这三条地址输入信号。

主体部分是采用逐次逼近式的A/D转换电路，由CLK控制的内部电路的工作,START为启动命令，高电平有效，启动ADC0809内部的A/D转换，当转换完成，输出信号EOC有效，OE为输出允许信号，高电平有效，打开输出三态缓冲器,把转换后的结果送DB。

ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。

因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。

输入输出与TTL兼容。

3.2.2引脚功能

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

D0～D7：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存选通信号，输入高电平有效。

START：

A／D转换启动信号，输入高电平有效。

EOC：

A／D转换结束信号，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入高电平有效。

当A／D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压输入端,它们决定了输入模拟电压的最大值和最小值.

VCC：

电源，接＋5V。

GND:

接地。

图3-2ADC0809管脚图

3.2.3主要特性

1.8路8位A／D转换器，即分辨率8位

2.具有转换起停控制端

3.转换时间为100μs

4.单个＋5V电源供电

5.模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准

6.工作温度范围为-40～＋85摄氏度

7.低功耗，约15mW

ADC0809的工作过程是：

当模拟量送至某一输入通道IN0后，CPU将标识该通道编码的三位地址信号经数据线或地址线输入到ADDC、ADDB、ADDA引脚上。

然后输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A／D转换完成，转换开始,EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

转换结束,OE输入高电平，EOC可作为中断请求信号,转换结束后，可通过执行IN指令，设法在输出允许OE脚上形成一个正脉冲，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

3.3单片机AT89C51的概述

3.3.1AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.3.2主要性能参数

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

功能特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM,32个I/O口线，两个16位定时器，一个5向量两级中断机构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0HZ的静辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.3.3管脚说明

VCC：

供电电压,接+5V电源正端。

VSS：

接地,接+5V电源地端。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信