可燃气体探测报警控制器论文.docx

1、可燃气体探测报警控制器论文可燃气体探测报警控制器毕业设计摘 要随着城市煤气、 天然气事业及化学工业的迅速发展, 易燃、 易爆的气体种类 和应用范围在不断增加, 这些易燃易爆气体在生产和使用过程中, 一旦发生泄露 将会引起中毒、 火灾、 爆炸等重大事故。 在人们对安全生产的重视程度和生产技 术手段不断提高的同时, 可燃气体监测报警器正广泛地应用在这些领域中。 可燃 气体探测报警器是预防易燃易爆气体在生产和使用过程中发生泄露的报警装置。 为了防止这类事故的发生, 装设可燃气体监测报警器是非常必要的, 可以及时发 现事故隐患,及早采取补救措施。本论文主要阐述了可燃气体监测报警器的软件和硬件设计。鉴于

2、单片机 AT89C51具有高集成度等优点, 开发设计了一种基于 AT89C51的可燃气体报警器, 为了提高系统的灵敏度和准确性,系统采用了一种十分稳定的传感器 MQ-2。该 报警器对可燃气体进行实时控制, 当可燃气体的浓度超过允许值时, 控制电路进 行报警 , 设计的可燃气体监测报警器具有性能稳定,测量准确等优点 .本设计的可燃性气体报警、 控制器可以检测空气中以烷类及一氧化碳气体为 主的多种可燃性气体的浓度, 实时显示浓度值, 当达到预先设定的上限报警设定 值时, 发出声音报警和控制信号, 以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关 安全装置。 该报警器可以实时、 准确检测可燃性气体, 并且可

3、以长时间可靠无误 的报警,具有很广泛的应用前景。关键词:报警器;传感器;单片机;蜂鸣器AbstractWith the city gas, natural gas utilities and the chemical industry is developing rapidly, flammable, explosive gas type and range of applications is increasing, the flammable and explosive gases in the process of production and use, in the event of

4、leakage will be caused by poisoning, fires, explosions and other major incidents. People of the importance of safety in production and the production of technical means to continuously improve, the combustible gas alarm monitoring is widely used in these areas. Combustible gas alarm monitoring is th

5、e prevention of explosive gas in the production and use of the leakage occurred during the alarm. In order to prevent the occurrence of such incidents, the installation of combustible gas alarm monitoring is essential to the timely detection of potential causes of accidents and take remedial measure

6、s.This paper elaborated on combustible gas alarm monitoring software and hardware design. Carbon monoxide alarm is designed based on AT89C51 with a high level of integration. In order to improve sensitivity and accuracy ,the electrochemical sensor is used. The carbon monoxide alarm is monitored on f

7、or real - time, when permitted vale of the concentration of carbon monoxide is exceeded,the control circuit will alarm, and it is program - controlled through external row fans and solenoid valve with . that this method is designed to monitor combustible gas alarm has a stable performance, accurate

8、measurement.Combustible gas alarm instrument designed detects alkyl combustible gas and carbon monoxide especially, and displays concentration on the instrument. When combustible gas reaches alarm threshold value, the instrument sends out sound and light alarm, The combustible gas alarm instrument h

9、as got past the test on the spot and got a satisfying result. Conclusion can be drawn that this kind of high efficiency combustible gas alarm instrument will have a wide application.Key words: alarm; sensor; single-chip;buzzer1 绪论 . 1 1.1 课题背景和意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 11.3 本论文的主要任务 . 错误!未定义书签。2.3 本章小结 .

10、 错误!未定义书签。3.7 本章小结 . 错误!未定义书签。1.1 课题背景和意义随着我国改革开放的不断深入, 工业化的发展, 人类的生活水平在不断地提高。 然而工作环境的污染却不断地在增加。 我们的生活环境中存在着各种各样的有毒有害, 易燃易爆气体, 从家用液化石油气、 城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的气体、 交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境, 影响人类的生存。 这些气体在带给人们能源、 生产生活提供方便的同时, 但是它们本身是有毒、 易燃的化学物品, 也给燃气燃具用户深深埋下了火灾、 中毒、 爆炸的隐患。 由于人们感官缺乏对各种可燃气体的感知, 特别是对可燃气体浓度的判断

11、能力是有限的, 因而研制出能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器就变得尤为必要。因此本论文拟设计一种可燃气体监测报警器, 用于监测空气中可燃气体的浓度, 并且能将气体的浓度显示在数码管上, 当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时,发出报警声音,从而能够保障人们自身和生产与生活的安全。随着城市煤气、 天然气事业及化学工业的迅速发展, 易燃、 易爆的气体种类和应用范围在不断增加, 这些易燃易爆气体在生产和使用过程中, 一旦发生泄漏将会引起中毒、 火灾、 爆炸等重大事故, 人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时,对生产技术手段也进行不断的提高, 研制一种新型、性能稳定、准确监测可燃性气体

12、报警控制器势在必行。而传统的模拟型可燃性气体报警控制器, 对于气体传感器的特性补偿、 修正, 采用匹配补偿传感器的硬件调整方式; 这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点, 但补偿拟合的范围窄, 匹配传感器的部件选择困难, 而难以获得较好的补偿、 修正效果。因此,本次设计采用了“探测器 +单片机控制电路”设计思路。本次设计采用以 AT89C51芯片为核心,用半导体陶瓷式气体传感器 MQ-2来检测外部气体浓度,结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。 AT89C51芯片具有功能强大,性价比高等一系列优点,适合产品大规模生产。同时,设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简单,实用性强,价格便

13、宜,安全性高等特点, 所以非常适合贮气仓库, 以及家庭等场所使用, 具有很高的实用价值。正是由于可燃性气体报警控制器对于安全生产的重要性, 国内外有众多厂家 研制、 生产这一产品。 从运用所学知识和实际意义出发, 研制一种固定式可燃性 气体报警控制器,它主要对以烷类气体为主的多种可燃性气体进行检测控制。 1.2 国内外研究现状在很多矿井的工作过程中, 以及家用沼气、 液化气灶的使用过程中, 都会出 现可燃气体泄露的情况, 而这种情况一旦发生, 就会引起爆炸或中毒, 会产生极 大的危害。目前已有的可燃气监测报警系统大概有以下几类:(1采用气敏传 感器,电源,信号转换电路,单片机,数码管显示,报警

14、器,发光二极管构成的 系统。 采用气敏探头为半导体式气敏传感器, 工作原理是随着探头附近可燃气体 浓度上升, 通电预热后的半导体构件对敏感气体的吸附作用, 内部化学反应加快, 气敏探头感应体电阻值呈指数率下降, 这种电阻的变化被信号转换电路将其转变 成可以测量的电信号。 将传感器电阻值的变化纳入方波产生器的时间常数, 影响 方波的宽度, 而方波宽度的变化直接和燃气浓度相关, 反映出是否有燃气泄露现 象。 设计在监测电路后级的单片机利用其内部定时器可精确测定方法宽度, 通过 公式计算即可计算出所探测到的燃气浓度参数。 并通过数码管显示出来, 当监测 浓度值超过预先设置的危险门限时, 立刻驱动报警

15、器工作。 该系统的优点所实现 的可燃气监测系统监测全面 , 性价比高 , 运行可靠。但要求计算精确。(2由监 测元件,放大电路,报警系统,显示系统组成。可燃气体监测报警系统的监测原 理主要有催化燃烧原理, 热导原理, 半导体原理和红外吸收原理等结合而成。 对 于大多数可燃气体监测报警器均是采用催化燃烧原理制造。 采用催化燃烧原理制 造的可燃气体报警器工作原理是依据平衡电桥, 这一平衡电桥其中一个桥臂为热 敏元件, 热敏元件的表面涂有催化剂, 当桥臂流过的空气含有易燃易爆物气体时, 有不平衡电信号输出, 根据信号大小可得到空气中易燃易爆物的含量。 当气体浓 度达到预先设置的报警值时, 仪器发出声

16、光报警。 该系统的优点所实现的可燃气 监测系统操作,控制策略简单 , 成本低。但易受环境因素影响测量值。由于本课题的目标是设计一种性价比高, 运行可靠, 低成本的可燃气体监测 报警器, 因此, 综合分析后决定采用以下方案。 此方案设计的可燃气体监测报警 器由稳压电源电路,数码管,单片机,传感器, A/D转换器,二极管,蜂鸣器构 成。1.3主要设计内容、功能及技术指标本设计为工业现场的一个完整的可燃气体探测报警系统,包含检测、传送、 处理和报警等部分。 设计主要应用于保护现场及操作者的安全, 提高现场安全度。 设计中需检测可燃气体(如 CO 等的浓度,并与设定的危险临界值比较,决定 是否报警。设

17、计主要内容计主要指标:(1浓度值检测设计范围为 00%50%;(2用十进制数码显示当前的实际浓度;(3设计显示危险登记;(4用语音实现报警。2 可燃气探测报警器的方案设计2.1具体方案设计由于可燃气监测报警器主要包括模数转换输入模块、 主处理模块、 显示模块、 报警模块等部分。主要做以下设计:(1 A/D转换器控制程序,要控制 A/D转换器能按照要求的时间分别对可燃 气监测传感器测得的结果进行数据的转换并传送给单片机。(2 数码管与单片机的接口电路控制程序,用数码管显示测得的浓度值。(3 发光二极管,蜂鸣器的控制程序,当超过设定浓度,进行声光报警 .(4 电路正常工作时绿灯闪烁。分析:此设计比

18、较全面、 完善, 而且电路简单实用, 设计到的模块比较简单, 利用高灵敏度的传感器, 对一氧化碳气体进行检测, 当气体浓度超过一定的限度 时,报警电路开始报警,同时启动换气扇电路,将超标气体浓度降低到正常值, 保证工厂的一切工作能够安全实施。鉴于此系统所要实现的功能,提出如下方案并进行分析。采用单个传感器检测可燃气体浓度, 将检测到的浓度结果通过浓度采集电路 转化成电压信号,若电压超过一定的限度,报警电路启动,利用 MCS-51单片机 控制声音报警。分析:此设计十分简单,也十分实用。虽然对可燃气体浓度的采集不是很精确,但报警方面已经十分符合生活必须。以 MCS-51系列单片机 AT89C205

19、1为核心,本着设计简单、调试方便、安 装灵活、安全可靠,节约成本的原则,完成该设计。智能可燃气体探测控制器主 要功能以及技术要求包括:(1对可燃气体进行检测,可燃气体浓度达到报警设定值时,应能报警。(2能设定可燃气体浓度报警值,范围在 1%-25%。(3 探测器的报警动作值与可燃气体浓度报警设定值之差不应超过3%LEL(4正常工作:绿灯闪烁,蜂鸣器不报警。(5可燃气体浓度超标范围报警应满足如下条件:在报警范围内,实行声、光(红色指示灯报警。从报警区移到干净空气区, 30秒内应正常显示。(6故障报警:传感器断路、短路时应发出与可燃气体浓度超标时有明显 区别的声、光(黄色指示灯报警。(7声、光设置

20、手动自检功能。(8浓度超限报警时,应能启动输出控制功能。分析:此设计的电路虽然功能齐全, 但电路整体结构比较复杂, 用到的元器 件较多,成本较高,涉及到的软硬件设计比较繁杂。通过对上述方案的比较, 综合各方面的性能, 方案一的整体设计比较清晰, 完善, 鉴于单片机 AT89C51具有高集成度等优点, 设计了一种基于 AT89C51的可 燃气体探测报警器, 为了提高系统的灵敏度和准确性, 采用了一种十分稳定的传 感器 MQ2, 传感器对可燃气体气体进行采集,将采集到的信号传送给模数转换器 ADC0809, 当气体浓度超过一定的限度时, 报警电路启动, 同时启动换气扇电路, 以降低超标气体浓度,达

21、到处理的措施。2.2 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。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, P

22、H3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

23、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 H2S YST-Au-WO3, NH3的 NH4CaCO3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

24、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

25、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

26、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。(3可燃气体传感器的选择可燃气体检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、 喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所, 根据报警器检测可燃气体 种类的要求, 一般选用接触燃烧式可燃气体传感器和半导体可燃气体传感器。使用接触燃烧式传感器, 其探

27、头的阻缓及中毒, 是不可避免的问题。 阻 缓是当在可燃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。因此, 经常对传感

28、器进行标定, 是保证其准确性的必要的途径。 一般连续使 用两个月后应对传感器进行量程校准, 这种经常性对传感器的维护, 无形中加大了工作人员的工作量,同时增加了报警器的维护成本。半导体可燃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的烟 雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器, 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。半导体可 燃气体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 。 经过对比上述两种可燃气体传感器的应用特性, 发现半导体可燃气体传感器 的优点更加突出:灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便

29、、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, 本设计采用半导体可燃气 体传感器作为报警器可燃气体信息采集部分的核心。 而在众多半导体气体传感器 中,本设计选用 MQ-2型烟雾传感器,这种型号的传感器不但具备一般半导体烟 雾传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。MQ-2是郑州炜盛电子科技有限公司生产的可燃气体传感器,对一氧化碳、 甲烷, 液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性。 具有长期的使用寿命和可 靠的稳定性, 驱动电路简单, 较大的电信号输出。 应用于家庭和生产环境下的一 氧化碳探测装置,适宜于一氧化碳、煤气,液化石油气等的探测。MQ-2型气敏元件

30、的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。 因此, 它具有优 秀的长期稳定性,在正常使用条件下,其使用寿命可达 5年。图 2-1给出了 MQ-2元件对不同气体的灵敏度特性。温度为 20摄氏度,湿度 为 65%,氧气浓度为 21%, RL=l0k, Ro 为 1000ppmLPG (液化石油气中气敏元件 电阻, Rs 为不同气体不同浓度下气敏元件电阻。 图 2-1 MQ-2灵敏度特性曲线 MQ-2工作原理:传感器的表面电阻 Rs 是通过与其串联的负载电阻 R L 上的有效电压信号 V RL输出而获得的。二者之间的关系为: 公式(3-1 图 2-2为负载测试曲线图,是利用测试回路测得在传感器由洁净空气

31、转移 至一氧化碳或甲烷气氛中时, RL 上的信号输出变化情况,输出信号的测定是在 一个完整的加热周期或在两个完整的加热周期内测得。 图 2-2 负载测试曲线图该传感器需要施加 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。MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示 (结构 A or 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 2-3 传感器的测试电路 图 2-4传感器外形2.3 可燃气体探测报警控制器的总体设计VcV H