室内煤气和天然气泄漏报警装置的设计毕业设计.docx

1、室内煤气和天然气泄漏报警装置的设计毕业设计室内煤气和天然气泄漏报警装置的设计摘要全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤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，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。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室内煤气泄露报警器实为必要之举。燃气报警器的核心是气体传感器及单片机。当气体传感器遇到燃气时，传感器电阻随燃气

2、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。本文正是通过分析目前燃气报警器的现状，设计制作室内故障监测报警系统，保障人们的生命财产安。关键词：煤气报警；煤气泄漏；传感器；监测THE DESIGN OF ALARM FOR GAS LEAKINGABSTRACTThe rapid development of the national gas industry, liquefi

3、ed gas, natural gas, coal gas and other city gas as a clean energy business and urban residents in users has been widely used, and gas industry has great potential. But with the extensive use of gas, due to gas leak caused an explosion, poisoning and fire accidents have also occ- urred to some exten

4、t, increased the citys insecurity and instability. In order for gas to better benefit the people, the benefit of the community, to reduce and eliminate all due to gas leak caused the explosion and fire, the gas unit and residential customers use to select a suitable indoor gas leak alarm is actually

5、 necessary move. Gas sensor is the core of combustible gas. When the gas face gas sensor, the sensor resistance change with gas concentration, the resulting electrical signal for processing of combustible gas line after the class. After dealing with electronic circuit into a voltage proportional to

6、the concentration change signal to be compensated by the linear circuit, the signal linearization, by computer processing, logical analysis, the output of various control signals, that is, when the gas concentration alarm set value , combustible gas audible alarm signal can display gas concentration

7、 or start an external transport equipment. It is through this analysis of the current status of combustible gas, indoor design fault monitoring alarm system to protect peoples lives and property.Key words:Gas Leak;Gas Alarm;Sensor;Monitoring总结附件11 绪论1.1 课题背景及目的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，对建筑的防火安全设计要

8、求也越来越高。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，特别是随着“两气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。以“西气东输工程”为开端的大规模天然气利用工程的实施，意味我国城市燃气将大踏步的进入“天然气时代”。我国天然气市场将迎来一个千戟难逄的机会，城市燃气需求的主要增长点将体现在天然气上。2000年党中央国务院提出“两部大开发”的重大战略部署，特别是2002 年“两气东输”第一期工程正式开工。这无疑为发展两部地区的燃气产业带来历史性的机遇。西气东输工程，在西部优势资源和东部广阔市场之间建立起了一座“金桥”，西气东输

9、工程投入使用后，每年供应长江三角洲地区100亿立方米天然气。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具名的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛使用，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”，进一步说明了及吋报警的重要性，在家庭里也是如此。一旦发生火灾，提早报警，可以及时将火扑灭，以免小火酿成大火灾。目前常用的有感烟、感温和可燃气体火灾报警器。像家庭中使用煤

10、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，但出现漏气或者着火时，报警器能够立即鸣笛报警，告之文人及时采取措施。室内煤气、天然气的泄漏严重危害人的生命健康以及性命财产安全，基于此现实，本设计旨在为家庭用户设计一种能够检测煤气、天然气泄漏的装置，从而减少因煤气和天然气的泄漏造成的事故的发生概率，进而保证人民的生命财产安全，减少不必要的损失。本设计用传感器检测室内煤气、天然气的基本状态，并将气体浓度信号转换为电信号，电信号进入单片机，单片机对信号进行处理。当室内煤气、天然气达到一定浓度时，该装置发出声光报警信号，提醒用户燃气泄漏，采取相应的应对措施。通过本系统设计，使学生能对自己所学专

11、业知识加以综合运用，了解和掌握实际应用系统的设计、实现及应用的整个过程。1.2 国内外研究状况当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在1996年2002年就煤气报警器的年均增长率为2730。在这些方面，国内应该增强安全意识增强。日本早在1980

12、年1月开始实施安装城市煤气、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料及出尽基本方针。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、等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。1.3 设计内容级研究方法本设计计划按以下思路展开研究：A根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号釆集放大，信号处理控 制，系统设置报警三个部分。（1）信号釆集部分即通过气体传感器检测室内气体浓度，将这种变化量转化成电压模拟量的变化，然后通过运放进

13、行必要的放大。（2）信号处理部分是将采集到的模拟信号转换成数字信号，送入进行处理，并将处理过的信号送存储器保存和送显示器显示。（3）系统设置报警部分是通过预定控制方式并利用蜂鸣器报警实现系统的准确操作。 B根据上面所说的思路，得到如下一些基本的结论（1） 信号釆集部分为了能准确釆集到气体浓度的变化应选用半导体气体传感器，为使其 有效的检测室内气体浓度，釆用电阻型半导体气体传感器：而放大部分使用运放进行比例 和反相两级放大。（2）信号处理部分为了实现精确控制，釆用单片机较为合适。将模拟信号送A/D模块进行数模转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。（3）系统设置报警部分可以考虑蜂鸣器报警。2

14、 系统方案及模块设计2.1 设计思路用相应的气体传感器检测室内煤气、天然气的基本状态，并将气体浓度信号转换为电信号。通过信号处理电路将有无气体泄漏两种状态转换成高低电平，并将些电平通过单片机I/O接口传入单片机，通过单片机编程控制报警电路的工作状态。室温显示部分通过DS18B20温度传感器，将室内温度值转换为16位二进制数，通过单片机I/O接口传入单片机，并通过编程在七段数码管上显示出当前温度值。2.2 设计框图如下图2.1所示：（1）气体检测模块：主要有气体传感器及LM358组成，其作用是将煤气、天然气的泄漏与否转换为利于单片机识别的高低电平，并将此信号传到单片机。（2）声光报警模块：由蜂鸣

15、器和LED构成。其作用是当检测到有煤气、天然气泄漏时，发出声光报警信号，提醒用户有煤气、天然气泄漏，采取相应措施。（3）温度检测模块：由DS18B20温度传感器构成，DS18B20将检测到的温度值转换成二进制数，并传到单片机进行处理。（4）温度显示模块：主要由74LS245和4位数码管组成，其作用是显示当前温度值。（5）主控模块：即单片机AT89C51，其作用是根据气体检测模块输出的高低电平，控制声光报警模块的工作状态，并完成温度的采集及显示功能。图2.1 设计思路框图2.3 系统模块设计2.3.1 气体浓度检测模块传感器是能把实测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号输出的装置。传感

16、器主要是由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分，如下图3.1.1所示。 敏感元件：敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是传感器中能直接感受被测量的部分。传感元件：又称为转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。传感器按工作原理可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器等。在这个设计中先把煤气。天然气气体传感器以以属于电阻式传感器，传感器型号为MQ-7。MQ-7能够同时检测煤气和天然气两种气体，与分别用两种气体传感器检测相比，明显降低了设计成本。半导体一氧化碳传感器

17、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（SnO2）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测 一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。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。MQ-7气体传感器对一氧 化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。特点：对一氧化碳灵敏度高优异的稳定寿命长大的电信号输出优异的选择性应用：用于家庭、商业、工业环境的一氧化碳、煤气探测装置MQ-7适用气体： 一氧化碳CO 主要参数探测范围101000ppm 特征气

18、体100ppm一氧化碳 灵敏度 R in air/R in typical gas5 敏感体电阻 1K20K in 100ppm CO 响应时间 150s（70% Response） 恢复时间 150s（70% Response） 加热电阻 313 加热电流 加热电压 5.0V0.2V/1.5V0.1V 加热功率 约350mW 测量电压 24V MQ-7工作条件 环境温度：-20+55 湿度：95%RH 环境含氧量：21% MQ-7贮存条件 温度: -20+70 湿度:70%RH A 一氧化碳传感器MQ-7工作原理：传感器的表面电阻为，对被测信号（一氧化碳）浓度的测量是通过与其串联的负载电阻上

19、的有效电压信号侵夺遭遇惹得的。两者之间的关系为：。MQ-7型气敏元件的敏感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。B 一氧化碳传感器MQ-7灵敏度调整：MQ-7型气敏器件对不同各类、不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏器件时，在灵敏度的调整是很重要的。当精确测量时：报警点的设定应考虑温、湿度的影响。灵敏度的调整程序：（1）将传感器连接在应用回路中；（2）接通电源，通电老化48h以上；（3）调整负载电阻至获得对应于某一个一氧化碳浓度时所需要的信号值。2.3.2 温度检测与显示模块由DS18B20温度传感器构成，DS18B20

20、将检测到的温度值转换成二进制数，并传到单片机进行处理。DS18B20温度传感器简介：特性：（1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。 （2）测温范围-55+125，最大精度0.0625。 （3）只通过一条数据线即可实现通信。 （4）每个DS1820器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该传感器。 （5）内部有温度上、下限告警功能。操作简介：DS18B20工作时需要接收特定的指令来完成相应功能（指令，可以简单的理解为可以被识别并有相应意义的一系列高低电平信号），它的指令可分为ROM指令和RAM指令；ROM指令主要对其内部的ROM进行操作，如查所使用DS18B20的序列号

21、等，如果只使用一个DS18B20，ROM操作一般就可以直接跳过了；RAM指令主要是完成对其内RAM中的数据进行操作，如让其开始进行数据采集、读数据等。DS18B20数字温度传感器是单总线器件，数据的读写只通过一条数据线进行并且这一条线上允许挂很多该传感器；这样对器件进行读写指令时就会麻烦一些，必须应用特定时序来识别高低电平信号（如写高电平1，并不是把数据线直接拉高，而是用有一定时序关系的高低电平来代表写1），所以指令表中的0、1在写给DS18B20时就得变成代表0、1电平的时序段序列。同样，从DS18B20读数据时，也是由特定的时序来完成数据读取。DS18B20的工作过程：1.复位操作 2.执

22、行ROM操作的5条指令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。 3.存储器操作命令：温度转换、读取温度、设定上下限温度值等指令 4.读取温度数据：主机读取温度数据后进行数据处理。 可以初始化数据精度，按芯片手册写入固定指令。数据位数可设置成9、10、11、12位，其中7位为温度整数部分，1位表示温度正负，其余位数为小数。如9位数据时，有1位为小数，精度为0.5。指令功能介绍： （1）ROM操作指令： 读ROM指令 ：Read ROM 33h 这个命令允许总线控制器读到DS18B20 的8 位系列编码、唯一的序列号和8 位CRC 码。只有在总线上存在单只

23、DS18B20 的时候才能使用这个命令。如果总上有不止一个从机，当所有从机试图同时传送信号时就会发生数据冲突（漏极开路连在一起开成相与的效果）。 匹配ROM指令 :Match ROM 55h 匹配ROM 命令，后跟64 位ROM 序列，让总线控制器在多点总线上定位一只特定的DS18B20。只有和64 位ROM 序列完全匹配的DS18B20 才能响应随后的存储器操作命令。所有和64 位ROM序列不匹配的从机都将等待复位脉冲。这条命令在总线上有单个或多个器件时都可以使用。 跳过ROM指令:Skip ROM CCh 这条命令允许总线控制器不用提供64 位ROM 编码就使用存储器操作命令，在单点总线情

24、况下右以节省时间。如果总线上不止一个从机，在Skip ROM 命令之后跟着发一条读命令，由于多个从机同时传送信号，总线上就会发生数据冲突（漏极开路下拉效果相当于相与）。 搜索ROM指令:Search ROM F0h 当一个系统初次启动时，总线控制器可能并不知道单线总线上有多少器件或它们的64 位ROM编码。搜索ROM 命令允许总线控制器用排除法识别总线上的所有从机的64 位编码。 报警搜索指令:Alarm Search ECh 这条命令的流程图和Search ROM 相同。然而，只有在最近一次测温后遇到符合报警条件的情况，DS18B20 才会响应这条命令。报警条件定义为温度高于TH 或低于TL

25、。只要DS18B20 不掉电，报警状态将一直保持，直到再一次测得的温度值达不到报警条件。复位时序:DS18B20 需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型：复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0 和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。和DS18B20 间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序列见上图。一个复位脉冲跟着一个存在脉冲表明DS18B20 已经准备好发送和接收数据（适当的ROM 命令和存储器操作命令）。显示部分主要由74LS245和4位七段数码管组成，其作用是显示当前温度值。74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路

26、同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。由于P2口始终输出地址的高8位，接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地，P2口与驱动器输入线对应相连。P0口与74LS245输入端相连,E端接地，保证数据线畅通。8051的/RD和/PSEN相与后接DIR，使得RD且PSEN有效

27、时，74LS245输入（P0.1D1），其它时间处于输出（P0.1D1）。2.3.3主控制模块主控制模块即单片机模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个功能模块，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存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1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，

28、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，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C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。外形及引脚排列如图所示 AT89C51外形及引脚排列。主要性能参数：（1）与MCS-51 兼容（2）4K字节可编程FLASH存储器（3）寿命：1000写/擦循环（4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0Hz-24MHz（6）三级程序存储器锁定（7）1288位内部RAM（8）32可编程I/O线（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源（1

29、1）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式（13）片内振荡器和时钟电路图2.2 AT89C51引脚图2.3.4 声光报警模块此模块主要由蜂鸣器、LED灯组成 ，在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供报警服务。在这个时候，用户可以自行关闭煤气，并通过对房间通风来解决。 3 硬件电路设计3.1 气体检测模块的设计 信号调节与转换 传感元件 敏感元件 辅助电源 图 3.1传感器工作原理图 （1）气体检测模块电路由于Protues软件元件库中没有MQ-7气体传感器，由于MQ-7气体传感器两信号输出端为电阻信号，由附录A中的MQ-7灵敏度特殊性可得Rs阻值范围为2-20K，所以仿真时MQ-

30、7气体传感器由20K滑动变阻器代替。当没有煤气、天然气泄漏时，Rs的阻值应该在20K左右，此时该气体检测模块的输出端为高电平，此时LED发光。当有煤气、天然气泄漏时，Rs的阻值应该在2K左右，此时该气体检测模块的输出端为低电平，此时LED熄灭。 图3.2 气体检测模块原理图 （2）气体检测模块调试按照电路图在面板上搭接气体检测模块电路，该模块输出通过100K限流电阻接LED正端，该LED负责拼接接地。当MQ-7传感器端不加气体时，此时LED点亮，说明此时输出为高电平；当MQ-7传感器端加气体时，此时LED熄灭，说明此时输出为低电平。刚上电时就在MQ-7端加气体，此时LED不熄灭，原因是RC延时

31、电路起作用，防止误报现象的发生；在1min左右之后，在MQ-7传感器端加气体，此时LED熄灭，开机延迟时间约为1min，该调试结果符合设计要求。3.2 温度检测与显示模块的设计DS18B20在编程时有严格的时序要求，因些在编程过程中要多加注意，以下为DS18B20典型工作时序简介。 （1）复位时序 使用DS18B20时，首先需将其复位，然后才能执行其他指令。复位时，主机将数据线激发为低电平并保持480960s，然后释放数据线，再由上拉电阻将数据线拉升1560s。然后再由DS18B20发出响应信号，以将数据线激发成低电平60240s，这样，就完成了复位操作。其复位时序如图3.3所示。图3.3 DS18B20复位时序图（2）写时序在主机对DS18B20时，主机对DS18B20发送各种命令时，先将数据线激发为低电平，该低电平应大于1s。然后根据写“1”或者“0”来使数据线变高或继续为低。DS18B20将在数据线变成低电平后1560s对数据线进行采样。要求写入DS18B20的数据持续时间应大于60s而小于120s，两次写数据之间的时间间隔应大于1s。写时隙的时序如图3.4所示。图3.4 写时序图 （3）读时序 当主机从DS18B20读数据时，高机先向数据线