家用煤气泄漏自动检测论文

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
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1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 (1)
1.1.2 论文研究目的和意义 (1)
1.2可燃性气体报警器的国内外现状 (2)
1.3本论文主要任务 (3)
第2章煤气泄漏自动检测总体设计 (4)
2.1煤气泄漏测试的功能 (4)
2.2煤气泄漏测试系统框图 (4)
第3章煤气泄漏自动检测硬件设计 (6)
3.1传感器 (6)
3.1.1气体传感器介绍 (6)
3.1.2气体传感器的选定 (6)
3.1.3传感器非线性信号处理 (7)
3.1.4温度补偿电路 (8)
3.1.5数字滤波处理 (9)
3.2模/数转换器 (10)
3.2.1 模/数转换器的介绍 (10)
3.2.2引脚功能 (11)
3.2.3主要特性 (12)
3.3单片机 (12)
3.3.1 单片机的简介 (12)
3.3.2主要性能参数 (13)
3.3.3管脚说明 (13)
3.4 声光报警与LED显示 (16)
3.4.1声光报警单元 (16)
3.4.2 LED显示 (17)
3.5排气扇控制系统与切断 (18)
3.5.1光电隔离器 (18)
3.5.2继电器选择 (19)
3.5.3光电隔离电路 (20)
第4章接口总线 (21)
第5章软件部分设计 (23)
5.1软件部分的设计 (23)
5.2主程序 (24)
5.3调零子程序 (25)
5.4显示子程序 (26)
5.5报警子程序 (29)
结论 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
第1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
随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行 煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。

每年因煤气泄漏造成的煤气中毒事故中 因使用热水器不当或产品本身的质量问题造成的一氧化碳中毒事故全国均有不少事例。

更有甚者 因室内煤气浓度过高引起煤气爆炸的事故也不少见。

所以 这样防止煤气中毒与爆炸已成为人们迫切需要。

家用燃气报警器更是时下所需 因为它更简捷易用 方便居民生活。

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 经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号 并通过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章煤气泄漏自动检测总体设计
2.1煤气泄漏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。

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。

2.2煤气泄漏测试系统框图
CO传感器温度补偿运算放大A/D转换单片机预警设置数码显示参数设置通信接口上机位光电隔离接口继电器切断器排气扇图 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至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。

第3章煤气泄漏自动检测硬件设计
3.1传感器
3.1.1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。

3.1.2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。

4213CO传感器4213基本测量电路VhVCCRLVss 图3.1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3-1
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。

3.1.3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。

3.1.4温度补偿电路
如图3-1所示为温度补偿电路 由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移,致使测量电路的输出产生零点漂移,漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏,使整机的可靠性下降。

为此,我们增加了温度补偿电路,其中RT为热敏电阻,RS 为传感器电阻。

3.4 声光报警与LED显示
3.4.1声光报警单元
作为煤气泄露测试装置，声光报警部分不可缺少，当检测到CO气体在空气中的所占的比例超标时，就应该通过声光方式发出警报，防止由于CO气体含量过高而发生的意外事故。

本设计中的声光报警部分包括蜂鸣器以及红、黄、绿三个LED报警指示灯。

声光报警表现形式如下： (１)绿色灯点亮表示传感器检测到CO气体，但没达到下限值，一切正常，此时红色和黄色熄灭，蜂鸣器不发声； (2)黄色灯点亮表示传感器检测到CO气体浓度超过下限值，但没有达到报警值，此时红色灯和绿色灯熄灭，蜂鸣器不发声； (3)红色灯点亮时表示被测得CO气体含量已经达到报警值，此时黄色和绿色灯熄灭，蜂鸣器发出报警，通知用户；单片机本身I/O的驱动能力不是很高，所以对蜂鸣器的驱动需要加入一个PNP三极管，这样能够使蜂鸣器的声音更加响亮，起到更好的报警作用。

三极管基极的电路保证了只有在单片机输出低电平时，蜂鸣器才会发声，避免了误报警的发生。

声光报警单元与单片机的连接图如下：
3.4.2 LED显示
LED数码显示器是一种由LED发光二极管组合显示字符的显示器件。

它使用了8个LED 发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点，故称之为7段发光二极管数码显示器。

驱动LED的时候，应该分二种情况比如用共阳接法和共阴接法，共阳的时候LED 正端接正电源，负端通过一个限流电阻接P口，这时不用接上拉电阻，只要这个限流电阻取合适就可以了发光管亮的时候电流就是从电源正——LED——限流电阻——P口，P口为低电位发光管灭的时候没有电流流过，P口为高电位或高阻状态共阴接法，LED负端接地，正端直接P口，这时候要接上拉电阻，这个上拉电阻是提供LED发光用的，发光管亮的时候电流是从电源正——上拉电阻——LED ——地。

这时上拉电阻也是限流用的。

P口为高电位或高阻状态发光管暗的时候电流是从电源正——上拉电阻——P口，这时LED无电流流过，P口为低电位，限流电阻上流过电流全部从P口流入。

本设计通过观察LED数码显示器显示CO浓度值，判断CO浓度值是否超过上限值，如果超过，自动报警，同时打开排气扇，使CO浓度降低。

如果超过下限值，切断阀闭合，以便达到正常状态
3.5排气扇控制系统与切断阀
3.5.1光电隔离器
在开关量控制中，最常用的器件是光电隔离器。

光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管，发光二极管/光敏复合晶体管，发光二极管/光敏电阻，以及发光二极管/光触可控硅等。

光电隔离器有GaAs红外线二极管和光敏三极管组成。

当发光二极管正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为700~1000nm。

光敏三极管接收光照以后便导通。

而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管随即截止。

利用这种特性即可达到开关控制的目的。

由于该器件是通过电—光—电的转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电器连接，因而起到隔离作用。

隔离电压与光电隔离的结构形式有关。

双列直插式塑料封装形式的隔离电压一般为2500v左右；陶瓷封装形式的隔离电压一般为5000—10000v。

不同型号的光电隔离器输入电流也不同，般为10mA左右。

其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力一般为10mA左右。

其输出电流的大小将决定控制输出外设的能力。

5.5报警子程序本设计采用了声光报警,当探测器探测的浓度超过报警设定值时就会同时产生音乐报警和灯光报警,此时红灯亮启,喇叭发出音乐,而正常时,喇叭关闭,红灯关闭,而显示正常的绿色LED亮启,本设计为了安全起见,还设置了事故处理装置,即出现危险使,探测器除了报警外,还会使排气扇的阀门打开,对室内进行排气,以免产生气体爆炸或是中毒.
结论
本文综合运用了单片机技术、通信技术、传感器技术、信号分析与处理技术，使煤气泄露自动测试系统数字化、智能化、微型化。

分析本文设计，可得如下的结论: (l)在硬件系统设计中，以集成A/D转换等多种功能的89C51单片机为核心，使得结构简单，实现了煤气检测的数字化，为实现智能化奠定了良好的基础，进一步提高了煤气检测可靠性。

(2)针对传感器零点漂移问题，提出了采用温度补偿校正的方法，同时应用高精度低温漂的运算放大器,从而抑制了零点漂移，较好地解决了模拟式报警器零点漂移问题。

(3)为了解决传感器的非线性问题，采用线性内插值计算方法对传感器进行非线性校正，运行速度快，校正精度高，提高了报警准确性。

煤气泄露测试是一项十分重要且非常有意义的工作，尽管本文取得了一些成果，但在检测精度、检测系统的可靠性等方面，仍存在一些不足需要进一步研究。

(1)关于系统的检测精度问题，在系统应进一步改进。

(2)关于零点漂移的抑制问题,生产现场需要研究一种无需人工干预的零点漂移抑制办法，应进一步研究。

(3)关于报警器报警闭值确定问题，需要研究一种新的闭值确定方法，以提高检测的可靠性。

谢辞
首先，衷心感谢我的指导师赵旎老师，在我做毕业设计期间对我的精心指导和不倦教诲。

赵老师在我遇到困难时给予了很多帮助和鼓励。

她以平和、真诚的交流方式给我提示和指导，帮助我解决论文中遇到的问题。

本论文能够顺利完成，赵老师起到了重要作用。

赵老师渊博的学识、严谨的治学态度、朴实真诚的处事方式，使我受益匪浅。

在设计期间，我学到了不少知识和理论，明白了如何去处理事物，知道怎样去提出问题，怎么分析问题，然后怎么解决问题。

在解决问题的同时，我遇到过种种困难，我学会了坚强，要求自己战胜困难。

同时，我们宿舍的其他学生给予了我支持和帮助，对他们我表示感谢。

我在这也特别感谢我的同学方观水，在设计中给了我很大的帮助和支持。

也感谢我同组的所有同学，没有你们我也不行。

最后，我再次衷心地感谢对我帮助和关心的老师和同学们，谢谢你们。