可燃气体报警器的设计与制作

可燃气体报警器的设计与制作

林瑜静于思佳朱鑫垚

（大庆师范学院机电工程学院一四级自动化一班）

摘要：设计了一种可燃气体报警器，介绍了报警器的工作原理及其软、硬件的设计。该

报警器以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用 89C51 单片机进行控制，能根据可

燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。

关键词： 51 单片机；气体检测传感器；探测报警器；

该报警器具有下述功能：

(1)当被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时报警器应能发出声、光报警信号。

(2)报警器在传感元件断路或短路时应发出报警信号，有明显区别的声、光故障信号。

(3)报警器应对声、光报警装置设置手动自检功能。

(4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器发出报警信号时，应能启动输出控制功能。

(5)报警器的供电电压必须非常稳定，否则，将会影响报警的正常工作。

1 硬件设计

1.1 系统的结构分析

该系统组成如图1所示。它由传感器检测电路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分等组成[1]。检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A／D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。当泄漏气体的浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭，并可以通过RS-485总线与上位机进行通信(将实时数据发送给上位机用户)。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护的目的。

图1 报警器系统框图

1.2 可燃气体检测电路

1.2.1 气敏传感器(探头)

选用的气敏传感器型号为MC-112，它是一种催化燃烧式传感器。这种传感器主要用于检测可燃性气体，它是由4只感应电阻构成惠斯登检测桥路。当含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃性气体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到检测可燃气体浓度的目的。

1.2.2 气体检测电路的设计

气体检测电路原理如图2所示，由气敏传感器(探头)MC-112和电阻R W和电阻R 2、R 3组成平衡电桥检测电路，电压信号分别从电阻RW和探头的中点取出，被取出的电压信号被加到运放LM358的2(-)脚反相输入端和3(+)脚同相输入端；此时被取出的电压信号应相等。在气敏传感器通电的情况下，在未检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应电阻不会发生任何反应和变化，这样从探头中点取出的电压信号也不会发生变化。当在输入端加上+5 V电压时，经过3个二极管(IN4001)，每个二极管的压降约为0.7 V，最后在探头两端的电压约为2.7～2.9 V，此时运放反相端2(-)的电压为1.4 V左右，同相端3(+)的电压也应为1.4 V左右；未探测到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的输入信号电压差几乎为零，那么此时差动放大器的输出端1，通过调节R W 使输出电压信号也接近于零。当气敏传感器探测到一定浓度的可燃性气体泄漏时，在传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动运算放大器同相端3(+)的电位V 3+高于反相端2(-)的电位V 2-，经差动运算放大器放大后输出的差模电压信号为3.5 V左右，由公式(1)可算出差动运算放大器输出端的电压值。可燃性气体的浓度变化时所对应输出电压的变化：气体浓度↑→V 3+↑→(V 3+-V 2- )↑→V o↑，由差动运算放大器的反相输入端和同相输入端输入信号分别为V 2-和V 3+时输出电压为[2]：

Vo=-400V2-/1+(1＋400/1)[100/(1+100)]V3+≈400(V3+-V2-)

图2气体检测电路原理图

1.2.3 主控单元电路

主控单元电路如图3所示[3]，微处理器采用AT89C51。A/D转换芯片采用ADC0809，ADC0809的时钟信号CLK由89C51的ALE信号提供。系统晶振采用4 MHz，图中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脉冲宽度大于250 ns，满足ADC0809对ALE引脚信号的要求。检测到的气体浓度信号即电压信号经放大、滤波后送到ADC0809的模拟量输入端IN0。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5 V时，ADC0809输出数值为255(FF H)，因此单片机最大数值分辨率为

0.019 6 V，测试时电压数值的变化一般以0.02 V的电压幅度变化。如果要获得更高的精度，应采用12位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完全满足要求。根据所测得的电压值基本上要比标准值偏大0.01～0.02 V，可以通过校正ADC0809的基准电压来解决，因为该系统设计时直接用+5 V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外，也可用软件编程来校正测量值。ADC0809的直流输入阻抗为1 MΩ，能满足一般的电压测试需要，另外经测试ADC0809可直接在2～5 MHz的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。

图3主控单元电路图

1.3 声光报警及继电器控制电路

1.3.1 声光报警电路

声光报警电路如图4所示，工作指示灯为绿灯闪烁，其工作状态的控制由P1.1来完成。通过软件的设置，从P1.1输出一方波来控制三极管VT1的通断，从而控制工作指示灯的闪烁。当泄漏气体的浓度达到某一值时，由软件将P1.3置1，此时三极管VT3导通，红色报警灯亮，同时蜂鸣器发出报警声。红灯和蜂鸣器构成报警部分。在电路通过软件置位P1.2=1时，黄灯亮表明电路出现故障。

图4 声光报警电路图

继电器控制电路如图5所示。该电路由继电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当泄漏气体浓度达到一定值时，通过软件将P1.4、P1.5置1，此时三极管VT4、VT5均导通，继电器K1、K2工作，其常开触点闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路接通，将气体管道关闭。当气体浓度下降到某一值时，也可以通过软件将P1.4、P1.5清零，此时三极管VT4、VT5均截止，继电器K1、K2停止工作，常开触点断开。关闭排风扇和电磁阀电路，排风扇停止工作，气体管道打开。指示灯：应采用发光二极管，应以颜色标记。红色表示报警信号，黄色表示故障信号，