一氧化碳气体检测报警系统
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关键词：一氧化碳气体，单片机，报警
Detection of combustion gas leakage and warningsystem
Abstract
In this paper, the main gas leak measurement and alarm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object control, results showed that features such as data communication system of integrity. The system works as follows : DC Power Supply for the entire circuit, sensors will be converted into concentration voltage signals, after a series of linear processing, analogue switch to the A / D converters, Finally, figures show circuit testing ones and the gas concentration by single-chip microcomputer. If concentrations exceed the limit, the alarm will alarm. This circuit is practical, high reliability and high precision measurement can be widely used in industrial, medical and health, environmental monitoring and daily life, and so on.
1.4
本篇论文是关于一氧化碳气体泄漏自动检测报警系统的研制，主要针对一氧化碳气体，以实现一氧化碳气体气的检测与报警。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀或者启动排风扇使空气对流。
1.2
人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒响应的根源，如果采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，煤气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。
1.3
在应用方面，目前最广泛的是一氧化碳、甲烷等可燃性气体气敏元件传感器，而且已经普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳气体报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。
本课题在硬件设计方面主要研究组成家用一氧化碳气体泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机等的器件选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。
2
2.1
方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。
Key words：carbon monoxide,Single chip microcontroller,alarm
1
1.1
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。家用煤气的使用和储存过程中会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是可燃气甲烷和一氧化碳，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，可燃气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。为了减少这类事故的发生，就必须对厨房内一氧化碳等可燃气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测报警装置，严密监测环境中这些气体的浓度，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。据不完全统计，我国2010年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。2012年3-5月份，柳州地区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。
一氧化碳气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。目前，国外气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。
3.1
主机模块是由主控芯片AT89S51、X5045和电源电路构成，它是报警器的核心部分。电源电路提供+5V的稳定直流电压；X5045防止系统死机，保证程序正常运行，内部的EEPROM有掉电数据存储功能，用于保存各采集通道的报警上限。
3.1.1 AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。AT89C51具有如下特点：40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，主要功能表特性见表3-1。
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
两个16位定时器/计数器
全静态工作：0Hz-24MHz
全双工UART串行通道
128*8位内部RAM
5个中断源
寿命：1000写/擦循环
低功耗的闲置和掉电模式
方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。
方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器经数据采集后把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，然后经过单片机处理控制报警功能电路。同时还可以在不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。
国内气体传感器的发展趋势集中表现为：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上，接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能，电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距。
综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。
2.2
如图2-1所示，该设计是由AT89C51单片机主要控制单元，具备看门狗芯片和时钟芯片作为主题单元。采集的数据经过信号处理和A/D转换送入单片机。
图2-1系统流程框图
3
硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。主机单元主要由AT89C51单片机与X5045看门狗定时器和7805电源电路组成。功能实现系统模块，由传感器、信号处理电路、A/D转换电路和报警电路组成。
河南科技学院新科学院
2013届本科毕业论文（设计）
一氧化碳气体检测报警系统
学生姓名：
所在系别：电气工程系
所学专业：电气工ห้องสมุดไป่ตู้及其自动化
导师姓名：
完成时间：2013年5月10日
一氧化碳气体检测报警系统
摘要
本论文主要实现一氧化碳气体泄露的检测与报警，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信号产生、数据处理、模数转换、数据通信、报警电路等功能的完整系统。该系统的工作原理为：家庭用电经降压、稳压处理为整个电路供电，传感器将体积浓度转换成电压信号，经过线性放大、A/D转换等一系列处理后，最后送入单片机AT89S51中与标准浓度对比进行检测。如果浓度超过限定值，报警器就会报警。这种电路具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面。
计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能一氧化碳气体检测报警系统。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz-24MHz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器,串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
表3-1主要功能表特性
兼容MCS-51指令系统
4K字节可编程闪烁存储器
Detection of combustion gas leakage and warningsystem
Abstract
In this paper, the main gas leak measurement and alarm systems to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object control, results showed that features such as data communication system of integrity. The system works as follows : DC Power Supply for the entire circuit, sensors will be converted into concentration voltage signals, after a series of linear processing, analogue switch to the A / D converters, Finally, figures show circuit testing ones and the gas concentration by single-chip microcomputer. If concentrations exceed the limit, the alarm will alarm. This circuit is practical, high reliability and high precision measurement can be widely used in industrial, medical and health, environmental monitoring and daily life, and so on.
1.4
本篇论文是关于一氧化碳气体泄漏自动检测报警系统的研制，主要针对一氧化碳气体，以实现一氧化碳气体气的检测与报警。报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。软件部分主要是报警系统控制程序。气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度，当空气中煤气含量超过允许标准浓度后，感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收，再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理，并将处理后的感应信号通过串口送至主控器，由主控器对其采取相应的警报动作。报警信号加至报警声响电路的控制端后，报警声响电路被触发，发出报警声，同时关闭总气阀或者启动排风扇使空气对流。
1.2
人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，就真的没有一个彻底的解决办法吗？据有关专家介绍，使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒响应的根源，如果采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，煤气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。
1.3
在应用方面，目前最广泛的是一氧化碳、甲烷等可燃性气体气敏元件传感器，而且已经普及应用于气体泄漏检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳气体报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。
本课题在硬件设计方面主要研究组成家用一氧化碳气体泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器的使用方法，同时研究电路设计思路、电路组成，包括控制芯片、气体传感器、单片机等的器件选用和设计，最后给出结构框图、电路原理图。
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2.1
方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。
Key words：carbon monoxide,Single chip microcontroller,alarm
1
1.1
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。家用煤气的使用和储存过程中会因各种原因发生泄漏，煤气的主要成分是可燃气甲烷和一氧化碳，遇到明火会发生燃烧甚至爆炸，所以如果在煤气泄漏时打电话，使用家用电器的话，可燃气遇到电火花可能会发生爆炸事故。人呆在煤气泄漏的空间内，甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳，人体吸入有毒气体一氧化碳后，一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷，如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。为了减少这类事故的发生，就必须对厨房内一氧化碳等可燃气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测报警装置，严密监测环境中这些气体的浓度，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。据不完全统计，我国2010年因非职业性一氧化碳中毒，造成至少3850人中毒，142人死亡。2012年3-5月份，柳州地区发生了2起非职业性一氧化碳中毒事件。
一氧化碳气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。目前，国外气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化。
3.1
主机模块是由主控芯片AT89S51、X5045和电源电路构成，它是报警器的核心部分。电源电路提供+5V的稳定直流电压；X5045防止系统死机，保证程序正常运行，内部的EEPROM有掉电数据存储功能，用于保存各采集通道的报警上限。
3.1.1 AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。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，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89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。AT89C51具有如下特点：40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器，主要功能表特性见表3-1。
32个双向I/O口
4.5-5.5V工作电压
两个16位定时器/计数器
全静态工作：0Hz-24MHz
全双工UART串行通道
128*8位内部RAM
5个中断源
寿命：1000写/擦循环
低功耗的闲置和掉电模式
方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。
方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器经数据采集后把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，然后经过单片机处理控制报警功能电路。同时还可以在不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。
国内气体传感器的发展趋势集中表现为：烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90％以上，接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能，电化学气体传感器有了试制产品；在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距。
综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。
2.2
如图2-1所示，该设计是由AT89C51单片机主要控制单元，具备看门狗芯片和时钟芯片作为主题单元。采集的数据经过信号处理和A/D转换送入单片机。
图2-1系统流程框图
3
硬件系统的电路包括主机单元的电路和功能实现系统模块电路。主机单元主要由AT89C51单片机与X5045看门狗定时器和7805电源电路组成。功能实现系统模块，由传感器、信号处理电路、A/D转换电路和报警电路组成。
河南科技学院新科学院
2013届本科毕业论文（设计）
一氧化碳气体检测报警系统
学生姓名：
所在系别：电气工程系
所学专业：电气工ห้องสมุดไป่ตู้及其自动化
导师姓名：
完成时间：2013年5月10日
一氧化碳气体检测报警系统
摘要
本论文主要实现一氧化碳气体泄露的检测与报警，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信号产生、数据处理、模数转换、数据通信、报警电路等功能的完整系统。该系统的工作原理为：家庭用电经降压、稳压处理为整个电路供电，传感器将体积浓度转换成电压信号，经过线性放大、A/D转换等一系列处理后，最后送入单片机AT89S51中与标准浓度对比进行检测。如果浓度超过限定值，报警器就会报警。这种电路具有实用性强、可靠性高、测量精度高等特点，可广泛应用于工业、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面。
计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此我们开发研制了智能一氧化碳气体检测报警系统。
此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0Hz-24MHz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器,串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
表3-1主要功能表特性
兼容MCS-51指令系统
4K字节可编程闪烁存储器