毕业论文——危险气体泄露报警器设计.doc

1、 1 摘 要 质量监控和随着各种天然气、煤制气、液化气的开发和使用，各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中。为了有效地进行燃气生产中的气体成分分析、环境保护中的空气污染检测和对民用燃气泄漏的检测及报警，国内外科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测方法和控制方法，研制各式各样的气体检测和分析仪器，用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。 无线可燃气体泄漏报警器适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）泄漏探测报警，即可独立工作，也可方便地配合 6防区防盗现场报警器或智能 9防区无线防盗 报警电话机组网使用。 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要

2、求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是不可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。 关键词 ：气体传感；单片机；红外热释电；无线发射 2 ABSTRACT Quality is controlled and with various natural gas, coal gasification, developmen

3、t and use of liquefied gas, various flammable gas are distributed in workplace and in peoples life. For the gas composition analysis, air pollution detection in environmental protection and detection of the civil gas leakage and calling the police while producing gas effectively, domestic and intern

4、ational scientific research personnel were devoted to studying the detection method of the flammable gas and controlling the method long ago, develop the gas detection of all kinds and analytical instrument, the control, gas composition analysis, gas that are used for in environmental monitoring, pr

5、oduction process leak the alarm etc. The wireless flammable gas leaks the alarm and suitable for various flammable gas (the liquefied gas, natural gas, city gas) and leaks and surveys calling the police, can work alone, can also cooperate 6 defense area guard against theft on-the-spot alarm or intel

6、ligence 9 defense area wireless theft-proof alarm call aircrew network use conveniently. With the constant progress of the times, people put forward higher requirement to ones own security of living in the environment, especially have to look out for those uninvited guests constantly in the security

7、 of the house. Install the intellectual warning system in a lot of districts now, therefore improve the safe coefficient of the district greatly, have guarantee personal property safety of residence effectively. Because the infrared ray is the invisible rays, there are very strong disguise and priva

8、cy, so is widely used in security protection device China of guarding against theft, warning etc. In addition, guard against theft in electron, human body person who survey field, it is cheap with him too that the passive form is hot to clear up the infrared detector of electricity, the characterist

9、ic that technical feature is stable is well received by the masses of users and professional personages. Keywords: gas sensing; SCM; Piezoelectric IR; Wireless launches 3 引 言 随着石油化工行业的发展，易燃、易爆气体的种类和使用范围都随之增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，与空气混合后将会引发火灾，一旦浓度达到爆炸极限将会引发爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外

10、部风力作用下，可燃气体会沿 着地表面迅速扩散，形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生可燃气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失 降到最低。及时可靠地探测空气中可燃气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对可燃气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体报警器，近年来得到了广泛的使用。 随着各种天然气、煤气、液化气的开发和使用，各种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中。为了有效地进行燃气生产中的气体成分分析、环境

11、保护中的空气污染检测和对民用燃气泄漏的检测及报警，国内外科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测方法和控制方法，研制各式各样的气体检测 和分析仪器，用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。 传统的可燃性气体报警器大多是被动式现场报警，不能进行远程监控报警，也很少能主动切断气源，所以需要设计一种智能的可燃性气体报警器 。 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求，尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是 非 可见光，有很强的隐蔽性和保密性，

12、因此在防盗、警戒等安 防 装置中得到了广泛的应用。此外， 在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。 目前，市场上还没有出现一种既可以 监控各种天然气、煤气、液化气又可以作为 小区智能报警系统 ，因此，设计一种两种功能都有的报警系统非常必要，它即可以完成可燃性气体和有毒性气体的检测、报警及远程监控，又可以检测现场是否有人在可燃性气体和有毒性气体的现场，以便及早提供救援，可以将损失降到最低，还可以监控是否有人未经许可闯入危险环境，在工厂、企业和家庭都非常适用 。 4 总 述 随着各种天然气、煤 气、液化气的开发和使用，各

13、种可燃性气体散发在工作场所和人们生活中。为了有效地进行燃气生产中的气体成分分析、环境保护中的空气污染检测和对民用燃气泄漏的检测及报警，国内外科研人员很早就致力于研究可燃气体的检测方法和控制方法，研制各式各样的气体检测和分析仪器，用于环境监测、生产过程中的监控及气体成分分析、气体泄漏报警等。 传统的可燃性气体报警器大多是被动式现场报警，不能进行远程监控报警，也很少能主动切断气源，所以需要设计一种智能的可燃性气体报警器 。 随着时代的不断进步，人们对自己所处环境的安全性提出了更高的要求， 尤其是在家居安全方面，不得不时刻留意那些不速之客。现在很多小区都安装了智能报警系统，因而大大提高了小区的安全程

14、度，有效保证了居民的人身财产安全。由于红外线是 非 可见光，有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗、警戒等安 防 装置中得到了广泛的应用。此外，在电子防盗、人体探测等领域中，被动式热释电红外探测器也以其价格低廉、技术性能稳定等特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。 目前，市场上还没有出现一种即可以 监控各种天然气、煤气、液化气又可以作为 小区智能报警系统 ，因此，设计一种两种功能都有的报警系统非常必要，它即可以 完成可燃性气体和有毒性气体的检测、报警及远程监控，又可以检测现场是否有人在可燃性气体和有毒性气体的现场，以便及早提供救援，可以将损失降到最低，还可以监控是否有人未经许可闯入危险，非常适用在工

15、厂、企业和家庭中应用 。 5 设计要求 可燃气体报警自动启停抽排风装置，是通过实时检测油气生产和处理装置现场安装的可燃气体报警探头或火焰探头的输出信号，判断各点的天然气浓度是否达到报警状态。一旦现场某一点或多点的可燃气体浓度达到报警状态，现场报警器输出报警信号，该装置一方面自动启动安装在现场的风机抽排 风，一方面自动向上一级自控系统发出区域报警信号，一旦现场所有点的可燃气体浓度低于报警临界状态，则该装置停止现场的风机工作，恢复完好待用状态。同时，风机的启停也可通过现场的开关的控制随时启停。 无线可燃气体泄漏报警器适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）泄漏探测报警，即可独立工作，也可方便

16、地配合 小区 防盗现场报警器 与企业 无线防盗报警组网使用。 近年来，随着改革开放的深入发展，人民的生活水平有了很大提高。各种高档家电产品和贵重物品为许多家庭所拥有，并且人们手中特别是城市居民的积蓄也十分可观。因此，越来越多 的居民家庭对财产安全问题十分关心。目前，许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再设计和生产一种价廉、性能灵敏可靠的防盗报警器用于居民家中，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。为此，提出 “无线 防盗报警器 ” 的设计任务。 该报警器适用于家庭防 盗 、也适用于中小企事业单位。其特点是灵敏、可靠，一经触发，可以立即报警；也可以延时 1 35s（秒）再报警，以增加报

17、警的突然性与隐蔽性。 6 3 方案论证及说明 3.1 方案一：防盗报警器的论证 3.1.1 红外线 报警器的论证 红外线具有隐蔽性，在 露天防护的地方设计一束红外线可以方便地检测到是否有人出入。此类装置设计的要点：其一是能有效判断是否有人员进入；其二是尽可能大地增加防护范围。当然，系统工作的稳定性和可靠性也是追求的重要指标。至于报警可采用声光信号。 此类 报警器 的要点在于红外线信号的发射与接收部分，由于目在市场上常用的红外线发射器件和接收器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，现大部分产品的频率为

18、 38KHz，我们在设计该电路时，也是让其 555 电路组 成的振荡器工作在 38KHz 附近。至于接收电路，作为报警工作的话，没有像红外线通讯那样要精确地还原出发射端发射的每一个数据，因此相对来说，要求可以放宽一些，设计时可以通过低通滤波，加倍压整流等措施，将发射的红外线信号转变成用于控制的直流控制电压，可以理解为：当有红外线信号收到时输出一个高电平信号，如果有人阻断了红外线信号，输出一个低电平信号，后续电路通过这个低电平信号启动报警。 从实际的效果来看，报警信号必带有锁存功能，即当有人进入设防区域后报警信号就被锁住即使人离开，报警也将继续，直到人为的按动复位键才停止 报警。 存在的问题 1

19、.安装时要求严格，精度要求高，有角度限制。 2.对安装场所及位置要求高，有时需要多组发射与接收对管。 3.发射与接收易受到干扰，手机，各种红外遥控器的干扰，误报率高。 4.使用寿命短，监控时电源不可间断，对红外发射与接收对管的寿命影响很大。 3.1.2 被动式热释电红外报警器的论证 BISS0001 是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，这里介绍BISS0001 原理和结构以及利用 BISS0001 设计一种红外线感应 报警装置 热释电传感器是一种近十几年发展起来的新型红外传感器，在红外检测领域中占有越来越重要的地位，已

20、广泛应用于红外测温、红外报警、工业过程自动监7 控、激光测量、光谱分析、气体分析、红外摄像和空间技术等诸多方面。与其它红外传感器相比，突出的优点之一是可在室温条件下工作，无需致冷。尽管如此，对于它的温度稳定性仍有必要研究。这是因为这种传感器的应用场合不同，环境温度可能差别很大。 BISS0001 是一款高性能的被动式热释电红外线传感信号处理器它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关， BISSO001 采用高性能 CMOS 工艺制造，功耗很低；工作电压是 3 6V，推荐使用 5V；当工作电压为 5V 时，输出的驱动电流对应为 10 mA；工作温度为 -20 70 ；贮存

21、温度 -40 125。 热释电红外线传感器能克服红外传感器的缺点，所以采用方案二。 3.2 方案二：危险气体报警器的论证 3.2.1 催化燃烧式可燃气体报警器的论证 催化燃烧式可燃气体报警器探测器由一对催化燃烧式检测元件组成，其中一个元件对可燃气体非常敏感 (该元件上涂有多层催化剂 )，另一个元件不敏感，不敏感元件用于补偿环境变化。这一对催化燃 烧式检测元件与电路板上一对电阻构成惠斯通电桥，当周围环境存在可燃气体时，在催化剂的作用下敏感元件上发生催化燃烧 (这种燃烧是阴燃，不会引爆外界可燃气体 )，使其温度升高 (可高达500 )，从而使其电阻增大，这样，电桥失去平衡，探测器产生与气体浓度成正

22、比的电信号，经电路部分放大后，由控制器报警。 缺点是成本高，不容易扩展，安装调试复杂，受外界影响较大，所以不采用。 3.2.2 利用集成运放完成的气体报警器的论证 利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号，放大，处理，控制，便可完成报警功能，工作简单 ，方便，容易实现，能进行电路扩展，可以单独使用，也可以在小区内组网使用，所以 可燃气体报警器探测器选用此方案，工作过程如下： a、电源指示：绿灯，通电后亮起，报警时熄灭。 b、报警指示：红灯，报警时闪亮。 c、接通电源，绿灯亮或闪烁 3 分钟后，报警器开始正常工作。当所检测可 燃气体泄漏达到预警浓度，报警器开始报警，绿灯熄灭，红

23、灯闪亮，发出 “ 滴滴滴 ” 的持续报警声音，同时发出高频无线报警信号。当所检测气体的浓度下降到预警浓度以下，报警器停止报警。 d、报警器内的电路板上已预留继电器控制电路，用户可方便加装， 报警时8 可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体，也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源。 3.3 方案三： 无线发射与接收的论证 3.3.1 VD5026/VD5027 无线发射与接收电路的论证 VD5026、 VD5027 是 CMOS 大规模集成电路。前者通过发射系统发射数字编码。二者结合在一起构成一个数字遥控发射接收系统。 VD5027 需与 VD5026 配合使用，管脚排列图与 VD5026 相似，也是

24、 DIP18 脚双列直插芯片。其 1 8 脚是 8 位地址编码输入端，使用时其状态与 VD5026 的 18脚地址状态完全对应，否则 VD5027 不能译码。 14脚是信息码输入端。 10 13脚及 17 脚是译码输出端。 15、 16 脚是内置振荡器电阻输入端，使用时必须与VD5026 的 15、 16脚的电阻保持一致 。 当 VD5027 译码到的地址 (VD5O26 的地址编码 )与自己的地址编码对应时，接收到的 VD5026 的 l0 l3 脚的输入状态就被锁存到 VD5027 的 10 13 脚，直到VD5026 的 10 13脚的输入状态再次改变并被 VD5027 接收到。同时当

25、VD5027 译码到的地址与自己的地址编码对应时， 17 脚就输出高电平，但不保持，一旦VD5027 接收不到该信息， 17 脚 就返回到低电平。根据这一特点，设计者可以根据自己的逻辑需要选择合适的控制端。 根据以上介绍可知， 同一个由 VD5026 组成的遥控发射器，通过选择不同的地址编码，可以控制 6561 个由 VD5027 组成的遥控接收器，进而可以控制多达6561 个对象，应用非常方便。 3.3.1 PT2262/PT2272 无线发射与接收电路的论证 PT226/PT2272是台湾普城公司生产的一种 CMOS工艺制造的低功耗、低价位、通用编解码电路， PT2262 2272最多可有

26、 12位 AO A11)三态地址端管脚 (悬空，接高电平，接低电平 )，任意组合可提供 531441 地址码， PT2262 最多可有 6 位(DO D5)数据端管脚，设定的地址码和数据码从 6脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。 PT2262 2272 芯片的地址编码设定和修改： 在通常使用中，我们一般采用 8位地址码和 4位数据码，这时编码电路 PT2262和解码 PT2272的第 1 8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态。 3的 8次方为 6561，所以地址编码不重复度为 6561组，只有发射端PT2262和接收端 PT2272的地址编码完全相同才能配对使用

27、。当两者地址编码 完全一致时，接收机对应的 DO D5端输出约 4V互锁高电平控制信号，同时 VT端也输出9 解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。 此两种方案都比较方便，容易实现，这里选用 PT2262/PT2272。 3.4 方案四： 单片机的论证 8051 是 MCS-51 系列单片机的典型产品。 8051 单片机包含中央处理器、程序存储器 (ROM)、数据存储器 (RAM)、定时 /计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。 此单片机价格低， 功能多，实现方便，外围电路少，所以选用

28、此单片机。 10 4 危险气体泄露报警器设计 4.1 可燃性爆炸气体的形成 可燃性爆炸气体是指由两种或两种以上成分组成的爆炸性物质。其成分之一是可燃物 (还原剂 )，二是助燃剂 (氧化剂 )。这类爆炸主要是可燃性气体与空气或氧气的混合物所发生的爆炸。如果可燃气体与空气或氧气混合后，一旦达到它的爆炸极限，遇火源即发生爆炸。一般来说不同的可燃气体有不同的爆炸极限。爆炸极限浓度通常用可燃性气体的体积百分浓度表示，如甲烷的爆炸下限为 5。它又分为爆炸上限及爆炸下限，爆炸下限用“ LEL”表示 (Lower Explosive Limit)，爆炸上限用“ UEL”表示 (Upper Explosive

29、Limit)。可燃性气体在空气 (或氧 )中的含量低于下限或高于上限都不会发生爆炸。如果可燃性气体浓度小于爆炸下限即为过稀的混合物，它无爆炸危险，引燃时过稀的混合物很快地燃烧掉。相反如果可燃性气体浓度高于爆炸上限，即混合物的浓度过大，空气 (或氧 )的含量不足，也不能形成爆炸。如：空气中甲烷的爆炸下限为 5，爆炸上限为 15也就是说空气中甲烷浓度在 5 15是最 危险的，一旦遇火源即会引起爆炸。 4.2 可燃气体报警器的分类 4.2.1 按使用方法分类 (1) 便携式可燃气体报警器仪器将传感器，测量电路，显示器，报警器，充电池，抽气泵等组装在一个壳体内，成为一体式仪器，小巧轻便，易携带，泵吸式

30、采样，可随时检测。 (2) 固定一体式可燃气体报警器与便携式一样，不同的是安装在现场， 220V交流供电，连续自动检测报警，大多为扩散式采样。 (3) 固定分体式可燃气体报警器传感器和信号变送电路组装在一个防爆壳体内，俗称探头，安装在现场。二次仪表也称控制器包括数据处理，显示器， 报警控制和电源，安装在控制室 (安全场所 )：探头扩散式采样，二次仪表显示报警。 4.2.2 按传感器原理分类 (1) 催化燃烧式可燃气体报警器检测各种可燃气体或蒸汽。由两只固定电阻构成惠斯登检测桥路。测量时要在参比和测量电桥上施加电压，使之加热而发生催化反应。正常情况下，电桥是平衡的， V1=V2，输出为零，如有可燃性气体存在，它的氧化过程会使测量桥被加热，温度增加，而此时参比桥温度不变，电路会测出它们之间的电阻变化 +V2V1，电桥输出一个变化的电压信号，这个电压信号的大小与可燃气体的浓度成正比。它具有选择性 好、反应准确、稳定性好、定