1、 编号 毕 业 设 计（论文）题目 民用燃气报警器 二级学院 应用技术学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 10821740155 学生姓名 蒋炳杰 学号 55 指导教师 刘晓东 职称 时 间 民用燃气报警器摘要在科技高速发展的今天，人们生活水平的不断提高。而且，目前随着我国西气东输的实施，城市管道化已经比较普及，煤气、天然气以及沼气等燃气得到广泛应用。不仅给家庭提供了方便，同时也改善了城市的环境，但同时也给人们生活带来了一些弊端，其中 CO 中毒和燃气泄漏而引起的爆炸事件时有发生。由于产品不合格或管道以及阀门密封不好，引起煤气等燃气泄漏出来，就很容易发生 CO 中毒或者造成火灾，危及人们
2、的生命及财产安全。因此，我们就要采取相应的措施来减少伤害。所以，对于气体的监测变得越来越重要，研究各种气体的检测方法以及气体传感器将成为一个不可避免的课题。本论文主要是开发一种利用 CO 传感器为探测器并采用 MCS-51 为主控芯片来进行控制的一种民用可燃气体检测报警器。该系统主要由 MCS-51 系列单片机、人机接口电路、电源电路、AD 数据采集电路、滤波电路、放大电路、传感器电路、声光报警电路、LCD 显示电路等功能组成的完整系统。当空气中 CO 达到设定值时，输出信号分别控制声光报警器、排气扇工作，以及驱动电磁阀关断煤气，实现对家用管道煤气的实时监控。避免事故发生。关键词：CO 传感器
3、、MCS-51、AD 数据采集电路、声光报警Civilian Gas AlarmAbstractPeoples living standard keeps increasing constantly nowadays when high technology develops rapidly. Along with the implement of west-east natural gas transmitting project, the city channelization has been widespread, with the extensive application of c
4、oal gas, natural gas and methane gas. This has brought convenient to many families as well as improvement to the environment of a city. However, it also causes problems, among which CO poisoning and bombings caused by gas leakage takes place occasionally. The gas will leak out due to the poor qualit
5、y or bad sealed pipelines and valves, thus creating possibilities for CO poisoning or fire, endangering peoples life and property. Therefore, some corresponding measures should be taken to reduce such damages. As a result, the gas monitoring becomes increasingly important and study on the detection
6、method of various kinds of gases as well as the gas sensor will be an inevitable issue.This paper is going to develop a civilian gas alarm which takes CO sensor as its detector and MCS-51 as its control chip. This will be a complete system mainly composed by functions such as MCS-51 SCM, man-machine
7、 interface circuit, the power supply circuit, AD data acquisition circuit, filter circuit, amplifying circuit, sensor circuit, sound and light alarm circuit, LCD display circuit and some others. When the amount of CO in the air reaches the set point, an output signal will put the audible and visual
8、alarm and the exhaust fan into service, and drive the electromagnetic valve to turn the coal gas off at the same time, realizing real time monitoring toward the civilian pipelined gas and preventing accidents from happening.Key words: CO sensor; MCS-51; AD data acquisition circuit; audible and visua
9、l alarm前言近年来，随着人们生活质量的提高，煤制气等的大量使用，同时人们对于居家安全也有了很大的重视。为了保障人们的生命以及财产安全，因此对各种有毒、有害气体的探测势在必行，而作为感官或信号出入部分之一的气体传感器是必不可少的。气体传感器能够实时的对各种气体进行检测和分析，具有灵敏度高，响应时间短等优点；而且现在电力电子技术的发展，也使得越来越多气体传感器及燃气报警器的产品。且在军事、医学、交通、居家等领域得到了广泛的应用。使得气体传感器及燃气报警器不断地发展。目前，世界上许多国家都在不断的对气体传感器进行研究，要知道气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多科学交叉的研究内容。要切实提高
10、传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究工作者的协同合作。气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。具体表现如:气敏材料的进一步开发一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料性能进行进一步提高；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术寻找性能更加优越的气敏材料。由于燃气的不完全燃烧或者是煤气泄漏都会发生 CO 中毒事件。众所周知，一 氧 化 碳 （ co） 是 一 种 对 血 液 ， 与 神 经 系 统 毒 性 很 强 的 污 染 物 .， 空 气 中的 一 氧 化 碳 （ co） ， 通 过 呼 吸 系 统 ，
11、 进 入 人 体 血 液 内 ， 与 血 液 中 的 血 红 蛋 白（ hemoglobin,hb） 。 肌 肉 中 的 肌 红 蛋 白 。 含 二 价 铁 的 呼 吸 酶 结 合 ， 形 成 可 逆性 的 结 合 物 。 一 氧 化 碳 与 血 红 蛋 白 的 结 合 ， 不 仅 降 低 血 球 携 带 氧 的 能 力 ， 而且 还 抑 制 ， 延 缓 氧 血 红 蛋 白 （ o2hb） 的 解 析 与 释 放 ， 导 致 机 体 组 织 因 缺 氧而 坏 死 ， 严 重 者 则 可 能 危 及 人 的 生 命 。为 了 杜 绝 CO 中 毒 等 事 件 的 发 生 ， 人 们 采 取 了
12、多 种 多 样 的 方 式 ， 民 用 燃气 报 警 器 就 是 一 种 防 止 CO 中 毒 的 燃 气 报 警 器 ， 具 有 很 高 的 灵 敏 度 ， 利 用 气体 传 感 器 ， 并 配 与 单 片 机 等 电 路 和 声 光 报 警 部 分 组 成 ， 能 够 实 时 检 测 家 里空 气 中 CO 的 浓 度 。 当 泄 漏 的 CO 气 体 达 到 设 定 值 时 就 会 发 生 报 警 ， 并 自 动驱 动 电 路 以 解 除 危 险 。第一章 绪论1.1 论文研究的背景、意义什么是燃气？民用的燃气是指天然气、液化石油气、人工煤气。无论是天然气、液化气、还是煤制气，由于各种原
13、因泄漏后，当室内燃气浓度超过爆炸下限时，遇火种（打火机、电器开关、静电等）则一定发生爆炸。我国城市的人工煤制气得成分虽各不相同，但都含有较多的一氧化碳，众所周知，一氧化碳为剧毒气体，健康人在含一氧化碳 1的空气中，10 分钟则产生痉挛，半个小时就会死亡。因此在使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，因此为了人们的生命和财产安全，就必须采取相应的措施。而燃气报警器能够实时监测家居中燃气中相应的气体（如CO）的溶度，一旦环境中的溶度超出报警设定值，就能发出声光报警信号，并且能自动开启排风扇把燃气排出室外，甚至能通过联动装置自动切断燃气供应防止燃气继续泄漏，起
14、到安全防范的作用。燃气报警器作为预防燃气泄漏的有力武器，它的出现却似乎并没有引起人们应有的注意。这个在安全防护上可以和家用灭火器相提并论、甚至比灭火器更需要进入家庭的小东西，大多数家庭根本没有把它当一回事，甚至不知道还有这样一个可以从根本上解决煤气中毒和煤气爆炸的“保护神“存在。以上海为例，在一年中因热水器废气中毒及灶具溢熄、橡皮管老化脱落引起的燃气泄漏和造成中毒死亡的共 86 人，占全部燃气事故死亡人数据的 84%。但据权威部门公布的另一项调查表明，在上海市 300 万左右的燃气用户中，安装家用燃气泄漏报警器的不足 10%。正如此才回有那么多悲剧的发生。在日常生活中，无论是煤气中毒还是煤气爆
15、炸事故，都因煤气泄漏而起。居家过日子，谁都离不开使用煤气，无论你的预防措施做得多好，但百密难免一疏，更何况对消防安全不采取任何措施的家庭就更加危险。因此很有必要在家里准备一个燃气报警器，随时替主人守护着燃气用具，时刻警惕着燃气这个无形杀手悄悄溜出来，帮助主人将家庭隐患消灭在萌芽之际，成为家庭安全的好管家，让家人使用燃气具时，用得安心放心。例如：2008 年 12 月 1 日，陕西省榆林市定边县一学校的女生宿舍发生 12 名小学生 CO 中毒事件，有 11 名学生经抢救无效死亡；2010 年 1 月 3 日，大连市香工街香海花园发生煤气泄漏事故，共有 15 名煤气中毒患者被送往医院。另外还有 3
16、 位因中毒太深而死亡；2011 年 3 月 29 日安泰集团以电厂在检修中发生 CO 中毒事故，有 17 人中毒，10 人经抢救无效死亡等等。身边太多的事件告诫我们必须对待这一问题。因此，我们要提倡在家庭中使用燃气报警器。让家用燃气报警器成为家庭生活的必需品。1.2 气体传感器及燃气报警器国内外现状当今社会，随着人们生活水平的提高，更多的人对生活环境的安全和舒适性有了更高的要求。民用燃气报警器能够在可燃气体泄露时立即进行声、光报警，有效了确保了居住环境的安全。根据有关资料统计，按燃气泄漏原因分类，发生事故无法预计。任何家庭，无论如何注意，都可能有万一。其中点火失误、冒锅或风吹灭、中途熄火、总阀
17、未管严等就占了泄漏原因的七成多。所以燃气报警器在我们的生活中的比重将会越来越重。在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，无论是工业还是居家，应用都十分广泛。与民用燃气报警器为例，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。美国已有 7个州 11 个城市通过立法要求家庭安装 CO 报警器。据统计，按一间卧室安装一台 CO 报警器计算，美国 CO 报警器市场应该是 9400 万台，按目前价格计算是38 亿美元，而且每年可新增 40 万台。报警器种类也相当繁多，有
18、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。随着电子技术的发展，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。早在 1994 年，我国城市燃气用户就达到2978 万
19、户，用气人口 104218 万人。我国 660 个城市，有液化石油气的城市 513个，同时兼有人工煤气的城市 170 个，有天然气城市 55 个，国家计划到 2000年城市人口平均气化率达到 6070。目前大约有 12 亿居民、约（30004000）万户使用燃气，按这些燃气用户的 40安装气体报警器计算，需求量就达 1200 万台以上。而随着城市燃气应用的扩大，用气人口增多，报警器需求量必将迅速增加。国外气体传感器发展很快，一方面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；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，
20、美国 1996年2002 年气体传感器年均增长率为（2730）。在国内，气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）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力；电化学气体传感器有了试制产品;（2）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
21、导体等也开始用于气敏材料; （3）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;（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的 400 万支。产量超过20 万支的主要厂家有 5 家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100 万支，据行业协会统计，1998 年全国气敏元件总产量已超过 600 万支。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，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后 10 年。目前，煤气报警器的发展趋势集中表现为：一
22、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，这也是煤气报警器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106 硫化氢低功耗煤气报警器，美国 IST 提供了寿命达 10 年以上的煤气报警器，美国FirstAlert 公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗 CO 煤气报警器等。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 MEMS 技术，发展现场适用的变送器和智能型煤气报警器。如美国 GeneralMonitors 公司在煤气报警器中嵌入微处理器，使煤气报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国 IST 公司
23、的具有微处理器的“MegaGas” 煤气报警器实现了智能化、多功能化。1.3 气体传感器发展方向气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学科交叉的研究内容。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究工作者的协同合作。10气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。具体表现如下:气敏材料的进一步开发一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料性能进行进一步提高；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术寻找性能更加优越的气敏材料。新型气体传感器的开发和设计根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器。
24、近年来表面声波气体传感器、光学式气体传感器、石英振子式气体传感器等新型传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野。目前仿生气体传感器也在研究中。气体传感器传感机理的进一步研究新的气敏材料和新型传感器层出不穷，很有必要在理论上对它们的传感机理进行深度的研究。只有机理明确了，下一步的工作才会少走弯路。气体传感器的智能化生产和生活日新月异的发展对气体传感器提出了更高的要求，气体传感器智能化是其发展的必由之路。智能气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。仿生气体传感器的迅速发展 警犬的鼻子就是一种灵
25、敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的电子鼻将是气体传感器发展的重要方向之一。第二章 民用燃气报警器的总体设计2.1 燃气报警器的设计思路本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现利用 AD 转换器对数据的采集、处理和声光的报警控制。控制系统主要是由 MCS-51 系列单片机、电源电路、AD 数据采集电路、传感器电路、复位电路、LED 显示与键盘输入及人机接口电路、声光报警电路等部分组成。单片机通过 AD 转换 8 路对传感器所得到的信号，进行比较处理。若检测值在安全值内，轮回显示当前室内的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警并控制电磁阀
26、及排气扇工作，直至排除安全隐患为止。系统以 CO 专用传感器和 MCS51 单片机为核心，来设计民用燃气报警器装置。并实现：a. 学会应用单片机及各个接口的功能；b. 实现单片机的系统控制及传感器电路的控制；c. 实现各个模块的功能；d. 能够准确检测出室内 CO 浓度，并实现报警功能；e. 设计时根据国家燃气设计规范；f. 当发生报警时，能够实现切断煤气并实现对室内进行换气。2.2 燃气报警器系统框图CPUAT89C51LED 显示接口电路报警器电路CO 传感器 滤波电路放大电路 A/D复位电路电源电路排风扇电磁阀继电器该系统总体构成包括煤气探测器（主要是一氧化碳传感器） 、信号处理电路、声
27、光报警电路、继电器控制电路、复位电路和电源电路等几大模块。把燃气报警器安在室内，通过 CO 传感器来监测室内 CO 气体浓度，经过滤波和信号放大得到处理过的信号送入 A/D 模数转换器，变换成数字量信号再经单片机进行处理，并通过 LCD 进行显示所得空气中 CO 气体浓度，同时将此数据于系统设定的值进行比较，绿色灯亮表示未超出设定值，报警器不响。如果超出设定值的上限值但还未达到下限值，就启动报警电路。若室内 CO 浓度超过设定值的下限值，单片机立即向继电器输出控制信号，打开排气扇并通过电磁阀切断煤气管道，关闭气源，防止煤气进一步泄漏。2.3 系统方案选择方案一：利用 555 及外围电路及传感器
28、来设计电路当有害气体达到危险浓度时，时基电路1 的 2 脚电位大于c（），2 的 3 脚输出为低电平，继电器得电吸合，其常开触点闭合，接通机外报警系统。同时扬声器发出“嘀”声，发光。当煤气泄露故障排除后，电路自动复原。调节电位器，可改变报警的灵敏度。但是准确度不高。方案二：通过 MCS-51 系列单片机作为主控系统，并通过传感器电路把所得信号经 A/D 转换为数字信号，经单片机处理后显示出来。并经程序设定预定值和报警时间，并同时控制排气扇及电磁阀工作用以解除危害。此电路稳定性好，设计能够达到使用要求。综合考虑，由于单片机设计用途更大，灵活性强，系统更加稳定，所以采用第二个方案。第三章 民用燃气报警器硬件设计3.1 CO 气体简介及传感器选择
