1、 题 目 可燃性气体检测报警器设计 摘要 本设计主要设计可燃性气体监测报警仪，包括其工作原理及其软、硬件的 设计。它由可燃性气体传感器、模/数转换、单片机、显示部分、报警输出、应 用系统软件等组成。从传感器出来的微电流信号，经过模/数转换后送入单片机 内，单片机控制显示相应浓度并在浓度过高时产生报警。显示部分采用 74LS164 芯片和 LED 数码管进行显示;报警输出采用固体继电器与蜂鸣器控制 报警;软件设计采用单片机 C 语言编程。该报警器以性能、参数稳定的气 体传感器为探测器，采用 STC89C52 单片机进行控制，能根据天燃气气体检测浓 度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全
2、保护。 关键词:传感器;气体检测;报警仪;STC89C52 Abstract This design mainly introduces the combudstible gas monitoring alarming device, including its principle and hardware and software design. It consists of combustible gas sensors, d/a transformation, SCM, display section, alarm output, application system software
3、etc. From the sensor micro electric current signal, out by d/a transformation into SCM inside, after the single-chip microcomputer control shows corresponding concentrations in excessive concentrations generated when the alarm. Show part adopts 74LS164 chips and LED digital display tube, Alarm outpu
4、t by using solid relay and buzzer control Alarm, Software design USES the monolithic integrated circuit to the C programming language. This alarm with stable performance, the parameters of gas sensors as a detector, adopt STC89C52 single-chip microcomputer control, can according to natural gas gas d
5、etection concentration acousto-optic alarm, and control the corresponding equipment work so as to realize safe protection Keywords: sensor；gas detection；alarming device；STC89C52 目录 前言1 1、总体设计方案2 1.2 系统功能3 2、硬件部分4 2.1 气体传感器的分类及应用4 2.2 可燃气体检测电路4 2.3、LED 显示电路 7 2.4、蜂鸣报警电路9 2.5、继电器电 路9 2.6、直流稳压电源电路10 2.
6、7、控制电 路12 3、软件部分设计14 3.1 主程 序15 4、总结与体 会15 5、谢辞16 参考文献18 附录 1 可燃性气体报警仪监测总电路 图19 附录 2 可燃性气体监测报警仪主要元器件清 单20 附录 3 程序代码21 1 前言 随着工业、农业化的发展和人们生活水平的提高，及时、准确地对易燃、 易爆、有毒有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前天然气、煤炭、 石油、化工、电力等部门急待解决的问题。家用燃气报警器能实时监测可 燃气体的泄漏情况，一旦发生泄漏，即空气可燃气体达到一定浓度，则报 警器立即进行声、光报警，有效防止事故的发生，满足人们对燃气安全的 需要人类对生态环境净化的
7、要求越来越高的要求。设计的任务就是开发一 种以性能、参数稳定的气体传感器为探测器采用 STC89C52 单片机进行控 制的可燃气体探测报警器。当空气中有可燃气体在挥发且气体浓度达到或 超过设定值时，通过一系列转换是 LED 数码显示气体浓度值，随机发出声、 光报警信号，启动相应控制装置，避免重大事故发生。 随着人们对生活空间的安全和舒适性有了更高的要求，不仅要求监 测、监控、检测易燃、易爆、有毒、有害气体，而且为确保身心健康，减 少环境污染环境，还要求研制出各种高灵敏度、超小型、多功能化的气体 传感器。近年来，可燃性气体传感器的研究和开发十分活跃，国外从 20 世 纪 30 年代开始研究开发可
8、燃性气体传感器，至今已经走过半个多世纪，品 种到达数百种。 2 1、总体设计方案 设计整体思路是：应用烟雾检测系统，烟雾检测报警器是能够检测环境中的 烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号 采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。 烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气 体在空气中 的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，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。 方案：如图 1.1 所示，此方案由传感器电路。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。检
9、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。 检测电路 A/D 转换电路 声光报警电路 单片 机控 制 LED 显示浓度 电源 继电器 排风扇 电磁阀 图 1.1 方案流程图 Figure 1.1 scheme flowchart 3 1.2 系统功能 本设计所设计报警器具有下述功能: （1）被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时 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信号，有明显区
10、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。 (4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器出报警信号时，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，将影响报警的正常工作。 当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，将气体管道们一开，达到安全保护的日的。 可燃性气体监测报警仪虽然用途非常广泛，但是其精度也受到各方面因素 的制约。最主要的是报警仪标定，这是一项复杂
11、的工作，直接影响着报警仪的 测 量精度。如果没有进行精确的标定，其将直接影响仪器的正常工作。 4 2、硬件部分 燃性气体监测报警系统实际上就是通过单片机记录子弹通过设定距离的时 间来实现是。因此在单片机入口处，我们只需要设计一个能产生中断的电路即 可。本设计主要包括一下几个模 2.1 气体传感器的分类及应用 气体传感器种类繁多，分类方法目前尚无统一标准。根据气敏特性分类，主要 分为半导体式、固体电解质式、电化学式等几类。 (1)半导体式气体传感器 自从 1962 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器由 于具有灵敏度高、响应时间快块。等优点，其产品发展非常迅速，按检测不同
12、气敏特征量的方式可分为电阻式和非电阻式 2 种。电阻式半导体气体传感器主 要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，其电阻随着气体含量不同而变化。 非 电阻式半导体气体传感器 MOS 二极管式和结型二极管式以及场效应管，其电流 或电压随着气体含量而变化，主要检测可燃性气体。此类气体传感器的主要优 点是灵敏度高，但制作工艺比较复杂、成本高。 (2)固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20 世纪 70 年 代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高，灵敏度和选择性好，获得了迅 速的发展，目前环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域均有应用，仅次于金 属氧化物半导体气
13、体传感器。 (3)电化学式气体传感器 电化学式气体传感器可分为原电池式，定电位电解 式、电量式，离子电极式 4 种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测 气体的浓度。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度， 和原电池式不同的是，他需要由外界施加特定电压，他除了能检测 CO，NO，NO：，O。 ，SO：等气体外，还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传 感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式 气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式 气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选 择性好。 2.2 可燃气体检测电路 选用的
14、气体传感器型号为 MQ-5。 *对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度 *对乙醇，烟雾几乎不响应 *快速的响应恢复特性*长期的使用寿命和可靠的稳定性*简单的测试电路 应用 5 适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟 雾干扰能力。 图 2.1 MQ-5 测量电路 Figure 2.1 MQ - 5 measurement circuit 1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt） 4 加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管三氧化二铝 6 防爆网 100 目双层不锈钢 （SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座胶木 9
15、针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu） A 标准工作条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 15V AC or DC Vh 加热电压 5.0V 0.2V AC or DC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 313 室温 PH 加热功耗 900mw 6 B 环境条件 符号 参数名称 技术条件 备注 Tao 使用温度 -10-50 Tas 储存温度 -20-70 Rh 相对湿度 小于 95%Rh O2 氧气浓度 21%（标准条件） 氧气浓度会影响灵敏度 特性 最小值大于 2% C灵敏度特性 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体电阻 10-60K （1000ppm 甲烷） a （1
16、000ppm/5000 ppm CH4 浓度斜率 0.6 标准工作条件 温度：202 Vc：5.0V0.1V 相对湿度:65%5% Vh:5.0V 0.1V 预热时间 不少于 24 小时 探测范围： 300-5000ppm 液化气、天然气、煤 气 封装好的气敏元件有 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，2 个用于提供加 热电流。设计中 MQ-5 的接线如图 3.3 所示。在实际的测量中，可按照其等效电 路来计算数值，RL 是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数 值应根据 A/D 转换器是输入范围来确定。电压信号从 RL 和地之间取出，取出的 电压信号直接接 AD 转换器 A
17、DC0809 的接口，即第 26 引脚。 7 图 2.2 气体检测电路 Figure 2.2 gas detection circuit 2.3、LED 显示电路 8 图 2.3 LED 显示电路 Figure 2.3 LED display circuit 如图 2.3 所示，LED 的 a-g 脚分别和单片机的 pl.0-pl6 相连接。此 LED 有两 个功能，既用于最高安全值的设定，也用于检测浓度是显示测试的浓度。单片 机 89C52 的 INT0 引脚的开光控制转换功能。另外，4 个三极管 9012 的基极 aa1-aa4 分别和单片机 89c52 的 p2.4-p2.7 相连，90
18、12 的射极 bb1-bb4 分别和 LED 相连作为驱动电路。 9 2.4、蜂鸣报警电路 图 2.4 蜂鸣报警电路 Figure 2.4 bees alarm circuit 检测到的气体浓度的模拟信号经过 AD 转换器 ADC0809 后，转化成数宇 信号输入单片机 STC89C52，再由单片机的 P2.2 门输出高低电平，控制三极管 的导通或关断，继而控制喇叭的发出警告。555 筋电路可使喇叭发出“嘟嘟嘟” 的警告信号。 2.5、继电器电路 10 图 2.5 继电气电路 Following the electrical circuit diagram 2.5 继电器控制电路如图所示。该电
19、路由继电器 K1 和 K2、排气扇、电磁阀等组成。 当漏气体浓度达到一定值时，通过软件将 p2.0、p2.3 置 1，此时三极管 VT4、VT5 均导通，继电器 Kl、K2 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 P2.0、P2.3 清零， 此时三极管 vT4、vT5 均截止，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，绿色表示电源工作正常。所有指示灯应清晰地标注功能，在 一般环境光线下，指示灯在距其正前方 3
20、m 处应清晰可见。电磁继电器:接点宜 采用双接点结构。继电器应用封闭式，不得由一接点同时控制探测器内部及外 部电路。电器元件:应进行三防(防潮、防霉、防盐雾)处理。音响器件:在额定 电压下，音响器件在题其正前方 lm 处的声托级(A 计权)应小于 70dB，不大于 115 dB，在 85%额定工作电压条件下，音响器件应能发出声响。开关和按键:开 关和按键应坚固、耐用并清晰地标注出其功能。探测器外壳应选用不燃烧材料 和难燃烧材料(氧气指数32)。 2.6、直流稳压电源电路 11 图 2.6 直流稳压电源电路 Figure 2.6 direct current voltage-stabilized
21、 source circuit 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管 的单向异通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KM）整 流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本 设计采用桥式整流电路，其主要特点如下: 1 输出电压.高 2 纹波电压小 3 管子所承受的最大反向电压较低 4 电源变压器充分利用，效率高 滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负 载电阴.两侧并联电容器;或在整流电路输出端一与负载问串联电感 L，以及由 电容、电感组合而成的芥种复式滤波电 12 2.7、控制电路 图 2.7 主控单
22、元电路 Figure 2.7 master unit circuit 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 种精度完主控单元电路如图所示。微处理器采用 STC89C52。A/D 转换芯片采用 ADCO809， ADC0809 的时钟信号 CLK 由 89C52 的 ALE 信号提供。系统晶振采用 12MZ，图中 加在 ADC0809 的 ALE(及 START)端的正脉冲宽度大于 250ns 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 的模拟量输入端工 NO。由于单片机为 8 位
23、处理器，当输入电压为 5V 时， ADC0809 输出数值为 255 (FF H)，因此单片机最大数值分辨率为 0.0196V 测试 时电庄数值的变化一般以 0.02V 的电压幅度变 全满足要求。根据所测得的电压基本上要比标准值偏大 0.010.02V 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+5V 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 1M 能满足一般的电压测试需要，另外经测试 ADC0809 可直接在 25MHz 的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。 13 图 2.8ADC080
24、9 时钟信号电路 Figure 2.8 ADC0809 clock signal circuit ADCO809 由 ADD-C、ADD-B、ADD-A 控制选通的模拟通道，设计中选通通道 为 INO，单片机 89C52 对 ADC0809 采用的是查询控制方式。ADC0809 片内的时一 钟 信号可利用 89C52 提供的地址所存允许信号 ALE 经 D 触发器 4 分频后获得。如 图.ALE 引脚的频率是 89C52 单片机时钟频率的 1/6。由于单片机采用的时钊， 频率为 12MHz，由 ALE 引脚输出的频率为 2MHz 再 4 分频后为 500KHz，恰好符和 ADC0809 对时钟
25、频率的要求。 14 3、软件部分设计 木系统的软件设计以 C 语一言为基础，可以在执行的开始和过程中，根据 气 体爆炸下限的不同修改报警临.界值，增大了使用的范围。系统主程序流程图如 图所示。 程序开始 系统初始化 定时器启动 从 A/D取数 查询中断显示 加/减 值 显示浓度 判断是否达到 报警点 不报警 绿灯亮 报警 红灯亮 喂狗 Y N Y N 20ms 15 图 3.1 系统主流程图 Figure 3.1 system ZhuLiuCheng figure 3.1 主程序 经定时器 0 定时 20 ms 单片机从芯片 ADC0809 取出数据，通过计算再查询 对 应的七段码，送到数码管
26、显示，然后检验是否达到报警值，若是则报警，反之 不 报警。 程序流程图 部分程序如下: 1.单片机从 A/D 转换器读取数据的程序:通过定时器每 20ms 采集一次数据。 2.显示程序:将取到的数经过计算达到其对应的浓度值，然后再将千位、百位、 十位以及个位的数值取出，通过查询得到每位的一七段码，再分别送到四个数 码管去显示。 3.报警程序:将取来的数值与已经设定好的报警阀值作比较，若大于等于阀值 则报警且红灯显示，若小于则不报警且绿灯显示。 4.阀值设定程序:主程序一直查一询中断，若有中断则进入阀值设定程序，此时 将上一次设定的阀值数据送到数码管显示，通过检测到 P3.0 端口有低电平 则
27、阀值加 100，而检测到 P3.1 端口有低电平则阀值减 100，然后显示。若在 中 断一次则回到浓度显示程序来显示当前可燃气体浓度。 16 17 4、总结与体会 这次课程设计让我感受颇深，首先在刚拿到这个设计要求时，很是束手无 策，但是通过卢老师悉心指导后来小组成.员的无私的帮助，一次一次的翻阅参 考资料，一次一次的捉摸，终于在老师的一次次指导下和小组成员的共同努力 下 完成了这次课程设计，真的是付出多少就能得到多少啊!像这样完成一次课程 设计，不仅使我们对学习的认识有了更深入的了解，对知识的运用有了更加深 刻的体会。另外在设计的过程同学们提出的好的建议使我意识到学习贵在交 流，只有在交流中
28、才能提升自己，刁一能丰富自己的知识;只有在交流中才能产 生许多新的火花新的思想。一要想完成设计，必须要做到一思不苟，对各个部 位的电路图都要检查检查再检查，务必达到完美，因为电子方面只一要出现一 点小错误都会导致整体的瘫痪，因此不能粗心大意.在设计的过程中，我知道了 做任何事情都应该以严谨的态度对待，这个设计一让我有了个能够综合运用所 学知识的机会;让我的动手能力，逻辑思维能力得到了相应的锻炼。也让我对学 习有了 新的理解。以前我一直认为学习就只是意味课本_卜的东西而已。而学到的知识 也只是纸_卜谈兵，根本就没有实际灼应用，因此对学习并不是很积极。而这次 的课程设计完全改变了我的想法，让我知道
29、了理论的存在是为了指导实践，没 有了理论的指导就不会有实践的成功。 作为当代大学生，我明白了，我们应该多多加强动手能力的训练，正所 谓“实践出真知” 。理论和实践是不可分的整体! 18 19 5、谢辞 这次能够完成本次课题，自己感到十分的高兴。在此我必须感谢从开始到 最 后帮助过我的人 我衷心地感谢在这次设计过程中给与我无私帮助的所有老师以及本小组所 有的成.员。通过这次课程设计，老帅不仅教导了我们要在关乎大局的小细节小 心谨慎，更要在将来的整个学习、工作生涯中一丝不苟，老师给予我的帮助及 教导必将让我终身受益。同时，小组成员也总是耐心地帮助我理解不能理解不 懂的地方。再次感谢耐心帮助我的指
30、w 老帅及同小组成员们以及辛苦评阅设计 说明书的老师! 20 参考文献 【1】李东生 Protel 99se 电路设计技术入门与应用M,合肥 :电子工业出版社，2001.12 【2】袁增贵 Protel 99se 电路设计教程M 北京:清华大学出版社 2003.8 【3】康华光，电子技术基础模拟部分(第五版)M武汉华中科技大学:高等教育出版 【4】康华光.电子技术基础数宇部分(第五版)M.武汉华中科技大学:高等教一育出版 社，2005.7 【5】彭军，电子线路设计与制作【M】.北京:科学出版社 2005.4 【6】葛汝明.电子线路实验与课程设计M.济南:山东大学出版社 2006.3 【7】李银华.电子线路设计指导教程M.北京:北京航空航天大学出版社 2005.6 【8】徐敏，电子线路实习指导教程M比京:机械工业出版社 2005.8 【9】李洋，现代电子设计与创新【M. 北京:中国电力出版社 2007.7 【10】安真菊 电子技术课程设计M北京:机械工业出版社 2007.1 【11】宋家友.张友汉 新编电子线路设计实用手册M.福州 :福建科学技术出版社 2007.5 【12】吴慎山 电子线路设计与实践M北京:电子工业出版社 2005.9 21 附录 1 可燃性气体报警仪监测总电路图 、 22 附录 2 可燃性气体监测报警仪主要元器件 清单 23 附录 3 程序代码 24 25
