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危险气体泄漏报警毕业设计论文

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目　　录

引言1

１总　述2

２设计要求3

3方案论证及说明4

3.1方案一：

防盗报警器的论证4

3.1.1红外线报警器的论证4

3.1.2被动式热释电红外报警器的论证4

3.2方案二：

危险气体报警器的论证5

3.2.1催化燃烧式可燃气体报警器的论证5

3.2.2利用集成运放完成的气体报警器的论证5

3.3方案三：

无线发射与接收的论证6

3.3.1VD5026VD5027无线发射与接收电路的论证6

3.3.1PT2262PT2272无线发射与接收电路的论证6

3.4方案四：

单片机的论证7

4危险气体泄露报警器设计8

4.1可燃性爆炸气体的形成8

4.2可燃气体报警器的分类8

4.2.1按使用方法分类8

4.2.2按传感器原理分类8

4.3主要技术指标9

4.3.1技术参数9

4.3.2主要特性9

4.3.3器件选择10

4.4工作原理10

4.5可燃气体报警器的应用范围12

4.5.1用于监测报警12

4.5.2寻找泄漏点12

4.5.3个人防护12

4.6可燃气体报警器的安装12

4.7可燃气体报警器的维护13

4.8可燃气体报警器校准14

4.8.1直接校准14

4.8.2相对校准14

4.9可燃气体检测器的防爆14

5.红外热释电报警器的电路的设计15

5.1BISS0001的结构和工作原理15

5.1.1BISs0001引脚功能说明15

5.1.2BISSO001的电气参数16

5.1.3BISSO001工作原理16

5.2BISS0001在热释电红外报警应用电路17

5.3安装调试19

6.PT2262PT2272编码解码电路的设计20

6.1PT2262PT2272编码解码芯片介绍20

6.1.1PT2262PT2272特点20

6.1.2PT2262PT2272应用范围20

6.1.3PT2262引脚见图3—120

6.1.4PT2262参数如表3—221

6.1.5PT2272解码电路引脚见图3—222

6.1.6PT芯片的地址编码设定和修改23

6.2PT芯片的发射与接收23

6.2.1PT芯片的发射与接收应用电路的设计24

6.2.2PT2272接收电路设计25

7.单片机显示电路的设计26

7.1MCS-51单片机的介绍26

7.2单片机的结构有类型27

7.3MCS-51的引脚说明28

7.4单片机显示电路原理30

参考文献33

附录34

致谢40

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，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。

１总　述

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，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，非常适用在工厂、企业和家庭中应用。

２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，以增加报警的突然性与隐蔽性。

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.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，已广泛应用于红外测温、红外报警、工业过程自动监控、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10mA；工作温度为-20—70℃；贮存温度-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

3.3.1VD5026VD5027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1～8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。

3.3.1PT2262PT2272无线发射与接收电路的论证

PT226PT2272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，PT最多可有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。

PT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。

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PT2262PT2272。

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，所以选用此单片机。

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（LowerExplosiveLimit），爆炸上限用“UEL”表示（UpperExplosiveLimit）。

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+V2>V1，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、定量检测、控制可靠、不易产生误报。

目前绝大部分可燃气体检测采用该类型传感器。

（2）红外式可燃气体报警器（根据滤光技术而定）：

红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理，具有抗中毒性好，反应灵敏，对大多数碳氢化合物都有反应：

但结构复杂，成本高。

（3）半导体式可燃气体报警器半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电导率，通过电流变化的比较，激发报警电路。

由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。

因其反应十分灵敏，故目前广泛用于测量气体的微漏现象。

（4）热导式可燃气体报警器的工作原理是利用各种气体不同的热导系数，即具有不同的热传导速率来进行测量的。

当被测气体以恒定的流速流人仪器时，热导池内的铂热电阻丝的阻值会因被测气体的浓度变化而变化，运用惠斯顿电桥将阻值信号转换成电信号，通过电路处理将信号放大、温度补偿、线性化，使其成为测量值。

氢气浓度的测量一般采用热导式气体分析仪器，由于氢气的热导系数较高，一般测量氢气浓度的分析仪器都采用热导原理。

4.3主要技术指标

4.3.1技术参数

a、工作电压：

交流220V

b、静态功耗：

＜2W

c、报警浓度：

液化气0.1%—0.5%；天然气0.1%—1%；城市煤气（H2）0.1%—0.5%；一氧化碳0.1%—0.4%

d、燃气响应恢复时间：

≤30s；一氧化碳响应恢复时间：

≤200s

e、报警音量：

≥70dB

f、工作环境：

湿度≤97%RH；温度-15℃—+50℃

4.3.2主要特性

a稳定性

稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。

零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。

区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。

理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10％。

b灵敏度

灵敏度是指传感器输出变化量与被测输人变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。

大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。

首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性

c选择性

选择性也被称为交叉灵敏度。

可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。

这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。

这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。

d抗腐蚀性

抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。

在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分10-20倍。

在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。

气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。

选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。

4.3.3器件选择

a．MR513热线型半导体气敏元件

MR513型气敏元件通过气体吸附在金属氧化物半导体表面而产生热传导变化及电传导变化的原理，由白金线圈电阻值变化测定气体浓度。

MR513由检测元件和补偿元件配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻减小，桥路输出电压变化，该电压变化随气体浓度增大而成比例增大，补偿元件起温度补偿作用。

该器件适合民用，工业现场的便携式酒精探测器和汽车点火控制系统。

b．MQ—303A酒精传感器

MQ—303A是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，对酒精具有高灵敏度和快速的响应性，适合于便携式酒精探测器和汽车点火控制系统。

c．M007可燃性气体传感器

M007可燃性气体传感器用于家庭及工业对丙烷，丁烷，氢气及其他可燃性气体的检测（天然气，液化石油气等）。

4.4工作原理

危险气体泄露报警器电路如图1—1

工作过程是：

在待机状态下，传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度，当室内可燃性气体的浓度超过5％时，传感器产生的电压将超过门限电压，此时振荡器开始工作，输出脉冲去控制蜂鸣器发出报警，同时经三极管控制继电器，将拍风扇打开，使可燃性气体的浓度降低，避免因可燃性气体的浓度过高引起爆炸或使人员发生中毒，同时控制无线发射电路工作，发出无线报警信号，使远程监控人员及时发现，避免重大事故的发生。

图1—1　危险气体泄露报警器电路

4.5可燃气体报警器的应用范围

4.5.1用于监测报警

将固定式可燃气体报警器安装在易燃易爆气体的生产、储运、使用等场所中，及时检测气体含量，及早发现泄漏，并将其与保护系统联动，使保护系统在气体达到预先设置的报警值时动作，如激活排风扇，喷淋，自动切断电源，安全报警系统等，可以避免事故的发生。

4.5.2寻找泄漏点

将固定式可燃气体报警器与计算机连接，当泄漏报警后，能迅速找到泄漏点，采取适当的堵漏措施。

在有些情况下，由于管线较长，容器较多，泄漏点较隐蔽，而在有效制止泄漏之前，一定要确定泄漏的地点。

由于任何情况下，任何气体或蒸汽都是从其源头扩散出来的，离泄漏点越近，气体的浓度越高。

当完全扩散后，浓度稀释为零。

而我们用便携式报警器可以测量到很多气体和蒸汽的浓度变化，并跟随浓度的增加发现源头。

报警器所具有的泄漏检测能力不仅可以快速找到危险源头，而且可以节省很多时问和费用。

4.5.3个人防护

工作人员进入储藏危险物品密闭空间、进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时，直携带便携式可燃气体报警器检测危险气体