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煤气泄漏报警器论文

摘要

随着社会科学技术的发展带动的经济增长，广阔居民对自身的生活质量和生活环境越来越重视，因此天然气、煤气的广泛使用为人们带来了极大的方便，与此同时也带给人们潜在的危险。

由于近几年来人们更多地采用更安全的天然气燃料，导致对煤气燃料的疏忽，由煤气导致的家庭煤气中毒与爆炸事件不在少数，因此有一个能及时并准确检查煤气泄漏报警装置十分重要。

本次设计是基于单片机和气体传感器作为可燃性气体泄漏报警器设计的核心器件，配合其他的器件即可实现室内温度显示和报警功能等。

设计中单片机作为系统的控制器件，选用气体传感器来实现对可燃性气体的检测。

煤气泄漏报警器主要由单片机控制系统电路、温度信号和气体信号的采集及模数转换电路、声光报警电路、数码管显示电路构成。

此次设计合理，价格低廉、电路原理简单易懂，具有一定的实用性价值。

论文主要针对控制系统电路和其它模块电路之间的接口连接方式以及系统的软件设计进行重点的分析和讲解。

关键词：

煤气泄漏；单片机；气体传感器

ABSTRACT

Withthedevelopmentof socialscienceandtechnology driven economicgrowth，themajorityofresidentson theirown qualityoflife andlivingenvironment seriouslymoreandmore，soitiswidely used innaturalgas，coalgas bringsgreatconveniencetopeople, atthesametime alsobring potentialdanger.Inrecentyears，moreandmorepeople usingnaturalgasasfuelformore security，leadingtothe gas fuel gas caused by negligence， the family ofgaspoisoningand explosion intheminority，so one can timelyandaccurately isveryimportantto checkthegas leakagealarmdevice.

Thisdesignsthe coredeviceof gassensorbasedon singlechipmicrocomputer and thecombustiblegasleakage alarmdesign，cooperatewithother devicescanachieve theindoortemperature displayand alarmfunctions. Thedesignof MCUasthecontrol device, the gassensorfor detection of combustiblegas. Thealarm ismainlycomposedofsinglechipcomputer controlsystemcircuit，analogtemperaturesignal acquisitionand signalconversioncircuit and gas, soundandlightalarmcircuit，digitaldisplay circuitcomposedof agasleak.The reasonabledesign, lowprice，simple circuit, hassomepracticalvalue. Thesoftwaredesignof paper betweenthecontrolsystem circuitandother circuitmodule interfaceconnectionmode andsystem analysisand explanationofthekey.

Keywords：

gasleakage；MCU；gassensor

第1章引言

1.1选题背景

在当今社会发展中，现代科技的发展给人类带来了很大的方便，随着电子信息技术的快速进步，从单片机问世以来，就一直受到人们的关注和重视，随着近几十年人们对单片机的不断开发和利用，使得单片机被广泛应用于各种控制系统中。

然而，人生安全问题也越来越受到人们的重视。

在现代的多数农村以及城郊结合部地区，煤气罐非常常见。

可燃性气体给我们带来的方便不言而喻，但它们对人体的危害也是显而易见的，为了人们生命安全，煤气泄漏报警器的存在是非常重要的。

因此设计一款基于单片机的可燃性气体泄漏的报警控制系统来对燃气浓度进行检测，防止因燃气泄漏导致浓度过高而引起的煤气中毒和爆炸事件，为人们提供安全的保障。

与此同时也会减少不必要的财产损失。

1.2设计课题的目的及意义

随着人们生活水平的不断提高，从20世纪70年代末中国的一些城市家庭便开始使用煤气罐作为燃料。

直至现在，很多北方地区、农村家庭以及许多家庭旅馆、餐厅仍然在使用煤炉、煤气罐等。

每年，全国因煤气泄漏致使的人员伤亡事故仍时常发生。

甚者，也有因煤气浓度过高引起爆炸等。

济南1.3煤气大爆炸1995年1月3日17时50分，济南市和平路羊头峪东沟街地下电力电缆沟突然发生大爆炸，造成2.2km路段的人行道和部分路面不同程度损坏，严重地段的临街建筑物玻璃炸毁，铺路花砖炸裂，快车道上61人受伤，12人死亡，7辆过路车损坏，直接经济损失400余万元。

此次大爆炸的原因仍然是煤气泄漏引起的。

1995年1月3日17时50分，该街一家玻璃店的煤炉首先引爆了煤气，紧接着煤气管道上方的7条10000V的高压电缆突然跳闸，产生的电火花再次引爆储存在沟内的煤气而发生连续爆炸。

爆炸形成了一条3km长的丁字形爆炸区。

行驶中的车辆被炸翻、砸坏，多处高空电线和电线杆被炸断，马路两侧的部分楼房玻璃被震碎，临街围墙坍塌，商亭支离破碎，平房屋顶掀起，3辆摩托车随着爆炸声飞挂到3m高的房顶上，铺设人行道的水泥方砖落在60m以外的宿舍院内。

这类似的新闻不在少数，由于近几年来人们更多地采用更安全的天然气燃料，导致对煤气燃料的疏忽，由煤气导致的家庭煤气中毒与爆炸事件不在少数，因此有一个能及时并准确检查煤气泄漏报警装置十分重要。

研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。

1.3课题的国内外研究现状

煤气泄漏报警器因能检测多种可燃性气体，所以多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体别离型报警器、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。

可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。

有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。

国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，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；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。

因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在1996年—2002年就煤气报警器的年均增长率为27％～30％。

在这些方面，国内应该增强安全意识增强。

可燃性气体泄漏报警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，这也是燃气泄漏报警器一直追求的目标；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可燃性气体泄漏气报警器。

如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。

目前，一般的煤气报警器功能单一，性能未定性差，而且大型的监控系统价格不菲，需要专门人员管理，不适合居家使用。

家用煤气泄漏的检测与报警是非常重要的煤气安全设备，它是安全使用煤气的最后一道防线。

煤气泄漏报警器的探测煤气的传感器主要是有氧化物半导体、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量其他类型。

这些传感器都是通过对周围环境中的煤气的吸附，在传感器外表产生化学反映或者电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变。

煤气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、公司、仓库、化工等众多领域。

气体传感器检测的气体有，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氢气等可燃或者有毒气体！

 煤气泄漏报警器从功能上可分为仅有泄漏报警功能的报警器和可以指示所探测到气体浓度并且具有报警功能的检测报警器。

从使用场所上可分为民用报警器和商用报警器。

民用的通常是独立的在住宅中使用的煤气报警器，功能简单。

商用的主要使用在煤气运输、储存场所、使用煤气和可能有煤气泄漏的工厂和公共场所。

城市煤气标准中规定地下室，半地下室，地上密闭空间的用气房间，建筑的管道井，封闭计量表房等都要安装煤气报警器。

建筑和煤气的相关标准和法规也推荐使用民用煤气泄漏报警装置。

 工业用固定式气体报警器是由报警控制器和探测器组成，控制器可放置于值班室。

主要对各监测点进行监控，探测器安装于气体最容易泄漏的地点。

探测器将检测到的气体浓度转换成电信号，通过线缆传输到控制器，浓度越高信号越强，当气体浓度到达或者超过报警点时，报警器发出报警信号，如果是阀门泄漏可启动电磁阀及排气扇等设备自动排除隐患。

便携式检测仪为手持式，工作人员可随身携带，方便检测不同地点的气体浓度。

家庭用气体检测器价格廉价，使用方便，省空间。

目前，随着传感器生产工艺水平的提高，传感器日益小型化，集成度不断提高，使得气体检测仪器越来越小。

能用一种仪器检测多种不同气体是气体检测仪的发展趋势。

国外在气体传感器的研究和应用方面到达了很高水平，形成了多系列多品种的产品。

相比之下我国的研究和应用比较滞后，特别在产品开发上亟待加强。

随着中国在世界加工制造业领域地位的不断提高，国内外技术交流的频繁开展，在传感器制造方面的条件正在成熟，加上政府对可燃性气体安全立法的重视和人们对安全的需要，对气体传感器需求的持续增长，气体传感器的市场正在不断成熟，相信在几年内我国会出现自己知识产权的气体传感器产品。

第2章系统概述

2.1课题的主要任务

1.气体检测，将燃气泄漏状态处理成高低电平信号，将该信号输入到单片机，通过单片机编程控制报警电路的工作状态。

2.温度显示，通过温度传感器，将室内温度转换为16位二进制数，通过单片机I/O接口传入单片机，并通过编程在数码管上显示出当前温度值。

3.要求报警器设计的性能可靠，经济合理。

当出现天然气和液化气泄漏时，报警器能及时报警。

2.2方案的选择

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。

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。

该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。

方案三，通过单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。

键盘可以通过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。

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。

2.3单片机的选型

单片机是煤气泄漏报警系统的心脏，用来接收可燃性气体浓度信号并启动报警装置显示和执行相应的报警。

在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的气体浓度等级，并进行相应处理。

同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，在单片机家族的众多成员中，51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的市场，成为国内单片机应用领域中的主流。

其中，51系列单片机的优点是价钱廉价，I/O口多，程序空间大。

因此，测控系统中，使用51系列单片机是最理想的选择，因此设计采用AT89C52。

2.3.1AT89C52单片机简介

AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器〔RAM〕，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器〔CPU〕和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。

其主要工作特性是：

片内程序存储器内含8KB的Flash程序存储器，可擦写寿命为1000次；片内数据存储器内含256字节的RAM；具有32根可编程I/O口线；具有3个可编程定时器；中断系统是具有8个中断源、6个中断矢量、2个级优先权的中断结构；串行口是具有一双工的可编程串行通信口；具有一个数据指针DPTR；低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式具有可编程的3级程序锁定位；AT89C52工作电源电压为5〔1+0.2〕V，且典型值为5V；AT89C52最高工作频率为24MHz。

其管脚图2.1如下所示：

图2-1AT89C52管脚图

2.3.2单片机引脚功能介绍

VCC：

电源

GND：

接地

P0口：

P0口是一个8位漏级开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0口端口写“1”时，引脚作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节：

在程序效验时，输出指令字节。

程序效验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位是双向I/O口，P1的输出缓冲

级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑电平。

对P1口写“1”时，内部上拉电阻的原因，将输出电流ILL。

在Flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲级可

驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑电平。

对P2口写“1”时，通过内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

在访问外部好曾许存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在Flash编程和校验时，P2口接收低8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3输出缓冲级可驱动〔吸收或输出电流〕4个TTL逻辑电平。

对P3口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入端口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流ILL。

在Flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

晶振工作时，RST脚持续2个机器周期以高电平将使用单片机复位。

ALE/

：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE〔地址锁存允许〕输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲〔PROG〕。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器〔SFR〕区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条

MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

：

程序储存允许〔PSEN〕输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令〔或数据〕时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器〔地址为0000H—FFFFH〕，EA端必须保持低电平〔接地〕。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平〔接Vcc端〕，CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

：

振荡器反相放大器的输出端。

气体传感器作为煤气泄漏报警器中不可缺少的核心器件，是气体测量装置和控制系统的首要环节。

煤气泄漏报警器的信号采集由气体传感器负责。

气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、电脑等利用的信息的装置。

它能够将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在的情况有关的信息，从而到达检测、监控、报警的功能。

可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测、控制和报警系统。

2.4.1气体传感器的介绍

气体传感器是模拟传感器。

它能将空气中的气体浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

气体传感器就是通过监测环境中气体的浓度来实现燃气泄漏爆炸事件的。

当气体探头碰到某些特定的气体或烟雾，气体探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。

气体传感器利用气体敏感元件的电阻受气体〔主要是可燃颗粒〕浓度影响阻值变化的原理向单片机发送气体浓度相应的模拟信号。

随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得煤气泄漏传感器的体积也逐渐变小，提高了煤气泄漏传感器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。

目前，煤气泄漏传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。

在国内的产品中，无论哪家生产的煤气泄漏传感器，都可以探测到燃气泄漏的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。

但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。

使得用户面对众多厂家生产的煤气泄漏传感器感到不知所措。

而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。

2.4.2气体传感器的分类

早在上个世纪70年代，气体传感器就已经成为传感器领域一个大系，属于化学传感器一个分支。

目前流行于市场气体传感器大约有如下一些种类：

1、催化燃烧式气体传感器

这种传感器是白金电阻外表制备耐高温催化剂层，一定温度下，可燃性气体其外表催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度函数。

催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体：

但凡可以燃烧，都能够检测；但凡不能燃烧，传感器都没有任何响应。

当然，“但凡可以燃烧，都能够检测”这一句有很多例外，总来讲，上述选择性是成立。

催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命较长。

传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。

缺点：

可燃性气体范围内，无选择性。

暗火工作，有引燃爆炸危险。

大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用。

目前这种传感器主要供给商中国、日本、英国〔发明国〕！

目前中国是这种传感器最大用户〔煤矿〕，也拥有最正确传感器生产技术，尽管不断有各种各样代理商宣传上干扰社会对这种传感器认识，毕竟，催化燃烧式气体传感器主流制造商国内。

2、半导体式气体传感器

它是利用一些金属氧化物半导体材料，一定温度下，电导率环境气体成份变化而变化原理制造。

比方，酒精传感器，就是利用二氧化锡高温下遇到酒精气体时，电阻会急剧减小原理制备。

半导体式气体传感器可以有效用于：

甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。

尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测需求。

以下几种半导体式气体传感器是成功：

甲烷〔天然气、沼气〕、酒精、一氧化碳〔城市煤气〕、硫化氢、氨气〔包括胺类，肼类〕。

高质量传感器可以满足工业检测需要。

缺点：

稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能确定，不宜应用于计量准确要求场所。

目前这种传感器主要供给商日本〔发明者〕，其次是中国，最近有新加入了韩国，其他国家如美国这方面也有相当工作，始终没有汇入主流！

中国这个领域投入人力和时间都不亚于日本，多年来国家政策导向以及社会信息闭塞等原因，我国流行于市场半导体式气体传感器性能质量都远逊于日本产品，相信，市场进步，民营资本进一步兴起，中国产半导体式气体传感器到达和超越日本水平已经指日可待！

3、电化学式气体传感器

相当一部分可燃性、有毒有害气体都有电化学活性，可以被电化学氧化复原。

利用这些反应，可以分辨气体成份、检测气体浓度。

电化学气体传感器分很多子类：

〔1〕原电池型气体传感器〔也称：

加伏尼电池型气体传感器，也有称燃料电池型气体传感器，也有称自发电池型气体传感器〕，他们原理行同我们用干电池，电池碳锰电极被气体电极替代了。

以氧气传感器为例，氧阴极被复原，电子电流表流到阳极，那里铅金属被氧化。

电流大小与氧气浓度直接相关。

这种传感器可以有效检测氧气、二氧化硫、氯气等。

〔2〕恒定电位电解池型气体传感器，这种传感器用于检测复原性气体非常有效，它原理与原电池型传感器不一样，它电化学反应是电流强制下发生，是一种真正库仑分析传感器。

这种传感器已经成功用于：

一氧化碳、硫化氢、氢气、氨气、肼、等气体检测之中，是目前有毒有害气体检测主流传感器。

〔3〕浓差电池型气体传感器，具有电化学活性气体电化学电池两侧，会自发形成浓差电动势，电动势大小与气体浓度有关，这种传感器成功实例就是汽车用氧气传感器、固体电解质型二氧化碳传感器。

〔4〕极限电流型气体传感器，有一种测量氧气浓度传感器利用电化池中极限电流与载流子浓度相关原理制备氧〔气〕浓度传感器，用于汽车氧气检测，和钢水中氧浓度检测。

目前这种传感器主要供给商遍布全世界，主要德国、日本、美国，最近新加入几个欧洲供给商：

英国、瑞士等。

中国这个领域起步很早，产业化进程效果不佳。

4、热导池式气体传感器

每一种气体，都有自己特定热导率，当两个和多个气体热导率差异较大时，可以利用热导元件，分辨其中一个组分含量。

这种传感器已经传感器用于氢气检测、二氧化碳检测、高浓度甲烷检测。

这种气体传感器可应用范围较窄，限制因素较多。

这是一种老式产品，全世界各都有制造商。

产品质量全世界大同小异。

5、磁性氧气传感器

这是磁性氧气分析仪核心，目前也已经实现了“传感器化”进程。

它是利用空气中氧气可以被强磁场吸引原理制备。

这种传感器只能用于氧气检测，选择性极好。

大气环境中氮氧化物能够产生微小