危险气体泄漏报警张凯教材.docx

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危险气体泄漏报警张凯教材

毕业设计（论文）

论文题目:

危险气体泄露报警器设计

系部:

自动控制系

专业:

楼宇智能化工程技术

班级:

姓名:

学号:

指导老师:

2016年4月20日

摘要

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。

本设计以STC89C51为主控芯片，MQ-2气敏传感器为传感单元的气体报警器，温度传感器选用DS18B20传感器，实现对温度的检测。

MQ-2气敏传感器，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优，而且价格低廉使用寿命长，其与ADC0809芯片连接，将气体信号转换为单片机可识别的数字信号。

这些传感器及芯片传输的信号，经STC89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个设定值，如果大于则会自动启动报警电路发出报警信号，反之则为正常状态。

基于以上设计，该系统是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉且智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。

当环境中可燃气体浓度或温度发生变化而超出安全临界值，系统会发出相应的灯光闪烁报警信号和声音报警信号，以此来实现危险报警与智能化提示，从而降低火灾发生的可能和保护人民的生命财产安全。

关键词：

气体检测；传感器；单片机；

ABSTRACT

Qualityiscontrolledandwithvariousnaturalgas,coalgasification,developmentanduseofliquefiedgas,variousflammablegasaredistributedinworkplaceandinpeople'slife.Forthegascompositionanalysis,airpollutiondetectioninenvironmentalprotectionanddetectionofthecivilgasleakageandcallingthepolicewhileproducinggaseffectively,domesticandinternationalscientificresearchpersonnelweredevotedtostudyingthedetectionmethodoftheflammablegasandcontrollingthemethodlongago,developthegasdetectionofallkindsandanalyticalinstrument,thecontrol,gascompositionanalysis,gasthatareusedforinenvironmentalmonitoring,productionprocessleakthealarmetc..Thewirelessflammablegasleaksthealarmandsuitableforvariousflammablegas（theliquefiedgas,naturalgas,citygas）andleaksandsurveyscallingthepolice,canworkalone,canalsocooperate6defenseareaguardagainstthefton-the-spotalarmorintelligence9defenseareawirelesstheft-proofalarmcallaircrewnetworkuseconveniently.

Withtheconstantprogressofthetimes,peopleputforwardhigherrequirementtoone'sownsecurityoflivingintheenvironment,especiallyhavetolookoutforthoseuninvitedguestsconstantlyinthesecurityofthehouse.Installtheintellectualwarningsysteminalotofdistrictsnow,thereforeimprovethesafecoefficientofthedistrictgreatly,haveguaranteepersonalpropertysafetyofresidenceeffectively.Becausetheinfraredrayistheinvisiblerays,thereareverystrongdisguiseandprivacy,soiswidelyusedinsecurityprotectiondeviceChinaofguardingagainsttheft,warningetc..Inaddition,guardagainsttheftinelectron,humanbodypersonwhosurveyfield,itischeapwithhimtoothatthepassiveformishottoclearuptheinfrareddetectorofelectricity,thecharacteristicthattechnicalfeatureisstableiswellreceivedbythemassesofusersandprofessionalpersonages.

Keywords:

Gasdetection;sensor;singlechipmicrocomputer

目录

第1章绪论1

1.1课题研究的背景及意义1

1.2课题研究的主要内容1

第2章系统总体方案设计3

2.1系统设计要求3

2.2系统的组成3

第3章系统硬件5

3.1系统模块元件选型5

3.2主控电路5

3.2.1STC89C51的介绍5

3.2.2STC89C51单片机最小系统6

3.2.3STC89C51中断系统8

3.3气体检测电路9

3.3.1气敏传感器MQ-29

3.3.2ADC0809芯片介绍11

3.4声光报警电路12

3.4.1灯光报警电路12

3.4.2声音报警电路12

3.5温度传感电路13

3.5.1DS18B20芯片简介14

3.5.2温度传感电路14

3.6LCD1602A液晶显示屏15

3.6.1LCD1602A引脚说明15

3.6.2LCD1602A操作指令及内部显示地址16

3.7按键电路17

3.8电源模块18

第4章系统软件设计20

4.1系统程序流程图20

4.2检测模块流程图20

4.3报警模块流程图21

4.3软件开发工具22

第5章系统调试24

5.1系统仿真24

5.2系统实物调试显示24

第6章总结26

致谢27

参考文献28

附录29

附录A程序30

第1章绪论

1.1课题研究的背景及意义

最近化工厂和爆炸事件的频繁发生，在这些悲剧的背后，我们应该加专注于悲剧事件发生的预防。

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。

目前市场上还很少有一种既可以监控各种天然气、煤气、液化气又可以切断危险气源，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。

1.2课题研究的主要内容

人们在经历了“煤烟型污染”和“光化学污染”后，正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。

且随着各种天然气、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。

注意可能会威胁生命的气体泄漏，来保障人们的自身安全和家人的安全。

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。

第2章系统总体方案设计

2.1系统设计要求

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。

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。

（1）当所检测的气体达到预设报警点时，报警灯闪亮，蜂鸣器发出报警声，当检测的气体的浓度下降到报警点以下时，报警器停止报警。

（2）当周围环境可燃气体浓度降到响应阈值以下时，处于报警状态的探测器将自动恢复到正常工作状态。

（3）可实现对声光报警电路气体浓度阀值的手动调节。

2.2系统的组成

系统整体由以下各个模块组成：

（1）电源模块：

为整体电路提供稳定电流输入。

（2）主控模块：

即单片机STC89C51，其作用是根据气体检测模块输出的高低电平，控制声光报警模块的工作状态，并完成温度的采集及显示功能。

（3）气体检测模块：

MQ-2气体传感器与ADC0809组成，将泄漏的气体信号转换为利于单片机识别的数字信号，并将此信号传到单片机。

（4）声光报警模块：

由蜂鸣器和LED构成,其作用是当检测到有煤气、天然气泄漏时，发出声光报警信号，提醒用户有煤气、天然气泄漏，采取相应措施。

（5）温度检测模块：

由DS18B20温度传感器构成，DS18B20将检测到的温度值转换为二进制数，并传到单片机进行处理。

（6）温度显示模块：

LCD1602A工业字符型液晶屏，显示当前温度值，气体浓度值。

（7）软件部分：

软件部分主要通过软件编程控制主控模块，根据气体检测模

块检测到气体的状态，控制声光报警模块是否发出声光报警信号，从而完成对煤气、天然气检测报警功能。

同时通过编程控制主控模块对温度采集模块进行数据采集，并通过温度显示模块显示当前温度值。

系统的组成结构如图2-1：

图2-1系统结构图

第3章系统硬件

3.1系统模块元件选型

根据系统结构简单，体积小，成本低，智能化等要求。

采用微处理器STC89C51单片机作为核心芯片，它具备高可靠、低误报的特点。

在气体传感器选择上，选用MQ-2型传感器。

它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定，不易受环境影响及抗温度影响等特点。

在信号处理上，使用ADC0809芯片，将气体信号转化为单片机可识别的数字信号。

在温度信号收集检测上，传感器选用DS18B20智能温度传感器，高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及安全性，实现对温度的检测。

温度显示模块选择LCD1602A液晶屏，显示精度通过软件编程来实现。

3.2主控电路

主控电路中选用STC89C51芯片为主控制芯片，下面就该模块的做详细介绍。

3.2.1STC89C51的介绍

该系统主控电路以STC89C51为主控芯片，是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C51为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。

另外STC89X51可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。

STC89C51引脚介绍：

（1）主电源引脚（2根）

VCC（Pin40）：

电源输入，接＋5V电源

GND（Pin20）：

接地线

（2）外接晶振引脚（2根）

XTAL1（Pin19）：

片内振荡电路的输入端

XTAL2（Pin18）：

片内振荡电路的输出端

（3）控制引脚（4根）

RST/VPP（Pin9）：

复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG（Pin30）：

地址锁存允许信号

PSEN（Pin29）：

外部存储器读选通信号

EA/VPP（Pin31）：

程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

（5）可编程输入/输出引脚（32根）

STC89C51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。

P0口（Pin39～Pin32）：

8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（Pin1～Pin8）：

8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（Pin21～Pin28）：

8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（Pin10～Pin17）：

8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7工作频率35MHZ，6T/12T可选。

STC89C51DIP封装如图所示：

图3-1STC89C51DIP封装

3.2.2STC89C51单片机最小系统

最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单且可靠。

用STC89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

STC89C51最小系统结构如图所示：

图3-2STC89C51最小系统结构

STC89C51单片机时钟电路：

STC89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：

一是内部时钟方式，二是外部时钟方式。

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚TXAL2，在芯片的外部通过这两个引角跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。

STC89C51时钟电路如图所示：

图3-3STC89C51时钟电路图

上图中，电容C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容典型值为30pF。

晶振CYS的振荡频率典型值为12MHZ。

STC89C51单片机复位电路：

当在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作（若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态）。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。

只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。

本设计就是用的按键手动复位。

按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。

其中电平复位是通过RST端与电源Vcc接通而实现的。

STC89C51按键手动复位电路如图所示：

图3-4STC89C51复位电路图

3.2.3STC89C51中断

单片机中断技术主要用于实时监测与控制，要求单片机能及时地响应中断请求源提出的服务请求，并作出快速响应、及时处理。

这是由片内的中断系统来实现的。

当中断请求源发出中断请求时，如果中断请求被允许，单片机暂时中止当前正在执行的主程序，转到中断服务处理程序处理中断服务请求。

中断服务处理程序处理完中断服务请求后，再回到原来被中止的程序之处（断点），继续执行被中断的主程序。

单片机中断响应和处理过程如图3-5所示：

图3-5单片机中断响应处理过程图

如果单片机没有中断系统，单片机的大量时间可能会浪费在查询是否有服务请求发生的定时查询操作上。

采用中断技术完全消除了单片机在查询方式中的等待现象，大大地提高了单片机的工作效率和实时性。

3.3气体检测电路

气体检测电路分两部分，主要部分是气体传感器，它将检测到的气体而产生的电压信号给ADC0809，再通过ADC0809内部模数转换电路将模拟信号转换成数字信号供单片机识别，然后单片机根据读取的相应数值调整电路工作状态。

气体检测电路如图3-6所示：

图3-6气体检测电路

在气体检测电路中，主要是通过气体传感器RL3来检测当前气体浓度值，输入端C4，R8构成低通滤波器，用来消除传感器及信号采集过程中产生的噪声。

3.3.1气敏传感器MQ-2

MQ-2型气体传感器用于以氢气为主要成分的城市煤气、天然气、液化石油的测量，抗干扰能力强，水蒸气、烟等干扰气体对它的影响小。

MQ-2型气敏元件具有以下特点：

（1）采用烧结半导体所形成的敏感烧结体，具有稳定的R（即器件在纯洁空气中的阻抗）阻值，从而保证了长期工作的稳定性。

（2）单电源供电，其功耗仅0.7W左右。

（3）对所测试的气体有极高的灵敏度和信噪比。

（4）广泛的探测范围和高灵敏度／快速响应恢复。

MQ-2型气敏元件主要参数如下:

响应时间：

Tr≤10s

恢复时间：

Tn≤60s

加热电压：

V﹢=5+0.2V

加热功率：

约0.7W

抗干扰能力：

丁烷浓度在0.2%时在湿度小于85%RH，在-10℃～+40℃温度下不会引起误报。

工作环境：

温度-10℃～+50℃，湿度≤85%RH。

器件的灵敏度：

S=Ro/Rx为10～30。

常见为QM系列的S值仅8左右。

Rx为器件在丁烷浓度为0.2%时的阻抗。

以下为MQ-2元件内外部结构图：

图3-7MQ-2元件内部结构图

图3-8MQ-2元件外部结构图

MQ-2基座采用耐高温酚醛塑料压制，引脚为镀镍铜丝，上罩采用双层密纹不锈钢网压制，有较高的强度和防爆能力。

MQ-2气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供必要工作条件。

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。

元件在气体浓度0.6%以下有极高的灵敏度。

元件通电60～90s后，即进入稳定待测工作状态。

3.3.2ADC0809芯片介绍

ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

下面就ADC0809各引脚功能做详细介绍：

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一+5V。

GND：

接地。

首先输