基于单片机的煤气泄漏报警系统设计毕业设计论文 精品.docx

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摘要

煤气已成为人们生活中必不可少的能源了，煤气泄漏时有发生，煤气泄漏使人中毒，可能会发生爆炸，给人们的人身安全和财产安全带来了很多隐患，所以防止煤气泄漏检测装置已成为人们迫切的需要，为此开发煤气泄漏报警检测装置是非常必要的。

计算机以及单片机的普及和信息技术的迅猛发展，人们已经对家庭住宅环境提出了更高的要求，智能化、信息化被引入家庭，便利，舒适而且更加安全。

家庭智能化的定义，在国际上至今尚无一致的理念，在现代化的城乡住宅小区中和采用微型计算机、自控装置、通信等技术，建立一个物业管理中心与安全防护监控系统，最终的目的是使每一个祝贺得到满足其要求的最佳方案。

这些足以表明人们最注重的还是安全。

而且国家建设部规定，目前住宅小区应实现六项智能化要求，其中就包括实行安全防范系统自动化监控管理；防盗报警系统应安红外或微波与煤气泄漏报警器等各种类型报警装置，基于此项规定，煤气泄漏检测报警装置实现智能化势在必行。

本系统主要针对传统煤气，液化气的泄漏进行检测，报警。

本系统有如下特点：

用单片机实现控制，电路简单、价格便宜、可靠性好。

采用增强型51单片机，MQ-2气体传感器，煤气泄漏是会发出灯光和声音的报警，因此本系统可作为智能家居的一个安全系统！

关键词：

煤气泄漏；单片机；气体传感器

Abstract

Gashasbecomeanessentialenergyinpeople'slives,Gasleakincidentoccasionally,gasleakcanmakepeopleexplode,broughtalotofhiddendangerstopersonalsafetyandpropertysecurityofpeople,sotopreventthegasleakdetectionthedevicehasbecomeanurgentneed,forthedevelopmentofthegasleakalarmdetectiondevicesisnecessary.

Thepopularityofcomputerandmicrocontroller,andtherapiddevelopmentofIT,peoplehavebeenraisedonthefamilyresidentialenvironmentahigherdemandintelligence,informationwasintroducedtothefamily,convenient,comfortableandmoresecure.

Thedefinitionofthefamilyofintelligent,intheinternationalcommunitysofarthereisnoconsistentphilosophyinthemodernurbanandruralresidentialareaandtheuseofmicro-computer,automaticcontroldevices,communicationtechnologiessuchastheestablishmentofapropertymanagementcenterandthesecuritymonitoringsystem,theultimateaimiseachcongratulategetthebestsolutiontomeettheirrequirements.Thesearesufficienttoshowthatthesecurityfocus.TheprovisionsoftheMinistryofConstruction,theresidentialareashouldachievesixintelligent,includingtheimplementationoftheautomatedmonitoringandmanagementofsecuritysystem;burglaralarmsystemshouldbeinfraredormicrowave,gasleakalarms,andothertypesofalarmdevices,basedonthisparagraph,gasleakdetectionalarmdeviceintelligenceisimperative.

Thissystemismainlyforconventionalgas,liquefiedpetroleumgasleakdetection,alarm.Thissystemhasthefollowingcharacteristics:

withMCUcontrolcircuitissimple,cheap,andgoodreliability.Enhanced51microcontroller,theMQ-2gassensors,gasleakemitslightandsoundthealarm,thissystemcanbeusedasasmarthomesecuritysystem!

Keywords:

gasleak;microcontroller;gassensor

1引言

1.1煤气泄漏检测报警装置的背景及意义

近年来随着人们生活水平的提高，管道煤气和罐装煤气已经深入到百姓家庭。

但是由于使用不当或者设备老化等原因导致的煤气泄漏极大的威胁着人们的生命以及财产安全

CO是一种无色、无嗅、无味、无刺激性的气体，几乎不溶于水，当与空气混合达到12．5％～80％时具有爆炸性。

此外，CO通过人体呼吸作用进入血液循环，造成缺氧血症，导致组织缺氧，抑制组织呼吸。

它又是煤气中对人体危害最大的有毒气体。

目前，管道煤气和罐装煤气早已进入寻常百姓家，但由于使用不当或设备老化等导致的煤气泄漏问题也日趋突出，极大地威胁人们生命财产安全。

在实验室进行研究工作及工业现场施工时，也经常出现因有毒气体泄漏而引发的事故，有时甚至危及生命和财产安全。

因此，研制有效的，能够用于工业现场和用于家庭环境的有害气体检测装置具有很大的意义，市场应用前景广阔。

下面是一氧化碳与健康成年人中毒可能发生的症状

50ppm健康成年人在八小时内能承受的最大浓度

200ppm2-3小时后轻微头痛，乏力

400ppm1-2小时内前额疼痛，3小时后威胁生命

800ppm45分钟内眼花、恶心、痉挛；2小时内失去知觉；2-3小时内死亡

1600ppm20分钟内头痛、眼花、恶心；一小时内死亡

3200ppm5-10分钟内头痛、眼花、恶心；25-30分钟死亡

12800ppm1-3分钟死亡

根据以上数据，可见煤气泄漏时刻危害着人们的生命，当煤气泄漏不仅可以使人中毒，而且还随时可能发生爆炸的危险，面对煤气泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。

使用煤气报警器是对付煤气无形杀手的重要手段之一。

煤气专家指出，煤气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒事件的根源，如采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。

有关部门经长期测试得出结论，煤气报警器防止煤气泄漏事故发生的有效率达95%以上。

所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

1.2煤气泄漏报警器的现状

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有一道防线。

煤气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可煤气体，将探测新号用模拟量传递给控制电路，当可煤气体浓度超过设定值时，装置的报警灯会发出信号，报警器会发出声音报警。

煤气体报警器的探测煤气体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，在传感器表面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、工厂、学校、仓库、化工等众多领域。

按检测气体可分为：

可煤气体报警器，有毒气体报警器和复合式气体传感器。

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。

城市煤气规范中规定地下室，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。

建筑和煤气的相关规范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，控制器可防止于值班室。

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，其核心部件为内置气体传感器，传感器检测空气中气体的浓度。

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，当气体浓度达到或者超过报警点时，报警器发出报警新号，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便宜，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，其中包含CO传感器的研究和应用方面达到了很高水平，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CO安全立法的重视和人们对安全的需要，对CO传感器需求的持续增长，CO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CO传感器产品。

1.3设计任务

本文设计了一种灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜的煤气检测系统，采用气敏传感器，气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的一种敏感器件，它将气体成分、浓度等有关的信息转换成电信号，从而可以进行检测。

目前，人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方式来操作，开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是极为必要的。

而声光信号是信息的又一主要载体，如果在这些测量场合能用声光信号直接报出结果，将给操作人员带来极大方便，本文就介绍一种新型的气敏传感器测试系统，从组成、硬件设计以及程序流程及代码等几方面对其进行了详细的介绍。

。

2煤气泄漏检测报警装置的方案设计

2.1设计思想

煤气泄漏检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：

气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。

模数转换电路将从煤气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。

单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值（也就是报警限），如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态。

为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入灯光报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。

以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

气敏传感器及单片机是煤气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的气敏传感器及单片机芯片是至关重要的。

2.2气体传感器的选型

气体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。

气体传感器作为煤气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。

2.2.1气体传感器介绍

1.气体传感器的分类

气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：

（1）利用物理化学性质的气体传感器：

如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。

（2）利用物理性质的气体传感器：

如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。

（3）利用电化学性质的气体传感器：

如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。

2.气体传感器应满足的基本条件:

一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：

（1）能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；

（2）对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；

（3）对检测信号响应速度快，重复性好；

（4）长期工作稳定性好；

（5）使用寿命长；

（6）制造成本低，使用与维护方便。

3.常见气体传感器简介

（1）半导体气体传感器

半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。

自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。

该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。

按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

（2）固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成电动势从而测量气体浓度。

由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。

但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。

（3）接触燃烧式气体传感器

当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升,通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道气体的浓度。

（4）高分子气体传感器

利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。

高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。

高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。

高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。

（5）电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。

气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。

它的优点是：

反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。

它主要适用于毒性气体检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

（6）热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。

它的测量原理是：

将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。

温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。

（7）红外传感器

红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。

在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。

未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。

非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易然气。

由于非碳氢化合物易燃气体（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。

4.常见气体传感器可检测气体种类

由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。

例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。

固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。

2.2.2气体传感器的选定

天煤气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。

使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。

阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。

一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。

而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

2.3煤气泄露报警系统的整体设计方案

2.3.1煤气泄露报警器工作原理

本论文中的煤气泄漏报警器以STC12C5A60S2单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集气体信息。

首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入STC12C5A60S2单片机；然后，在STC12C5A60S2单片机内A/D转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯亮。

另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。

为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。

2.3.2煤气泄露报警器的结构

为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可煤气体浓度、可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。

其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。

系统使用STC12C5A60S2单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，显示电路，及报警装置开发了可用于家庭或小型单位天煤气泄漏报警器。

整个设计由3大部分构成：

气敏传感器、STC12C5A60S2单片机、显示电路。

气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。

2.4装置功能说明

煤气泄漏检测装置，顾名思义是用来检测煤气泄漏，使煤气使用更加安全。

在使用此装置前，首先设置好报警的气体浓度值，设置浓度可调，将装置放置在煤气容易泄漏的区域，当煤气或者其他煤气泄漏的时候，空气中气体浓度超过设定值时，装置会发出灯光及声音的报警。

2.5装置效果图

图2.1成品效果图

3煤气泄漏检测报警装置的硬件部分设计

硬件电路形象的说就是整个装置的框架，硬件电路的设计，直接影响装置功能能否实现。

硬件电路的设计首先必须了解各原件的性能指标，工作原理，以及整体的电路连接。

本章主要介绍一些单片机最小系统，显示电路，传感器电路

3.1STC12C5A60S2系列单片机简介

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换（250K/S.，即25万次每秒），针对电机控制，强干扰场合。

1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051

2.工作电压：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.5V（5V单片机）

STC12LE5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......

5.片上集成1280字节RAM

6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：

准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达20mA，但整个芯片最大不超过120mA。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器

可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）

9.看门狗

10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）

11.外部掉电检测电路:

在P4.6口有一个低压门槛比较器，5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V单片机为1.31V，误差为±3%

12.时钟源：

外部高精度晶体/时钟，