燃气泄漏报警系统设计方案论文(编辑修改稿)

燃气泄漏报警系统设计方案论文(编辑修改稿)内容摘要：

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体传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。 而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ2 型气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 10 燃气泄露报警系统的整体设计方案 燃气泄露报警器工作原理 本论文中的 燃气报警报警器 以 AT89C51 单 片 机为 控制核 心，采用 MQ2 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 AT89C51 单片机；然后，在 AT89C51 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，并判断 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闪亮。 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。 为了保证其可靠性，在输出 5V的电压的同时，进行故障监测。 燃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，而且应具有显示可燃气体浓度、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。 燃气泄露 报警器系统结构框图如图 ，该系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、声音及闪烁报警等功能。 系统采用高 性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 11 图 燃气泄漏报警系统结构框图 使用 AT89C51 单片机，选用 气体 传感器作为敏感元件，利用 A/D 转换器和声光报警电路 ，开发了可用于 家庭或 小型单位 燃气泄漏 报警器。 整个设计由 4大部分构成：气体传感器、 A/D 转换电路、 AT89C51 单片机、声光报警电路。 气体传 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。 声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。 气体检测报警器的功能 (1)声光报警功能 当气体浓度取值处在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。 因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 (2)看门狗自检单片机状态功能 调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。 (6)与上位机通讯功能 气体 传感器 A/D 转换器 AT89C51 单片机 灯光报警 声音报警 气体 浓度 电源 时钟 复位 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 12 可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。 第 3 章 家庭燃气泄漏报警系统的硬件部分设计 主控电路的设计 半导体 气体传感器简介 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，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。 半导体气体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 )。 图 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 13 MQ2/MQ2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (SnO2)。 当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性气体浓度的增加而增大。 使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 （ 1） 灵敏度特性： 图 传感器典型的灵敏度特性曲线 注：图中纵坐标为传感器的电阻比（ Rs/Ro），横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在 不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在 1000ppm 氢气中的电阻值 图 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 14 （ 2）温 /湿度的影响 ： 图 、湿度特性曲线 图中纵坐标是传感器的电阻比（ Rs/Ro）。 Rs表示在 含 1000ppm 丙烷、不同温 /湿度下 传感器 的电阻值 Ro表示在含 1000ppm 丙 烷、 20℃ /65%RH环境条件 下 传感器 的电阻值 （ 3）基本测试回路： 图 该传感器需要施加 2个电压：加热器电压（ VH）和测试电压（ VC）。 其中 VH用于为传感器提供特定的工作温度。 VC则是用于测 定与传感器串联的负载电阻（ RL）上的电压（ VRL）。 这种传感器具有轻微的极性， VC需用直流电源。 在满足传感器电性能要求的前提下， VC和 VH可以共用同一个电源电路。 为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的 RL值。 （ 4） 规格： A. 标准工作条件 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH图 Vc VH GND RL VRL 图 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 15 B. 环境条件 C. 灵敏度特性 敏感体功耗（ Ps）值： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 传感器电阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL1) RL （ 5） 结构，外形 MQ2/MQ2S 气敏元件的结构和外形如图 (结构 A 或 B), 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了必要的工作条件。 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。 符号 参数名称 技术条件 备注 Vc 回路电压 ≤ 24V DC VH 加热电压 177。 0. 2V ACorDC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 31Ω177。 3Ω 室温 PH 加热功耗 ≤ 900mW 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％ 符号 参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 2KΩ 20KΩ (2020ppm C3H8 ) 适用范围： 30010000ppm 丙烷、丁烷、氢气 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 浓度斜率 ≤ 标准工作条件 温度： 20℃177。 2℃ Vc:177。 V 相对湿度： 65%177。 5% VH: 177。 V 预热时间 不少于 48小时 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 16 图 MQ2/MQ2S气敏元件的结构和外形 MQ2/MQ2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。 这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 单片机的选择 单片机作为燃气泄漏报警器的核心部件，一方面它要接收来自传感器的气体浓度 的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分别进行处理，控制后 部件 材料 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（ NiCr） 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（ NiCu） 8 基座 胶木或尼龙 9 针状 管脚 镀镍铜 材（ NiCu） 图 安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 17 续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。 在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到并进行相应处理。 同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的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。 AT89C51 是 Atmel 公司生产的 一种带 4K 字节闪存可 编程可擦除 只读存储器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable ReadOnly Memory）的低电压，高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称 单片机。 其中 AT89C2051 是一种带 2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C2051 是它的一种精简版本。 AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 外形如图所示 ， 本设计用的 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机， 8 位数据总线， 40个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口， 六个中断源，两层中断优先级，同时内含 2个外中断口， 2个 16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口，AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本。 另外， AT89C51 是以静态逻辑运行到零频率的方式设计的，并且支持两种可利用软件选择的掉电保护模式。 休眠模式停止 CPU 运行，但允许数据存储器、定时 /计数器、串行口和中断系统继续运行。 掉电模式保存数据存储器的内容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次复位为止。 AT89C51 其工作电压范围为 ～ 6V（实际使用 +5V供 电） ，片内含 4k bytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 128Kbytes 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 MCS51 指令系统，片内置通安徽建筑工业学院 毕业设计（论文） 18 用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51提供了高性价比的解决方案。 AT89C51 单片机的基本结构 AT89C51 单片机的基本结构如图所示 图 由图可见， 89C51 单片机主要由以下部分组成： （ 1） CPU 系统 8 位 CPU和闪烁存 储器 ；时钟电路。