可燃性氣體檢測報警器設(shè)計

.遼寧工程技術(shù)大學(xué)本科課程設(shè)計題 目 可燃性氣體檢測報警器設(shè)計 院（系、部） 機(jī)械工程學(xué)院 班 級 機(jī)電07-3班 姓 名 趙旭斌 學(xué) 號 0707060327 指 導(dǎo) 教 師 盧萬杰 摘要本設(shè)計主要設(shè)計可燃性氣體監(jiān)測報警儀，包括其工作原理及其軟、硬件的設(shè)計。它由可燃性氣體傳感器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、顯示部分、報警輸出、應(yīng)用系統(tǒng)軟件等組成。從傳感器出來的微電流信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)控制顯示相應(yīng)濃度并在濃度過高時產(chǎn)生報警。顯示部分采用74LS164芯片和LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示;報警輸出采用固體繼電器與蜂鳴器控制報警;軟件設(shè)計采用單片機(jī)C語言編程。該報警器以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器，采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，能根據(jù)天燃?xì)鈿怏w檢測濃度進(jìn)行聲光報警，并控制相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行工作，實現(xiàn)安全保護(hù)。關(guān)鍵詞:傳感器;氣體檢測;報警儀;STC89C52AbstractThis design mainly introduces the combudstible gas monitoring alarming device, including its principle and hardware and software design. It consists of combustible gas sensors, d/a transformation, SCM, display section, alarm output, application system software etc. From the sensor micro electric current signal, out by d/a transformation into SCM inside, after the single-chip microcomputer control shows corresponding concentrations in excessive concentrations generated when the alarm. Show part adopts 74LS164 chips and LED digital display tube, Alarm output by using solid relay and buzzer control Alarm, Software design USES the monolithic integrated circuit to the C programming language. This alarm with stable performance, the parameters of gas sensors as a detector, adopt STC89C52 single-chip microcomputer control, can according to natural gas gas detection concentration acousto-optic alarm, and control the corresponding equipment work so as to realize safe protectionKeywords: sensor；gas detection；alarming device；STC89C52 目錄前言11、總體設(shè)計方案21.2系統(tǒng)功能32、硬件部分42.1氣體傳感器的分類及應(yīng)用42.2可燃?xì)怏w檢測電路42.3、LED顯示電路72.4、蜂鳴報警電路92.5、繼電器電路92.6、直流穩(wěn)壓電源電路102.7、控制電路123、軟件部分設(shè)計143.1主程序154、總結(jié)與體會155、謝辭16參考文獻(xiàn)18附錄1 可燃性氣體報警儀監(jiān)測總電路圖19附錄2 可燃性氣體監(jiān)測報警儀主要元器件清單20附錄3 程序代碼21word教育資料 .前言 隨著工業(yè)、農(nóng)業(yè)化的發(fā)展和人們生活水平的提高，及時、準(zhǔn)確地對易燃、易爆、有毒有害氣體進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報和自動控制已成為當(dāng)前天然氣、煤炭、石油、化工、電力等部門急待解決的問題。家用燃?xì)鈭缶髂軐崟r監(jiān)測可燃?xì)怏w的泄漏情況，一旦發(fā)生泄漏，即空氣可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度，則報警器立即進(jìn)行聲、光報警，有效防止事故的發(fā)生，滿足人們對燃?xì)獍踩男枰祟悓ι鷳B(tài)環(huán)境凈化的要求越來越高的要求。設(shè)計的任務(wù)就是開發(fā)一種以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器采用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制的可燃?xì)怏w探測報警器。當(dāng)空氣中有可燃?xì)怏w在揮發(fā)且氣體濃度達(dá)到或超過設(shè)定值時，通過一系列轉(zhuǎn)換是LED數(shù)碼顯示氣體濃度值，隨機(jī)發(fā)出聲、光報警信號，啟動相應(yīng)控制裝置，避免重大事故發(fā)生。 隨著人們對生活空間的安全和舒適性有了更高的要求，不僅要求監(jiān)測、監(jiān)控、檢測易燃、易爆、有毒、有害氣體，而且為確保身心健康，減少環(huán)境污染環(huán)境，還要求研制出各種高靈敏度、超小型、多功能化的氣體傳感器。近年來，可燃性氣體傳感器的研究和開發(fā)十分活躍，國外從20世紀(jì)30年代開始研究開發(fā)可燃性氣體傳感器，至今已經(jīng)走過半個多世紀(jì)，品種到達(dá)數(shù)百種。 1、總體設(shè)計方案 設(shè)計整體思路是：應(yīng)用煙霧檢測系統(tǒng)，煙霧檢測報警器是能夠檢測環(huán)境中的煙霧濃度，并具有報警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：煙霧信號采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣 體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路 將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度 處理及報警控制等工作。 方案：如圖1.1所示，此方案由傳感器電路。A/D轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)、數(shù)碼管顯示部分和聲光報警部分等組成。檢測電路把泄漏氣體濃度的變化轉(zhuǎn)變成電信號，根據(jù)氣體濃度和電壓信號之間的對應(yīng)關(guān)系，再對該模擬信號進(jìn)行分析處理，并通過A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號輸入單片機(jī)，最后由單片機(jī)驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示和信號顯示燈及蜂鳴器完成報警過程。檢測電路A/D轉(zhuǎn)換電路聲光報警電路單片機(jī)控制LED顯示濃度電源繼電器排風(fēng)扇電磁閥圖1.1方案流程圖Figure 1.1 scheme flowchart1.2系統(tǒng)功能本設(shè)計所設(shè)計報警器具有下述功能: （1）被檢測區(qū)域的可燃濃度達(dá)到報警設(shè)定值時警器應(yīng)能發(fā)出聲、光報警信號。 (2)報警器在傳感元件斷路或短路時應(yīng)發(fā)出報信號，有明顯區(qū)別的聲、光故障信號。 (3)報警器應(yīng)對聲、光報警裝置設(shè)置手動自檢功。 (4)對于有輸出控制功能的報警器，當(dāng)報警器出報警信號時，應(yīng)能啟動輸出控制功能。 (5)報警器的供電電壓必須非常穩(wěn)定，否則，將影響報警的正常工作。 當(dāng)漏氣體的濃度達(dá)到一定值時，可以啟動通風(fēng)換氣設(shè)備進(jìn)行排氣，同時通過電磁閥將氣體管道關(guān)閉，并可以通過RS-485總線與上位機(jī)進(jìn)行通信(將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)用戶)。當(dāng)泄漏氣體的濃度降低到安全點后，關(guān)閉通風(fēng)換氣設(shè)備，停止報警，將氣體管道們一開，達(dá)到安全保護(hù)的日的。 可燃性氣體監(jiān)測報警儀雖然用途非常廣泛，但是其精度也受到各方面因素的制約。最主要的是報警儀標(biāo)定，這是一項復(fù)雜的工作，直接影響著報警儀的測量精度。如果沒有進(jìn)行精確的標(biāo)定，其將直接影響儀器的正常工作。2、硬件部分 燃性氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)實際上就是通過單片機(jī)記錄子彈通過設(shè)定距離的時間來實現(xiàn)是。因此在單片機(jī)入口處，我們只需要設(shè)計一個能產(chǎn)生中斷的電路即可。本設(shè)計主要包括一下幾個模2.1氣體傳感器的分類及應(yīng)用氣體傳感器種類繁多，分類方法目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)氣敏特性分類，主要分為半導(dǎo)體式、固體電解質(zhì)式、電化學(xué)式等幾類。(1)半導(dǎo)體式氣體傳感器自從1962年半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器問世以來，半導(dǎo)體氣體傳感器由于具有靈敏度高、響應(yīng)時間快塊。等優(yōu)點，其產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，按檢測不同氣敏特征量的方式可分為電阻式和非電阻式2種。電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器主要是指半導(dǎo)體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，其電阻隨著氣體含量不同而變化。非電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器MOS二極管式和結(jié)型二極管式以及場效應(yīng)管，其電流或電壓隨著氣體含量而變化，主要檢測可燃性氣體。此類氣體傳感器的主要優(yōu)點是靈敏度高，但制作工藝比較復(fù)雜、成本高。(2)固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器是一種以離子導(dǎo)體為電解質(zhì)的化學(xué)電池。20世紀(jì)70年代開始，固體電解質(zhì)氣體傳感器由于電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，獲得了迅速的發(fā)展，目前環(huán)保、節(jié)能、礦業(yè)、汽車工業(yè)等各個領(lǐng)域均有應(yīng)用，僅次于金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器。(3)電化學(xué)式氣體傳感器電化學(xué)式氣體傳感器可分為原電池式，定電位電解式、電量式，離子電極式4種類型。原電池式氣體傳感器通過檢測電流來檢測氣體的濃度。定電位式傳感器是通過測量電解時流過的電流來檢測氣體的濃度，和原電池式不同的是，他需要由外界施加特定電壓，他除了能檢測CO，NO，NO：，O。，SO：等氣體外，還能檢測血液中的氧濃度。電量式氣體傳感器是通過被測氣體與電解質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的電流來檢測氣體的濃度。離子電極式氣體傳感器出現(xiàn)得較早，通過測量離子極化電流來檢測氣體的濃度。電化學(xué)式氣體傳感器主要的優(yōu)點是檢測氣體的靈敏度高，選擇性好。2.2可燃?xì)怏w檢測電路 選用的氣體傳感器型號為MQ-5。 *對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度*對乙醇，煙霧幾乎不響應(yīng)*快速的響應(yīng)恢復(fù)特性*長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性*簡單的測試電路應(yīng)用適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，天然氣，煤氣的監(jiān)測裝置。優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。 圖2.1 MQ-5測量電路Figure 2.1 MQ - 5 measurement circuit 1氣體敏感層二氧化錫2電極金（Au）3測量電極引線鉑（Pt）4加熱器鎳鉻合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二鋁6防爆網(wǎng)100目雙層不銹鋼（SUB316）7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cu）8基座膠木9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu）A標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注 Vc回路電壓 15VAC or DC Vh加熱電壓 5.0V 0.2VAC or DC RL負(fù)載電阻可調(diào) RH加熱電阻313室溫 PH加熱功耗900mwB環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10-50Tas儲存溫度-20-70Rh相對濕度小于 95%RhO2氧氣濃度 21%（標(biāo)準(zhǔn)條件）氧氣濃度會影響靈敏度特性最小值大于2%C靈敏度特性符號參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體電阻 10-60K（1000ppm 甲烷）探測范圍：300-5000ppm液化氣、天然氣、煤氣 a（1000ppm/5000ppm CH4濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度：202 Vc：5.0V0.1V相對濕度:65%5% Vh:5.0V 0.1V預(yù)熱時間 不少于24小時封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個用于信號取出，2個用于提供加熱電流。設(shè)計中MQ-5的接線如圖3.3所示。在實際的測量中，可按照其等效電路來計算數(shù)值，RL是外接負(fù)載電阻，用來調(diào)整輸出的模擬量電壓范圍，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器是輸入范圍來確定。電壓信號從RL和地之間取出，取出的電壓信號直接接AD轉(zhuǎn)換器ADC0809的接口，即第26引腳。 圖2.2氣體檢測電路Figure 2.2 gas detection circuit 2.3、LED顯示電路 圖2.3 LED顯示電路Figure 2.3 LED display circuit 如圖2.3所示，LED的a-g腳分別和單片機(jī)的pl.0-pl.6相連接。此LED有兩個功能，既用于最高安全值的設(shè)定，也用于檢測濃度是顯示測試的濃度。單片機(jī)89C52的INT0引腳的開光控制轉(zhuǎn)換功能。另外，4個三極管9012的基極aa1-aa4分別和單片機(jī)89c52的p2.4-p2.7相連，9012的射極bb1-bb4分別和LED相連作為驅(qū)動電路。2.4、蜂鳴報警電路圖2.4蜂鳴報警電路Figure 2.4 bees alarm circuit 檢測到的氣體濃度的模擬信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換器ADC0809后，轉(zhuǎn)化成數(shù)宇信號輸入單片機(jī)STC89C52，再由單片機(jī)的P2.2門輸出高低電平，控制三極管的導(dǎo)通或關(guān)斷，繼而控制喇叭的發(fā)出警告。555筋電路可使喇叭發(fā)出“嘟嘟嘟”的警告信號。2.5、繼電器電路圖2.5 繼電氣電路Following the electrical circuit diagram 2.5 繼電器控制電路如圖所示。該電路由繼電器K1和K2、排氣扇、電磁閥等組成。當(dāng)漏氣體濃度達(dá)到一定值時，通過軟件將p2.0、p2.3置1，此時三極管VT4、VT5均導(dǎo)通，繼電器Kl、K2工作， 進(jìn)行換氣，電磁閥電路接通，將氣體管道關(guān)閉。當(dāng)氣體濃度下降到某一值時，也可以通過軟件將P2.0、P2.3清零，此時三極管vT4、vT5均截止，器K1、K2停止工作，常開觸點斷開。關(guān)閉排風(fēng)扇和電磁閥電路，排風(fēng)扇停止工作，氣體管道打開。指示燈:應(yīng)采用發(fā)光二極管，應(yīng)以顏色標(biāo)記。紅色表示報警信號，黃色表示故障信號，綠色表示電源工作正常。所有指示燈應(yīng)清晰地標(biāo)注功能，在一般環(huán)境光線下，指示燈在距其正前方3m處應(yīng)清晰可見。電磁繼電器:接點宜采用雙接點結(jié)構(gòu)。繼電器應(yīng)用封閉式，不得由一接點同時控制探測器內(nèi)部及外部電路。電器元件:應(yīng)進(jìn)行三防(防潮、防霉、防鹽霧)處理。音響器件:在額定電壓下，音響器件在題其正前方lm處的聲托級(A計權(quán))應(yīng)小于70dB，不大于115 dB，在85%額定工作電壓條件下，音響器件應(yīng)能發(fā)出聲響。開關(guān)和按鍵:開關(guān)和按鍵應(yīng)堅固、耐用并清晰地標(biāo)注出其功能。探測器外殼應(yīng)選用不燃燒材料和難燃燒材料(氧氣指數(shù)32)。2.6、直流穩(wěn)壓電源電路 圖2.6 直流穩(wěn)壓電源電路Figure 2.6 direct current voltage-stabilized source circuit 整流電路的任務(wù)是將交流電變換成直流電。完成這一任務(wù)主要是靠二極管的單向異通作用，因此二極管是組成整流電路的關(guān)鍵元件。在小功率（1KM）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、全波、橋式和倍壓整流電路。本設(shè)計采用橋式整流電路，其主要特點如下: 1輸出電壓.高 2紋波電壓小 3管子所承受的最大反向電壓較低 4電源變壓器充分利用，效率高濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電陰.兩側(cè)并聯(lián)電容器;或在整流電路輸出端一與負(fù)載問串聯(lián)電感L，以及由電容、電感組合而成的芥種復(fù)式濾波電2.7、控制電路 圖2.7 主控單元電路Figure 2.7 master unit circuit化。如果要獲得更高的精度，應(yīng)采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，但對于報警器而言這種精度完主控單元電路如圖所示。微處理器采用STC89C52。A/D轉(zhuǎn)換芯片采用ADCO809，ADC0809的時鐘信號CLK由89C52的ALE信號提供。系統(tǒng)晶振采用12MZ，圖中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脈沖寬度大于250ns滿足ADC0809對ALE引腳信號的要求。檢測到的氣體濃度信號即電壓信號經(jīng)放大、濾波后送到ADC0809的模擬量輸入端工NO。由于單片機(jī)為8位處理器，當(dāng)輸入電壓為5V時，ADC0809輸出數(shù)值為255 (FF H)，因此單片機(jī)最大數(shù)值分辨率為0.0196V測試時電莊數(shù)值的變化一般以0.02V的電壓幅度變?nèi)珴M足要求。根據(jù)所測得的電壓基本上要比標(biāo)準(zhǔn)值偏大0.010.02V可以通過校正ADC0809的基準(zhǔn)電壓來解決，因為該系統(tǒng)設(shè)計時直接用+5V的供電電源作為基準(zhǔn)電壓，所以電壓可能有偏差。另外，也可用軟件編程來校正測量值。ADC0809的直流輸入阻抗為1M能滿足一般的電壓測試需要，另外經(jīng)測試ADC0809可直接在25MHz的時鐘頻率下工作，這樣可以省去分頻器。 圖2.8ADC0809時鐘信號電路Figure 2.8 ADC0809 clock signal circuit ADCO809由ADD-C、ADD-B、ADD-A控制選通的模擬通道，設(shè)計中選通通道為INO，單片機(jī)89C52對ADC0809采用的是查詢控制方式。ADC0809片內(nèi)的時一鐘信號可利用89C52提供的地址所存允許信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器4分頻后獲得。如圖.ALE引腳的頻率是89C52單片機(jī)時鐘頻率的1/6。由于單片機(jī)采用的時釗，頻率為12MHz，由ALE引腳輸出的頻率為2MHz再4分頻后為500KHz，恰好符和ADC0809對時鐘頻率的要求。3、軟件部分設(shè)計 木系統(tǒng)的軟件設(shè)計以C語一言為基礎(chǔ)，可以在執(zhí)行的開始和過程中，根據(jù)氣體爆炸下限的不同修改報警臨.界值，增大了使用的范圍。系統(tǒng)主程序流程圖如圖所示。程序開始系統(tǒng)初始化定時器啟動從A/D取數(shù)查詢中斷顯示加/減值顯示濃度判斷是否達(dá)到報警點不報警 綠燈亮報警 紅燈亮喂狗 YNYN20ms 圖3.1系統(tǒng)主流程圖Figure 3.1 system ZhuLiuCheng figure3.1主程序 經(jīng)定時器0定時20 ms單片機(jī)從芯片ADC0809取出數(shù)據(jù)，通過計算再查詢對應(yīng)的七段碼，送到數(shù)碼管顯示，然后檢驗是否達(dá)到報警值，若是則報警，反之不報警。程序流程圖部分程序如下:1.單片機(jī)從A/D轉(zhuǎn)換器讀取數(shù)據(jù)的程序:通過定時器每20ms采集一次數(shù)據(jù)。2.顯示程序:將取到的數(shù)經(jīng)過計算達(dá)到其對應(yīng)的濃度值，然后再將千位、百位、十位以及個位的數(shù)值取出，通過查詢得到每位的一七段碼，再分別送到四個數(shù)碼管去顯示。3.報警程序:將取來的數(shù)值與已經(jīng)設(shè)定好的報警閥值作比較，若大于等于閥值 則報警且紅燈顯示，若小于則不報警且綠燈顯示。4.閥值設(shè)定程序:主程序一直查一詢中斷，若有中斷則進(jìn)入閥值設(shè)定程序，此時 將上一次設(shè)定的閥值數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管顯示，通過檢測到P3.0端口有低電平則 閥值加100，而檢測到P3.1端口有低電平則閥值減100，然后顯示。若在中斷一次則回到濃度顯示程序來顯示當(dāng)前可燃?xì)怏w濃度。4、總結(jié)與體會 這次課程設(shè)計讓我感受頗深，首先在剛拿到這個設(shè)計要求時，很是束手無策，但是通過盧老師悉心指導(dǎo)后來小組成.員的無私的幫助，一次一次的翻閱參考資料，一次一次的捉摸，終于在老師的一次次指導(dǎo)下和小組成員的共同努力下完成了這次課程設(shè)計，真的是付出多少就能得到多少啊!像這樣完成一次課程設(shè)計，不僅使我們對學(xué)習(xí)的認(rèn)識有了更深入的了解，對知識的運用有了更加深刻的體會。另外在設(shè)計的過程同學(xué)們提出的好的建議使我意識到學(xué)習(xí)貴在交流，只有在交流中才能提升自己，刁一能豐富自己的知識;只有在交流中才能產(chǎn)生許多新的火花新的思想。一要想完成設(shè)計，必須要做到一思不茍，對各個部位的電路圖都要檢查檢查再檢查，務(wù)必達(dá)到完美，因為電子方面只一要出現(xiàn)一點小錯誤都會導(dǎo)致整體的癱瘓，因此不能粗心大意.在設(shè)計的過程中，我知道了做任何事情都應(yīng)該以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對待，這個設(shè)計一讓我有了個能夠綜合運用所學(xué)知識的機(jī)會;讓我的動手能力，邏輯思維能力得到了相應(yīng)的鍛煉。也讓我對學(xué)習(xí)有了新的理解。以前我一直認(rèn)為學(xué)習(xí)就只是意味課本_卜的東西而已。而學(xué)到的知識也只是紙_卜談兵，根本就沒有實際灼應(yīng)用，因此對學(xué)習(xí)并不是很積極。而這次的課程設(shè)計完全改變了