有害氣體檢測與報警系統設計

畢業(yè)論文(設計)畢業(yè)論文題目：有害氣體檢測與報警系統設計學院：機械與電子工程學院姓名：李迪學號：0861103指導老師：朱兆優(yōu)有害氣體檢測與報警系統設計摘要本文設計了一種對環(huán)境中ＣＯ濃度進行實時數據采集和處理，并能在濃度超標時報警的電路。該電路通過單片機實現其控制功能。整個報警電路由四大局部組成：采集模塊、放大模塊、模數轉換模塊、單片機。報警器的主要工作流程為：用兩類傳感器〔氣體傳感器和溫度傳感器〕將所需的模擬信號采集放大后傳送給A/D轉換器，再經模數轉換后給將數字信號傳送至8051單片機，然后通過單片機內部的數據處理，判斷是否需要啟動蜂鳴器進行報警，預防惡性事故發(fā)生。該系統詳細介紹了系統實現的硬件、軟件、數據庫設計以及遠程控制結構。該報警器廣泛應用于居民家庭和企事業(yè)單位，從而大大降低由ＣＯ所引起的中毒、火災、爆炸等事故的發(fā)生率，保障了人們的生命和財產平安，具有重要的實用價值。【關鍵詞】：可燃氣體、報警器、單片機、數據采集與記錄、濃度測量DesignandimplementationofintelligentflammablegasleakagedetectionalarmsystemAbstractInthisdissertation,anelectriccircuitisdesignedtocollectandprocessthedataofＣＯdensity,andthealarmissentoutwhenthedensitybeyondthecriticalvalue.Thecontrolfunctionoftheelectriccircuitiscomplishedbyamicrocontroller.Thewholeelectriccircuitofalarmiscomposedbyfourparts:dataacquisitionmodule,dataenlargemodule,A/Dmoduleandmicrocontroller.Thetechnologicalprocessofthealarmisasfollows:Theanaloguesignalsarecollectedbytwokindsoftransducers,andthenthesignalsaretransmittedtotheADCafterenlargement.ThedatasignalsaretransmittedbyADCtothe8051microcontroller.Thejudgmentofthebuzzeralarmismadeafterthefataprocessedby8051.Mainworkinthisdissertationis:completingthechoiceofthemachines,thedesignoftheconnectionandthedevelopmentoftheprocedurefordataprocessing,realizingtheautomaticallymonitorＣＯdensity.Asaresultitcanpreventfatalaccidents.ItdesignedwithvisualBasciand8051microcontroller,andthedesignofhardware,software,databaseanddistancecontrollofthissystemareputforward.Theannunciatorcanbewidelyusedinfamiliesandcompanies.Theoccurrenceratesoftheaccidentssuchaspoisoningfire,burst,etcaredeeplyreduced.Tthasanimportantandpraticalvalue.[keywords]:combustiblegas;annunciator;dataprocessing;microcontroller;densitymeasurement;detection;alarm;distancecontrol目錄緒論.........................................6本課題的研究背景與意義...................................6研究的背景........................................6研究的意義........................................6報警器的結構與安裝.......................................7報警器的構成與應用................................7報警器的布點......................................7報警器的安裝......................................8可燃性氣體報警儀國內外開展情況...........................9系統的功能模塊與硬件結構.....................10系統的功能模塊..........................................10系統的硬件結構..........................................11主控機............................................11模擬信號的數據采集................................12模擬信號的放大處理................................12從機及A/D轉換電路................................13ADC5G14433與單片機的接口........................14數碼顯示電路......................................15系統報警系統的組成與程序代碼......................18信號調理電路......................................21系統軟件的總體設計...........................22系統流程設計............................................22數據庫設計..............................................23數據庫系統設計....................................23系統的實現........................................23遠程溫度數據采集控制.........................24結論.........................................25致謝............................................26參考文獻........................................271緒論本課題的研究背景與意義研究的背景燃氣(人工煤氣、天然氣、液化石油氣)的普及，提高了生產效率、市民的生活質量，但在使用燃氣的過程中，因燃氣泄漏、廢氣等原因造成的燃氣爆炸、中毒等意外事故時有發(fā)生，給人們的生命和財產平安帶來了嚴重的威脅，因此平安使用燃氣一直是燃氣主管部門工作的重中之重。燃氣泄漏報警器能有效監(jiān)測環(huán)境中可燃氣體或毒性氣體(如CO)的濃度，一旦其濃度超出報警限定值，就能發(fā)出聲光報警信號，并且能自動開啟排風扇把燃氣排出室外，甚至能通過聯動裝置自動切斷燃氣供給防止燃氣繼續(xù)泄漏，起到平安防范的作用。但報警器選用得是否合理，直接關系到其功能的充分發(fā)揮。該設計所研究的可燃性氣體報警器正是應這種要求而開發(fā)的。從可燃性氣體開展的整體角度來說，在石油化工生產過程中、實驗室實驗、教學設施、住宅等不可防止地存在著各種易燃易爆氣體和有毒氣體，這些氣體一旦泄漏并積聚在周圍環(huán)境中,將可能釀成火災、爆炸或人身中毒等惡性事故。為了防患于未然,應采用性能可靠的氣體檢測器，連續(xù)監(jiān)控工藝裝置或儲運設施環(huán)境中可燃氣體和有毒氣體的泄漏情況，及時發(fā)出報警以保證生產和人身平安。研究的意義當前在石化行業(yè)HSE質量體系越來越受到重視，石油化工行業(yè)標準《石油化工可燃和有毒氣體檢測報警設計標準》即將上升為國家標準。在設計檢測器時應充分考慮其安裝位置的合理性，為以后的使用、維護、檢定提供方便。根據檢測現場的空氣可能環(huán)流現象及空氣流動的上升趨勢，以及廠房的空氣自然流動情況、通風通道等來綜合推測，當發(fā)生大量泄漏時，根據可燃氣體或有毒氣體在平面上自然擴散的趨勢方向，確定平面位置;再根據泄漏氣體的密度并結合空氣流動的方向，確定空間位置。報警器是否靈敏可靠關系到人身財產平安,因此報警器屬于強制檢定的計量器具。目前大多數報警器用戶都使用汽油或液化氣等超過以上高濃度的易揮發(fā)可燃氣體對報警器進行檢測,假設報警即判斷報警器 正常。這樣做雖然省缺了購置可燃氣體標準物質的麻煩和費用,但實際上達不到保證平安的目的,從而形成重大平安隱患,有時還會造成報警器檢測元件中毒。如果使用標準氣體檢測報警器,就能保證人身平安,同時杜絕報警器檢測探頭中毒現象。1.2報警器的結構與安裝報警器的構成與應用一、可燃氣體檢測報警器的構成和應用，可燃氣體檢測報警器由探測器與報警儀表構成,主要用于監(jiān)測可燃氣體產生、使用、儲存的室內外危險場所的泄漏情況。當被測場所空氣中存在可燃氣體時,探測器將感知信號并傳輸到報警儀表,儀表即顯示出可燃氣體爆炸下限的百分比濃度值。當可燃氣體濃度超過報警設定值時發(fā)出聲光報警信號提示,值班人員采取平安措施,防止燃爆事故的發(fā)生。報警器的布點二、固定安裝式檢測報警器的特點固定安裝式檢測報警器一經安裝就位,它的監(jiān)測范圍就已確定。當需要監(jiān)測一個三維空間且規(guī)模較大的工業(yè)生產裝置時,僅有的少數幾個監(jiān)測點很難確保監(jiān)測效果。因此，對于布點的疏密程度、上下高度以及與可能泄漏點的距離等都要考慮。報警器的布點安裝不僅涉及到投資的合理性和可接受程度,還涉及到投資的切實效果和平安生產。報警器的安裝三、可燃氣體檢測報警器安裝安裝應用時應考慮以下幾點：1.首先弄清所要監(jiān)測的車間裝置有哪些可能的泄漏點,并推算它們的泄漏壓力,單位時間的可能泄漏量、泄漏方向等,并畫出棋格形分布圖,根據推測的嚴重程度分成A、B、C三個等級。2.根據所在場所的主導方向、空氣可能的環(huán)流現象以及車間空氣自然流動的趨勢,推測當發(fā)生大量泄漏時,可燃氣體在平面上的自然擴散趨勢方向圖。3.再根據泄漏氣體的密度(大于或小于空氣),并結合空氣流動的上升趨勢綜合成泄漏流的立體流動趨勢圖。4.根據形成的本監(jiān)測范圍可燃氣體泄漏的立體流動概念,就可在其流動的下游位置作出初始設點方案。5.然后,再研究泄漏點的點泄漏狀態(tài):可能是微泄漏也可能是噴射狀泄漏。如果是微泄漏,那么設點的位置就要靠近泄漏點。如果是噴射狀泄漏,那么稍遠離泄漏點。綜合上述情況,擬定出最終設點方案。這樣,需要購置的數量和品種即可從所畫的最終棋格圖中估算出來。6.對于一個大中型有可燃氣體泄漏的車間,有關規(guī)定建議每相距(10～20)m設一個檢測點。7.對于無人值班的小型且不是連續(xù)運轉的泵房,需注意發(fā)生可燃氣體泄漏的可能性。特別是在北方地區(qū)冬季門窗關閉的情況下,可燃氣泄漏將很快到達爆炸下限濃度。一般在主導風向的下游位置,安裝一臺檢測器,如廠房面積大于200m2,那么宜增加一個監(jiān)測點。8.對于有氫氣泄漏的場所,如大型發(fā)電機組、煉油廠的加氫裝置、電化廠的電解車間、鹽酸合成爐廠房、存放有氫氣鋼瓶的倉庫、有氣相色譜分析儀的化驗室等場所,將檢測器安裝在泄漏點的上方平面。9.對氣體密度大于空氣的諸如烷烴類(甲烷沼氣、民用煤氣除外)、烯烴類(乙烯除外)、液化石油、汽油、煤油等,將檢測器安裝在低于泄漏點的下方平面上,并注意周圍環(huán)境的特點。例如,室內通風不流暢部位、地槽地溝易積聚可燃氣體的地方、現場通往控制室的地下電纜溝、有密封蓋板的污水溝槽等,都是經常性或在生產不正常的情況下容易積聚可燃氣的場所,應將這些場所當作不可無視的平安監(jiān)測點。10.噴漆涂敷作業(yè)場所、大型的印刷機附近,以及相關作業(yè)場所,都屬于開放式可燃氣體擴散逸出場所。如果缺乏良好的通風條件,也很容易使某個部位的空氣中的可燃氣體的含量接近或到達爆炸下限濃度值,這些都是不可無視的平安監(jiān)測點。目前，從社會開展形式看，對氣體的檢測報警越來越重要,而氣體檢測裝置也都脫影而出，但是很多裝置都存在著某方面的弊端，例如,，裝置本身的使用耐久度、裝置的靈敏度、報警明顯度、設備的性價比、還有最大的弊端就是裝置本身容易出現問題是否能及時發(fā)現和處理等等，這些是很值得考慮的。眼前，無論是公司、企業(yè)、或是家庭對裝置的購置使用都會考慮裝置壽命和性價比，所以理想的氣體檢測報警裝置就首先必須滿足這兩點。1.3可燃性氣體報警儀國內外開展情況無錫格林通平安裝備是美國通用檢測器國際公司在中國惟一一家合作生產工業(yè)平安設備的公司，它專業(yè)生產的氣體濃度探測傳感器已廣泛使用于石化企業(yè)，其中S4000C可燃性氣體探測傳感器是代表產品。S4000C是探測可燃性氣體和蒸氣的智能傳感器，探測器探測到的可燃性氣體濃度經線性變換成毫伏信號，通過電纜傳輸給控制器?？扇細怏w報警器主要用于非礦井作業(yè)環(huán)境空氣中可燃氣體爆炸下限以下簡稱以下濃度的測定和報警，是石油、化工、儲運、消防與人防等工礦企業(yè)防爆場所必備的平安檢測儀器,也可作為化工設備、管道接頭及閥門的檢漏工具。某廠氣焊車間安裝了臺日本理研株式會社生產的型固定式可燃氣體檢測報警器,曾經直接使用氣焊對準報警器的探頭進行檢測,使兩個探頭發(fā)嚴重中毒,導致報警器報廢。由于使用氣體不當使報警器檢測元件中毒現象普遍存在。尤其是國產檢測元件,更易出現靈敏度降低或線性嚴重偏離的現象,導致報警器示值誤差增大,甚至報警器報廢。標準氣體是由國家技術監(jiān)督局批準發(fā)布并由具有相應標準物質《制造計量器具許可證》的單位提供的對報警器進行檢測,原那么上應該采用與被測氣體相同的標準氣體。對通用報警器可采用異丁烷標準氣體或說明書上規(guī)定的氣體。儀器出廠時多數采用異丁烷標準氣體作量程標定,也有的采用甲烷等標準氣體作量程標定,一般在儀器說明書或面板上標明量程標定用氣體的名稱。標準氣體的濃度單位通常以摩爾分數表示,有時用標準狀態(tài)下的體積分數表示,其濃度值應換算成相應的LEL的百分數。不同的可燃氣體,在空氣中的爆炸下限是不相同的,異丁烷與甲烷在空氣中的爆炸下限分別為1.8%和5%。計量檢定機構依法對報警器執(zhí)行強制檢定,按照JJG693-90《可燃氣體檢測報警器檢定規(guī)程》,選用10%30%60%LEL3、種濃度的標準氣體,如果報警器的用戶每月進行定期檢測維護,可以只選用40%LEL的標準氣體,檢查報警器是否報警以及示值誤差的大小。如果儀器能夠報警,且示值誤差在正負10%以內,即可認為報警器完好。國外的設備具有國際先進的水平，使用簡單，自動化程度高，國內有些檢測儀器就是采用了外國的先進技術，這主要是由于國內在這方面起步比擬晚，但是在近幾年來已經有了很突破的開展?？偟膩碚f，技術的的上下可以決定設備使用的方便和平安度。可燃性報警裝置不僅具有報警限設定、聲光報警、控制輸出功能，而且具有時鐘、氣體濃度顯示、故障自診斷功能。報警儀應可以在較寬的溫度范圍下工作，這樣就可以被家庭、公司等多方面使用。對于化工廠，特別是PVC生產部門早期使用的可燃性氣體檢測報警儀存在易中毒失敗、透氣帽腐蝕堵塞，受風、雨、塵、聚合物等眾多問題及其影響。所以對可燃氣體報警儀的設計要求中不但要考慮技術原理，還要從研制報警儀本身所用材料著手，那樣就會防止很多因為氣體腐蝕性造成報警儀失效的問題。無論是對家庭還是公司企業(yè)來說，最重要的還包括可燃性報警儀的價格，價格合理，對于公司企業(yè)才能談經濟效益，這樣家庭也很容易接受?？傊?，具有先進的的科學技術、操作簡單顯示清楚、具有長時間的使用能力、能到達廣闊使用者的理想價格的檢測報警裝置才是未來報警系統的開展方向。系統的功能模塊與硬件結構2.1系統的功能模塊智能化可燃氣體泄漏檢測報警系統由從機與主機構成。從機以單片機AT89C51為核心,可完成對1個檢測報警點的多路氣體濃度采集、數碼顯示、數據處理、聲光報警、控制執(zhí)行結構、與主機通信等功能,自身構成一個閉環(huán)測控系統。主機由PC機實現,主要負責從機的數據通信、數據處理、存儲、多種模式(曲線、棒狀圖等)顯示、歷史記錄查詢、瀏覽、打印等功能,以便操作人員對現場情況進行分析,根據分析結果采取有效措施,以防止可燃氣體的泄漏,杜絕事故隱患。2.2系統硬件結構系統以工控機為主控機,由AT89C51單片機、A/D轉換器及外圍電路組成分機,以CAN總線適配卡連接主機和從機,組成可燃氣體泄漏檢測報警系統。其硬件結構見圖2。由傳感器輸出的微弱電信號,經各自信號調理電路對信號進行預處理,使其轉換為1～5V范圍內變化的直流信號,加到A/D轉換電路轉換為數字量,然后由各分機(單片機)對其進行數據分析、處理和顯示。分機根據主控機發(fā)送的控制命令，由通信接口將數字量化信號輸出,主控機接收信號后進行分析、計算及結果顯示,同時判別是否超標,假設超標,那么主控機控制報警電路報警,同時向分機發(fā)送報警命令,控制分機報警電路工作及自動啟動房間緊急通風裝置。主控機主控機是整個檢測報警系統的控制核心,包括顯示器、鍵盤、鼠標等附屬設備。主控機選用研華IPC2610工業(yè)控制計算機。主控機通過軟件編程實現對各分機的數據采集、數據傳輸、通風報警等控制,同時根據數學模型計算出實測值,并顯示其檢測位置和氣體濃度。模擬信號的數據采集現代電子技術和計算機為信息轉換與處理提供了十分完善的手段,使檢測與控制技術開展到一個嶄新的階段,但如果沒有各種精確可靠的傳感器去檢測原始數據并提供真實的信息,那么,計算機也無法發(fā)揮其應有的作用。傳感器能夠把自然界的各種物理量和化學量等精確地變換為電信號,再經電子電路或計算機進行處理,從而對這些量進行監(jiān)測或控制。本報警器即選用了兩類傳感器———氣體傳感器和溫度傳感器,以實現對被監(jiān)測環(huán)境中與CO濃度值相關的模擬量的數據采集。模擬信號的放大處理對于傳感器輸出的模擬信號,一般要用運算放大器對其進行調理或放大,以滿足A/D轉換器對輸入模擬量幅值及極性的要求。在本報警器電路中,同樣要對兩類傳感器的輸出信號進行放大調理。由于運用簡單的運算放大電路即可實現處理要求,所以本文不做過多介紹。數據采集與放大處理電路圖分機及A/D轉換電路由低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51單片機及8位逐次逼近型8輸入通道的A/D轉換器ADC0809等主要器件構成單片機數據采集處理系統,主要完成調理后電信號的采集、處理以及接收主控機的命令,實現氣體濃度的顯示、報警及緊急通風裝置的控制,電路見圖3。2.2.5ADC5G14433與單片機的接口如圖是本報警器采用的接口電路。由于5G14433的A/D轉換結果是動態(tài)分時輸出的BCD碼,Q3～Q0和DS1～DS4都不是可控三態(tài)的,因此不能與P0口直接連接。為此,在圖3中占用8位P1口。5G14433速度慢,不宜用查詢方式。圖中用中斷方式。每次A/D轉換結束,EOC都輸出一個正脈沖,其寬度為0.5T(T是內部時鐘振蕩周期)。8051不能用EOC的上升沿請求中斷。因為8051的INT0和INT1都是下降沿中斷。所以圖中把EOC反相后接到INT1。為了提高抗干擾能力,反相器可以選用施密特觸發(fā)器。圖中把EOC與DU連在一起。這樣每次A/D轉換完畢,必輸出EOC正脈沖,EOC的正脈沖加到DU,使5G14433立即輸出數據。數碼顯示電路為保證工作人員隨時掌握各房間氣體濃度情況,在分機上裝有氣體濃度和傳感器位置代碼顯示器。依據各種氣體濃度值,采用7個共陰極數碼管顯示電路采用動態(tài)掃描方式進行循環(huán)顯示,當有氣體濃度超標報警時,聲光報警停止循環(huán),連續(xù)閃爍其位置代號和濃度值。局部led程序代碼：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitLS=P1^4;sbitDS=P2^0;sbitWS=P2^1;uitt0=0;uitt1=0;uitemp=0xfe;uinum1=0;uinum2=0;uccodeDable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7f,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76};uccodeWable[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,};voidinit();//voidled();//voiddelay(int);voidmain(){ init();// led();}voidinit() //初始化程序{ DS=0; WS=0; LS=0; P0=temp; TMOD=0x11; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TL1=(65536-50000)/256; TH1=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR1=1; TR0=1;}voidTime1()interrupt3{ tt1++; if(10==tt1) { LS=0; tt1=0; temp=_crol_(temp,1); P0=temp; LS=1; }}voidTime0()interrupt1{tt0++;if(10==tt0){ tt0=0; WS=1; P0=Wable[num2]; num2++; if(num2==6) num2=0; WS=0; DS=1; P0=Dable[num1]; num1++; if(num1==16) num1=0; DS=0;}}系統報警系統的組成與程序代碼報警電路程序代碼：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitLS=P1^4;sbitDS=P2^0;sbitWS=P2^1;uitt0=0;uitt1=0;uitemp=0xfe;uinum1=0;uinum2=0;uccodeDable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7f,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76};uccodeWable[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,};voidinit();//voidled();//voiddelay(int);voidmain(){ init();// led();}voidinit() //初始化程序{ DS=0; WS=0; LS=0; P0=temp; TMOD=0x11; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TL1=(65536-50000)/256; 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DS=0;}}2.2.8由于傳感器輸出的信號為微弱信號(一般小于μV量級),需經過信號調理電路進行線性放大處理,以滿足A/D轉換電路對信號電平的需求。電路以集成運算放大器LM747J為核心,與電容電阻配合完成信號的調整放大,同時電路采用外部調零方式,保證了傳感器輸出信號準確、可靠及零點的穩(wěn)定,電路見圖4。系統軟件總體設計3.1系統流程設計系統流程設計見圖5圖53.2數據庫設計數據庫系統設計筆者運用主動數據庫技術結構結合平安報警設計了如下結構,見圖6?？扇細怏w泄漏數據由靜態(tài)數據及動態(tài)數據組成,靜態(tài)主要是場站信息及上限值;動態(tài)是當前的泄漏數據。系統實現其核心是事件處理器邏輯實現(由圖6中事件生成器、報警事件排隊表、事件調度器、事件處理模塊組成),通過觸發(fā)器和存儲過程來實現(SQLSever2000)。下面列出各種數據結構，見表1-表3。遠程溫度數據采集控制上位機系統軟件設計主要包括設置Winscok控件屬性,設置遠程訪問的IP和Port端口;用向下位機發(fā)出召測命令的方式要求傳回結果;接收下位機傳回的數據并轉換成需要的數據;實時顯示與分析數據并報警,然后發(fā)出命令控制下位機做出相應的動作等。見圖7。結論本系統使用面向對象的編程語言VisualBasic和SQLSever2000進行設計,解決了遠距離通信關鍵技術;對各種傳感器進行優(yōu)選實驗及精密信號調理電路的設計,解決了傳感信號放大、零點漂移及信號穩(wěn)定性等關鍵技術;軟件設計采取了抗外界干擾技術措施,提高了系統的綜合測試精度該系統具有結構簡單、現場安裝、調試方便、易于增減傳感器數量等優(yōu)點,其較強的抗干擾能力和可靠的長距離信息傳輸,可推廣到軍用及民用遠距監(jiān)