基于单片机的煤气智能报警系统的设计.doc

本科毕业设计题目：基于单片机的煤气智能报警系统的设计学院电子与信息工程学院专业电子信息科学与技术姓名班级2008级本（一）班学号指导教师起讫时间2012.032012.05i基于单片机的煤气智能报警系统的设计摘要随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视。管道煤气与灌装煤气的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险。由于使用的不当以及设备的老化等原因所引起的煤气泄漏极大地威胁着人们的生命财产安全，因此对于煤气浓度的检测与控制就变得至关重要，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。本论文是一篇基于单片机的煤气智能报警系统的设计。该系统可对煤气浓度进行实时监测，当被测气体中一氧化碳的浓度超过预定数值时,将产生报警并自动关闭煤气阀门。经过多次测试，该设计达到了精确度、灵敏度和稳定性高的要求，且成本低，操作方便，因此可广泛用于智能报警器与监控系统。关键字单片机；气体传感器；煤气监测；智能报警TheDesignofIntelligentGasMonitoringandAlarmingSystemBasedOnSingleChipMicrocomputerAbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyandthesciencetechnology，peoplebecomepaymoreandmoreattentiontothequalityoflifeandimprovingtheenvironment.Pipelinegasandfillingtheuseofgasforpeoplebroughtconvenient,alsoimprovetheenvironmentofthecity,butalsohasbroughtpeopleofpotentialdanger.Duetotheimproperuseofequipmentandagingcausesofgasleakagegreatlyaffectingpeopleslifeandpropertysecurity,soforthemeasurementandcontrolofgasconcentrationiscrucial.Anditisobviouslyveryimportanttostudyontheinspectionmethodsandsensorsofallkindsofgases.Thepaperisadesignofintelligentgasmonitoringandalarmingsystembasedonsinglechipmicrocomputer.Thesystemcanreal-timemonitoringofgasconcentration,andwhentheconcentrationofcarbonmonoxideintheairmorethanbookvalue,willhaveawarningandautomaticallyshutoffthegasvalves.Manytestshaveprovedthatthissystemsatisfactorilymeettheneedsofhighsensitivity,accuracyandstabilityingasmanagement.Anditislowincostandeasyinoperation,soawideusecanbeexpectedinthegasindustrymarket.Keywords:SCM；Gassensor；Gasmonitoring；Intelligentalarmii目录第1章绪论.11.1课题研究的背景.11.2课题研究的目的与意义.11.3可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态.21.4系统设计基本内容.4第2章煤气智能报警系统的方案设计.52.1煤气智能报警系统的设计思路.52.2气体传感器的介绍与选定.52.2.1气体传感器介绍.52.2.2气体传感器选定.72.3煤气智能报警系统的整体设计方案.92.3.1煤气智能报警系统的工作原理.92.3.2煤气智能报警系统的结构.92.3.3煤气智能报警系统的功能.102.3.4煤气智能报警系统的主要技术指标.10第3章煤气智能报警系统的硬件设计.113.1主机单元电路.113.1.1AT89S52单片机.113.1.2DS12887实时时钟芯片及其电路.133.1.3X5045看门狗定时器及复位电路.153.1.4电源电路.163.2功能模块部分.173.2.1带温度补偿的放大电路.173.2.2A/D转换电路.183.2.3HD7279A的人机接口电路.203.2.4声光报警电路.223.2.5光电隔离电路.233.2.6通信接口电路.25第4章煤气智能报警系统的软件设计.274.1部分单片机程序.274.1.1主程序.274.1.2数据采集程序.284.1.3A/D转换程序.29结论.30谢辞.31参考文献.321第1章绪论1.1课题研究的背景随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。气体燃料的应用和普及，伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。其中由于一氧化碳泄漏造成的中毒死亡事故尤为严重。众所周知，由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就变得尤为关键。家用智能煤气报警器就是为了预防煤气泄漏的一种家用的自动报警器，也是一种高灵敏度的气体探测器，一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件，并配以电路和声光报警部分组成。当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。1.2课题研究的目的与意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等易燃、易爆成分。贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。可燃性气体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。该报警装置是石油化学工业、有可能发生可燃性气体泄漏的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录第46项中规定的物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要的意义。2目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.3可燃性气体报警器的国内外现状及发展动态国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。3检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）×106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品；（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料；（3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入到测试了；（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先4进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。1.4系统设计基本内容本设计是煤气智能报警系统的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气泄漏的检测与报警。煤气报警系统由硬件和软件两大部分组成。其中硬件部分包括气体传感器、A/D转换电路、看门狗芯片X5045、实时时钟芯片DS12887、单片机、LED数码显示屏、声光报警单元、光电隔离继电器、电磁阀以及RS-232通信模块。软件部分主要是数据采集程序、判断显示程序以及报警程序。气体传感器将气体的成分以及浓度等信息转换成电信号，经过放大电路放大电信号，再进入A/D转换，得到CO浓度的数字量信号，然后经过单片机进行数据处理，得到最终的室内环境CO浓度值，将此数据通过数码管显示并保存，同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,如果超标，则单片机输出控制信号，通过继电器打开排气扇与关闭电磁阀以及驱动声光报警单元进行报警。为了提高实用性，系统还应该具备与上位机进行串口通信。