有毒可燃气体报警器的研究

1 有毒可燃气体报警器的研究 第 1 章 绪论 随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故，严重危害人民的生命和财产安全。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿地表面扩散，在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区，扩大危害区域。例如， 1995 年 7 月，四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏，当场造成 3 人死亡， 6 人受伤，仅约一小时左右 ，市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。因此，这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。一旦发生气体泄漏事故，必须尽快采取相应措施进行处置，才能将事故损失降低到最低水平。及时可靠地探测空气中某些气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。作为一种重要的气体探测器，气体传感器近年来得到了很大的发展。气体传感器的发展使得其应用越来越广泛。 危险化学品和可燃性气体要 加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警，在危险化学品和可燃性气体场所有害可燃性气体或液体（蒸汽）检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要意义。 随着人类社会的进步、生产的发展，人们的生活水平不断提高，随之带来了环境空气污染问题。工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重，但是对人们的身体健康有影响。一氧化碳是一种无色、无味的气体，它与血液中的血红素结 合的能力是氧的 240 倍，它与血红素形成稳定的络合物，使血红蛋白丧失 2 了输送氧气的能力，从而导致组织低氧症，甚至死亡。一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一，也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。为了保证人们身体健康和环境洁净，世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。国家工业卫生标准规定，生产现场一氧化碳浓度不允许超过50我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。 我设计的是有毒可燃其他报警器，该仪器以单片机 核心，包括传感器、 A/晶显示屏、声光报警和按键模块等部分。传感器部分采用感知环境中某种气体并将与气体种类和浓度有关的信息转换成电信号。这种电信号是连续变化的模拟信号，需要经过 A/片机将采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并可以送到 检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。 该系统可有效的降低事故发生率，结构灵活，扩展性强，具有较高的性价比，件化”，大大 的提高了系统的可靠性和抗干扰能力，非常实用于生产生活中的有毒可燃气体的监测监控，性能优良，经久耐用，可靠性高。 第 2章 有毒可燃气体报警器的方案设计 体传感器的选型 可燃性气体传感器是一个气 的作用是把可燃性气体在空气中的含量 (即浓度 )变成电信号，进而由单片机采集信号、数据处理、浓度显示以便报警控制。传感器作为对可燃性气体的敏感元件，是各种类型 (袖珍式、便携式、固定式 )仪表的核心之一。因此，传感器的选型是非常重要的。 体传感器的种类 国外从 30年代开始研究开发气体传感器。过去气体 传感器主要用于煤气、 3 液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体 ( 扩展到毒性气体 ( 。气体传感器种类繁多，从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、催化燃烧等。 (2) 利用物理性质的气体传感器 :如热导、光干涉、红外吸收等。 (3) 利用电化学性质的气体传感器 :如电流型、电势型等。 下面对工业上常用的几种气体传感器作以简单介绍。 (1) 半导体气 体传感器 这类传感器主要使用半导体气敏材料，利用气敏元件的电阻、电流或电压随气体浓度变化的原理工作的。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，这类传感器得到了广泛的应用。目前，世界上许多国家开展了对半导体气敏材料的研究，其中日本、美国处十领先地位，我国也投入大量资金和人力进行研究，并取得一定成果。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。 (2) 固体电解质气体传感器 这是一种产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。它使用固体电解质材料作为气敏元件。其原理 是气敏材料在通过气体时产生离子，形成电动势，钡 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。如测量 H4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 这类传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式气体传感器。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体 氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而 使其电阻值发生变化，测量阻值变化从而测量气体浓度。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸 遍应用于石化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体的监测和报警。这类传感器只能测量可燃性气体，对不可燃性气体不敏感。在燃气爆炸下限内输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度 4 的变化对其工作状态影响很小、选择性好、反映准确、精度高、再现性好。其不足的是催化剂寿命有限，当在可燃性气体与空气的混合物中有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰催化燃烧的同时，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，反应滞缓或中毒，使灵敏度降低。 (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 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 这类传感器由膜电极和电解液灌封而成。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 (大于等于两年 )。它主要适用于毒性气体的检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 感器概述 2。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染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。 感器详细说明 敏传感器主要做空气污染用，具体可以应用于 家庭用空气污染报警器、工业用空气污染控制器、便携式空气污染检测器等多种仪器。作为一种优秀 5 的气敏传感器，它有以下优点： 化物、苯系等气氛灵敏度较高 成本 气、硫化物、苯系蒸汽的灵敏度高，对烟雾和其它有害的监测也很理想。这种传感器可检测多种有害气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 图 1是传感器典型的灵敏度特性曲线。图中纵坐标为传感器的电阻比（ o），横坐标为气体浓度。 示传感器在不同浓度气体中的电阻值 示传感器在 100气中的电阻值图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 灵敏度特性： 图 2为受温度、湿度影响的典型曲线。图中纵坐标是传感器电阻比（ o）。00气、各种温 /湿度下的电阻值 100气、 20/65% 6 温 /湿度的影响： 图 3是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加 2 个电压：加热器电压（ 测试电压（ 其中 是用于测定与传感器串联的负载电阻（ 的电压（ 这种传感器具有轻微的极性，用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下， 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 基本测试回路： 7 传感器规格参数： 传感器的结构，外形 ： 敏元件的结构和外形如图 4 所示 (结构 ),由微型 瓷管、 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只针 8 状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 图 4 第 3章 有毒可燃气体报警器的硬件设计 毒可燃气体检测报警器的设计 在有毒可燃气体报警器的设计中，单片机是仪器的核心部件。它一方面接收传感器检测到的可燃性气体浓度所对应的模拟电压信号和数字信号，另一方面要对这 一信号进行处理，控制报警进行相应操作，与此同时判断是否收到外部中断请求。在单片机所实现的这些功能中，特别是信号处理部分，需要单片机有较快的运行速度，才能对现场气体浓度做出快速、准确的检测，进行相应的处理。同时考虑选择低价实用的机型，并为制同一系列的低功耗产品做准备。根据多方面 9 的比较，本设计选用生产的 首先，可燃性气体浓度信号通过 过前置放大电路后，直接输出数字信号或经过 A/电压信号，然后，送入 拟电压信号需经线性化数据处理后，将电压信号转化成对应的十六进制浓度值。最后，将浓度值送入 检测到的有毒可燃气体浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声光报警，同时显示屏显示相应状态。 燃性气体检测报警器的结构 可燃性气体报警控制器系统结构如图 3示，系统以 合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、声音报警、按键控制等功能。 仪器有两种运行状态，一种直接接收传感器模块的数字信号，并控制报警电路。一种是单片 机接收传感器模块的模拟电压信号，再将电压信号转化成浓度值，然后单片机根据前置条件控制电路。 图 3燃性气体报警控制器系统结构 列单片机系统结构特点 性能 有 8K 在系统可编程储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令电源 单 片 机 传感器模块 按键控制 声光电路 液晶显示屏 10 和引脚完全兼容。片上 适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得 众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案 2。 8256字节 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， 降至 0态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， 许 时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个 中断或硬件复位为止。其引脚电路如图 3示， (1) 与 (2) 8(3) 1000次擦写周期 (4) 全静态操作： 0335) 三级加密程序存储器 (6) 32个可编程 I/(7) 三个 16位 定时器 /计数器 (8) 八个中断源全双工 (9) 低功耗空闲和掉电模式 (10) 掉电后中断可唤醒 (11) 看门狗定时器 (12) 双数据指针 (13) 掉电标识符 11 图 3燃性气体报警控制器的电路设计 转换器。器件包括由缓冲器和增益可编程放大器 ( 组成的前端模拟调节电路 , 调制器 , 可编程数字滤波器等部件。能直接将传感器测量到的多路微小信号进行 A /D 转换。这种器件还具有高分辨率、宽动态范围、自校准、优良的抗噪声性能以及低电压低功耗等特点 , 非常适合仪表测量、工业控制等领域的应用。它采用三线串行 接口 , 有两个全差分输入通道 , 能达到 非线性的 16 位无误码数据输出 , 其增益和数据输出更新率均可编程设定 , 还可选择输入模拟缓冲器 , 以及自校准和系统校准方式。工作电压 3 V 或 5 V。 3 V 电压时 , 最大功耗为 1 等待模式下电源电流仅为 8 m 。 片式的封装形式，有 40个管脚。根据单片机制作的原理以及报警器实现的功能，其接口电 路主要分为 6个部分。 片机接口电路如图 3 12 图 3(1) 复位模块 复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动， 因此非常重要。为可靠起见，电源上电稳定后还要经一定的延时，才能撤销复 位信号，以防电源开关或电源插头分一合过程中引起的抖动而影响复位。在本 设计中，采用的是阻容 过电容加到 电平持续时间取决于 了保证系统能可靠地复位， 上高电平信号必须有足够长的时间 ，本复位操作采用按键控制操作。 (2) 系统时钟模块 时钟电路产生单片机的工作时序脉冲，是单片机正常工作的关键。本次设计中采用外部独立时钟震荡器所产生的时钟信号。在 8脚 (19脚 (接 12M 的晶体，同时并连 2个 33生系统时钟。 (3) 显示模块 由 239脚以及 1415脚构成显示及控制信号。本次设计中采用的是动态显示的方法进行浓度显示。 13 (4) 声音报警模块 由 4脚实现声音报警控制。当可燃性 气体浓度超过限定值 时，扬声器发出鸣叫报警。 (5)按键控制模块 有两个按键分别接单片机 25、 26脚作为系统操作按键 (6)由 123 脚构成 灯亮表示系统处于非工作状态，绿灯亮表示系统处于正常工作状态，红灯亮表示系统处于非正常工作状态。 音报警电路 当可燃性 气体浓度超过限定值时，扬声器发出鸣叫报警。 图 3音报警控制电路 14 示电路 显示电路采用 示，相较其他显示方式液晶屏显示优点突出，具有以下特点： 显示质量高 由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（ 样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。 数字式接口 液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。 体积小、重量轻 液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多 功耗低 相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动 ，因而耗电量比其它显示器要少得多。 下图为 图 3 显示容量： 16 2个字符 15 芯片工作电压： 作电流： 模块最佳工作电压： 符尺寸： H) 3239 脚以及 1415 脚接 成显示及控制信 号。接口电路如下图 3 图 3态显示 灯光报警电路如图 3光报警电路由 阻起限流的作用。系统处于非工作状态的时，单片机黄灯对应引脚输出低电平，黄灯亮；工作状态时，没有中断产生表示系统工作正常，则单片机绿灯对应引 脚输出低电平，绿灯亮，如果产生外部中断 0，单片机黄灯对应引脚间隔输出低电平，红灯闪烁；工作状态时，系统工作正常则如同工作状态，如果气体浓度超过报警限，报警也如工作状态。 16 图 3键控制电路 本系统按键控制电路由两个按键组成，作用是选择工作模式、查看报警次数、 退出当前工作模式等。接口电路图如下图 3示： 第 4章 有毒可燃气体报警器的软件设计 片机调试及开发工具 嵌入式系统的开发往往借助于开发系统工具，而各种开发系统一般都比待开发 调试的嵌入式系统要复杂得多。 发工具由硬件 17 和软件两部分组成，硬件只需一台 标板和一个称为 位并行数据与来自 实现 体包括： (1) 程序下载 当用户将源程序（ 可以将程序代码在如图的环境中下载到 用户的系统可以是在线状态。 (2) 设置断点 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面。在程序中设置断点。在 以同时设置 4个硬件断点，它是经过 芯片中的几组断点条件寄存器实现的。 (3) 现场观察与修改 用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改 存器的数据。 在调试过程中，根据需要可以进行软件模拟仿真和硬件仿真。 毒可燃气体报警器软件流程及设计 本设计中，软件要解决的主要问题是检测传感器送来的有毒可燃 气体浓度信号或数字电压信号，根据工作模式不同，程序处理不同的信号。数字电压信号可产生外部中断，程序依此进行报警；浓度信号进行线性化处理，用 示浓度，若浓度值超出限定值，报警器发出声音报警。 因此分为主程序、线性化处理子程序、十六进制转化十进制子程序，浓度显示子程序、键扫描处理子程序、声光控制子程序六个部分。在程序的编写过程中，加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。 程序流程图及设计 主 程序流程图如图 4于 通电时 ，器件并不能立即投入正常工作，需要一定的时间预热。 18 性化处理子程序设计 在单片机测控系统中，使用之前必须进行静态标定 (校准 )，以得到输出信号与被测信号的关系 来作为使用过程中的计量依据。但是标定时输出曲线往往不是一条理想的直线，所以要对标定曲线进行线性化处理，用一条拟合直线近似代替输出曲线，线性化是智能仪表的典型功能之一。 由于电压值与气体浓度之间是非线性的关系，为了实时显示气体浓度，需要对其进行线性化处理。在误差许可范围内，根据标定曲线形状，以及单片 机处理能力，把曲线分成 8 段，对每小段分别线性化。浓度 0%段如下： 0%0% 10%0%0%8% 28%6%6%5% 45%1%1%8% 78%9%片机经过滤波后，得到 3个采样值的一个真值，把这个真值通过查表比较，确定其所在区间的上下限电 压值和上下限浓度值，根据公式 (4计算出该电压值对应的浓度值。分段点的电压值和浓度值分别存储在两个表格中，线性化处理子程序如图 4 开始 工作模式选择 据处理 是否需要报警 状态显示 报警 19 Y - Y + X - X 下上下 下滤 滤下上（ ） （ ）（ ）(4式中 20 开 始根 据 滤 波 后 的 电 压 ,通 过 查 表 比 较 的 方 法确 定 所 在 的 分 段 区 间滤 波 后 电 压 值 与 该 区 间电 压 下 限 相 减X 2=X 滤 区 间 上 下 限 浓 度 值 相减 Y 1=Y 上 完 成 16 16位 定 点 乘法 求 出 Z=X 2 Y 1区 间 上 下 限 电 压值 相 减 X 1=X 上 完 成 32 16位 定 点 除 法求 出 Y 2=Z/X 1求 出 Y 滤 =Y 2+Y 下将 Y 滤 进 行 十 六 进 制 到 十 进制 转 化 并 送 至 显 示 子 程 序图 4性化处理子程序流程图 六进制转化十进制子程序设计 经过线性化处理后的浓度是十六进制的，而 十进制 的，所 21 以要进行十六进制转化十进制子程序处理，再送入显示子程序。流程图如图 4 开 始将 2 4 H 送 入 1 0 0C = 0 ? 2 5 H + 1A + 1 0 0 1 0C = 0 ? 2 6 H + 1 1 0 入 2 7 六进制转化十进制子程序流程图 22 示子程序设计 本次设计采用的是 序流程图如下图 4图 4示子程序流程图 23 据处理模块 4第五章 系统调试 件的调试 在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计都需要做到准确无误。可见调试的工作量比较大。调试部分是单片机系统设计中至关重要的部分。调试的成功与否直接关系到整个系统运行的可行性。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬 件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显Y 气体超标信号输入 报警电路工作 开始 检测浓度和按键 等待操作 浓度下降或按键操作 N 停止报警 24 的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。 当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体可以分为以下几步。 除逻辑故障 这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、 数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。 除元器件故障 造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。 除电源故障 在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查 在 5V 正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。 件调试 软件调试主要采用 于由于 以在这个调试过程中，并没有用仿真器来实践，而是直接将程序烧写进单片机来操作。将通过 件 25 用烧录软件通过下载线烧写进单片机中。 、硬件整体调试 软、硬件联调是将已经调试通过的软件和硬件结合起来一起进行调试。这部分是单片机制作过程中最重要的调试部分。单一的软件或 是硬件的调试通过了并不能验证总的方案的可行性。只有将整个系统的软件硬件相结合连接起来进行调试，也就是综合调试。如果调试成功了才能说明此系统的功能实现，系统设计已经成功。 采用 先编译单片机程序，然后运行编译的程序，程序检查成功后，再把程序烧入硬件之中。对调试过程中出现的错误要仔细分析，然后不断更正错误，直至达到理想效果为止。 在软硬件联调时，根据在程序中设定的阈值，将打火机打火放到气体传感器周围，这样气体传感器就可以采集到相应可燃气体浓度，当浓度超过预设阈值，蜂鸣 器就会立即报警，同时吸合继电器。 结论 本次设计对有毒可燃气体报警器进行了深入的研究，在参考国内外一些资料的基础上，比较合理地选择了系统的设计方案，采用了“探测器 +单片机控制电路”设计思路，由于具有操作简单， 实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等场所使用，具有很高的实用价值。 本次设计的有毒可燃气体报警器由探测器与单片机控制电路两大部分构成。根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用 传感器是对以烷类气体为主的多种可燃性气体有良好敏感特性的广谱型半导体敏感 器件。它的灵敏度适中，响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、抗环境气氛影响及抗温湿度影响等性能均优。该仪器采用了高性能 分利用了 高速数据处理能力和丰富的片内设置，实现了仪器的小型化和智能化，使仪表具有结构简单、性能稳定、成本低等优点。应用程序 26 用 分利用芯片资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小代码容量。对可燃性气体采用滤波、线性化处理等，不但最大限度地排除现场噪声干扰，降低可燃性气体报警器误报概率，而且易于在单片机中实现。此电路具有结构 简单，调试方便，线性度好，温漂小等优点。 本次设计也存在着一些需要完善的地方，譬如让检测进行网络连接，实行多点同时检测、如何更加智能化的进行报警工作，如何能更好的减少检测误差等问题值得去进一步的研究和探讨。 本次设计的有毒可燃气体报警器灵敏度高，在测量范围内具有较理想的特性，适用于低流速的可