室内天然气泄漏报警装置.doc

西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 1 页 共 20 页 摘要 随着科技的发展，现在家庭做饭烧水已经逐渐告别煤逐渐使用清洁的天然气。 天然气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效 率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时 就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气泄漏而造 成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用天然气报警器是对付燃气无 形杀手的重要手段之一。 本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现 声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的 气体报警器，具有一定的实用价值。其中 mq-2 气体传感器对天然气的灵敏度高， 这种传感器可检测多种含甲烷的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 经 at89c51 单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预 设值(也就是报警限)，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则 为正常状态。 本文主要讨论用气敏传感器个单片机等技术实现室内天然气煤气泄漏报警， 为我们的生活提供更大的安全保证也为我们的生活提供方便。 关键词：天然气报警，气敏传感器，单片机 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 2 页 共 20 页 目录 1 绪论3 1.1 课题背景及目的3 1.2 国内外研究情况及其发展3 1.3 设计内容级研究方法4 2 系统方案及模块设计5 2.1 设计思路5 2.2 设计框图5 2.3 系统模块设计.5 2.3.1 气体浓度检测模块5 2.3.2 主控制模块.6 3 硬件电路设计10 3.1 气体检测模块的设计10 3.2 单片机模块的设计11 3.3 声光报警模块的设计.12 4 程序设计14 4.1 主函数程序设计：.14 5 结论.16 6 附录.17 参考文献20 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 3 页 共 20 页 1 绪论 1.1 课题背景及目的 人的生存离不开空气，人的一生大约有 80%的时间是在室内度过的，室内 环境质量的好坏影响着人们的身心健康。室内的有害气体来源有来自装修不当 造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以 注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。室内存在的有 害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气 泄漏和煤气泄漏。 天然气泄漏的主要成分是甲烷。液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气 是石油产品之一。是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得 到的一种无色、挥发性气体。由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、 丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。由天然气 所得的液化气的成分基本不含烯烃。液化石油气主要用作石油化工原料，用于 烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。其主 要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。液化石油气 是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。 天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在 95%以上。人所赖以生存的空气 中有大约 20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气 不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。室内天然气泄漏 会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤 其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。天然气 的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸， 危及人的生命。 1.2 国内外研究情况及其发展 当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用 于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 4 页 共 20 页 国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可燃性气体泄漏 报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求 提高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。因 此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在 1996 年 2002 年就煤气报警器的年均增长率为 2730。在这些方面，国内应该增强 安全意识增强。 可燃性气体泄漏报警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，这也是燃气 泄漏报警器一直追求的目标；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可燃性气体泄漏 气报警器。如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有 控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。 1.3 设计内容级研究方法 本设计计划按以下思路展开研究： （1） 信号釆集部分为了能准确釆集到气体浓度的变化应选用半导体气体 传感器，为使其 有效的检测室内气体浓度，釆用电阻型半导体气体传感器：而 放大部分使用运放进行比例 和反相两级放大。 （2）信号处理部分为了实现精确控制，釆用单片机较为合适。将模拟信号 送 a/d 模块进行数模转换，经过处理后送存储器保存和送显示器显示。 （3）系统设置报警部分可以考虑蜂鸣器报警。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 5 页 共 20 页 2 系统方案及模块设计 2.1 设计思路 用相应的气体传感器检测室内煤气、天然气的基本状态，并将气体浓度信 号转换为电信号。通过信号处理电路将有无气体泄漏两种状态转换成高低电平， 并将些电平通过单片机 i/o 接口传入单片机，通过单片机编程控制报警电路的 工作状态。 2.2 设计框图 如下图 2.1 所示： 51 单片机 声光报警 排气装置 气体检测 自动关闭 装置 图 2.1 设计思路框图 2.3 系统模块设计 2.3.1 气体浓度检测模块 传感器是能把实测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号输 出的装置。传感器主要是由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 6 页 共 20 页 换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。 敏感元件：敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是 传感器中能直接感受被测量的部分。 传感元件：又称为转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感 元件的输出量转化为电量输出的元件。 传感器按工作原理可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、 光电式传感器、压电式传感器等。 气敏传感器原理： 声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生 漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某 气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用， 或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压 电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程 度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变 化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值。 本次的设计采用的mq-2气体传感器，mq-2气敏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。 mq-2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。 2.3.2 主控制模块 主控制模块即单片机模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件 编程控制各个功能模块，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。 at89c51 是一种带 4k 字节 flash 存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能 cmos 8 位微 处理器，俗称单片机。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 1000 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 mcs-51 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， 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 7 页 共 20 页 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 及引脚排列如图所示 at89c51 外形及引脚排列。 图 2.2 at89c51 引脚图 at89c51 单片机有 40 个引脚（如图 2.2） ，按照引脚功能大致可分为 4 个 种类：电源、时钟、控制和 i/o 引脚。 vcc：电源电压 gnd：地 p0 口：p0 口是一组 8 位漏极开路双向 i/o 口，即地址/数据总线复用口。作 为输出口时，每一个管脚都能够驱动 8 个 ttl 电路。当“1”被写入 p0 口时， 每个管脚都能够作为高阻抗输入端。p0 口还能够在访问外部数据存储器或程序 存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。p0 口在 闪烁编程时，p0 口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。 p1 口：p1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 的输出缓冲级可驱动 4 个 ttl 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作 为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁 编程时和程序校验时，p1 口接收低 8 位地址。 p2 口：p2 口是一个内部带有上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 的输出缓冲 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 8 页 共 20 页 级可驱动 4 个 ttl 电路。对端口写“1” ，通过内部的电阻把端口拉到高电平， 此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一 个电流。在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，p2 口送出 高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，p2 口线上的内容在整 个运行期间不变。闪烁编程或校验时，p2 口接收高位地址和其它控制信号。 p3 口：p3 口是一组带有内部电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 口输出缓冲故可 驱动 4 个 ttl 电路。对 p3 口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作 为输入端时，被外部拉低的 p3 口将用电阻输出电流。 p3 口除了作为一般的 i/o 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.7 所示： 表 2.3 at89c51 各部分引脚的作用 端口引脚第二功能 p3.0rxd p3.1txd p3.2int0 p3.3int1 p3.4t0 p3.5t1 p3.6wr p3.7rd p3 口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。 rst：复位输入。当震荡器工作时，ret 引脚出现两个机器周期以上的高电 平将使单片机复位。 ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale 输出脉冲用于锁 存地址的低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ale 以时钟震荡频率的 1/16 输 出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每 当访问外部数据存储器时将跳过一个 ale 脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引 脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的 8eh 单元的 d0 位置 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 9 页 共 20 页 禁止 ale 操作。这个位置后只有一条 movx 和 movc 指令 ale 才会被应用。此外， 这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ale 无效。 psen：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c51 由 外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的 psen 信号不出现。 ea/vpp：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，ea 端必须 保持低电平。需要注意的是：如果加密位 lbi 被编程，复位时内部会锁存 ea 端 状态。如 ea 端为高电平，cpu 则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编 程时，该引脚加上+12v 的编程允许电压 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp。 xtal1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：震荡器反相放大器的输出端。 振荡器特性: xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放 大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟 源驱动器件，xtal2 应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发 器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求 的宽度。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 10 页 共 20 页 3 硬件电路设计 3.1 气体检测模块的设计 图 3.1 传感器工作原理图 （1）气体检测模块电路 由于 protues 软件元件库中没有 mq-2 气体传感器，由于 mq-2 气体传感器 两信号输出端为电阻信号，当没有煤气、天然气泄漏时，rs 的阻值应该在 20k 左右，此时该气体检测模块的输出端为高电平，此时 led 发光。当有煤 气、天然气泄漏时，rs 的阻值应该在 2k 左右，此时该气体检测模块的输出 端为低电平，此时 led 熄灭。 d2 1n4001 20k rv3 + _ 5 6 2k r12 10k r14 20k rv1 100k r13 10k r1 d3 1n4001 q2 npn 3k r15 1000u c4 8 u4:a lm358 图 3.2 气体检测模块原理图 敏感元件 传感元件 信号调节与转换 辅助电源 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 11 页 共 20 页 （2）气体检测模块调试 按照电路图在面板上搭接气体检测模块电路，该模块输出通过 100k 限流 电阻接 led 正端，该 led 负责拼接接地。当 mq-2 传感器端不加气体时，此 时 led 点亮，说明此时输出为高电平；当 mq-2 传感器端加气体时，此时 led 熄灭，说明此时输出为低电平。刚上电时就在 mq-2 端加气体，此时 led 不熄 灭，原因是 rc 延时电路起作用，防止误报现象的发生；在 1min 左右之后，在 mq-2 传感器端加气体，此时 led 熄灭，开机延迟时间约为 1min，该调试结果 符合设计要求。 3.2 单片机模块的设计 单片机模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个 功能模块，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal1 19 xtal2 18 rst 9 psen 29 ale 30 ea 31 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 u1 at89c51 30p c1 12 x1 振振 30p c2 22u c3 1k r2 out1 out2 out3 a0 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 b1 b2 b3 b4 图 3.3 主控制模块原理图 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 12 页 共 20 页 3.3 声光报警模块的设计 光报警电路图如图所示。单片机 at89c51 的 1 脚(p1.0)控制输出的状态指 示灯。红灯不亮表示正常状态，环境中可燃气体浓度极低。红灯闪亮表示环境 中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应安全措施。 当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可进行操作停 止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用户。 由前面的我们提到在 protues 中没有气敏传感器的元器件，故在此次的实验 设计中我们采用的是阻值范围在 220k 欧的电阻进行替代，当没有煤气，天然 气泄漏时，此时的电阻值应该在 20k 欧，此时检测出模块的输出端为高电平， 此时的 led 发光。 当有煤气，天然气泄漏时，此时的阻值应该在 2k 欧，此时应该检测出模块的 输出端为低电平，此时的 led 灯熄灭。 3.3.1 声光报警电路 如图所示，out3 与单片机 p1.3 引脚相接，当检测到有煤气、天然气泄漏 时通过单片机编程控制 p1.3 输出方波信号，此时 led d1 闪烁，并且蜂鸣器以 相同的频率发出声音，产生霞光报警信号，提醒用户煤气、天然气泄漏，采取 相应的措施。 q6 npn led1 led_yellow 100 r24 2k r11 ls? buzzer 100 r25 d1 1n4001 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 13 页 共 20 页 图 3.4 声光报警原理图 3.3.2 声光报警模块的调试 声音报警电路图如图所示。报警装置采用蜂鸣器较一般的蜂鸣器体积大， 声音响亮，适用于家用燃气报警器的报警声音源。当单片机 at89c51 的 8 脚 (p3.7)置 1 时，三极管导通，蜂鸣器报警。 灯光报警由于在 protues 中无法进行声音的仿真，所以此次的设计我们采用 led 二极管进行显示。 当无煤气，天然气泄漏的时候此时的 led 即 p1.3 为高电平 5v，此时的 led 管 不发光。当有煤气，天然气泄漏的时候此时的 led 为低电平 0v，通过模拟示波 器我们可以得到的是 led 管脚输出为方波波形，此时的 led 每 2s 亮灭一次。 将编辑好的程序通过单片机下载器下载到单片机中，将单片机插入面包板， 20 脚、40 脚分别接地和 5v 电源。蜂鸣器与 led 串联，负端接到 p1.3 口，正 端接 5v 电源。当 p1.1 口接 5v 电源时，led 熄灭，蜂鸣器不报警；当 p1.1 口 接地时，led 闪烁，同时蜂鸣器以相同频率发声报警。此时用示波器测得 p1.3 口波形为周期为 1.2s 的方波信号，与理论值之间存在一定的误差。 设计中对方波信号的要求不是很高，因为方波信号的周期只影响报警的频 率，并不影响报警功能，因此不需要对其进行修改。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 14 页 共 20 页 4 程序设计 本设计可以用汇编语言编程序，也可以用汇编语言编程序。主要编程序来 控制定时、计时中断、和输出等。 汇编语言的特点 1机器相关性。 这是一种面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专 门设计的。因为是机器指令的符号化表示，故不同的机器就有不同的汇编语 言。使用汇编语言能面向机器并较好地发挥机器的特性，得到质量较高的程 序。 2高速度和高效率 。 汇编语言保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点，可有效地访 问、控制计算机的各种硬件设备， 如存储器、cpu、i/o 端口等，且占用内 存少，执行速度快，是高效的 。 3编写和调试的复杂性。 由于是直接控制硬件，且简单的任务也需要很多汇编语言语句，因此在 进行程序设计时必须面面俱到，需要考虑到一切可能的问题，合理调配和使 用各种软、硬件资源。这样，就不可避免地加重了程序员的负担。与此相同， 在程序调试时，一旦程序的运行出了问题，就很难发现。 软件部分是用来配合硬件电路，控制后面电路的响应，以实现设计预定功 能。其主要由两部分功能组成：一部分是是对传感器接受到的信号进行处理： 另一部分是实行中断处 理，控制设置报警模块。两部分信号的处理都是釆用査 询方式。本系统釆用网路巡回检测， 轮换选择 4 个传感器工作，并且在显示器 上轮流显示工作传感器所检测到的浓度值。当检 测到的浓度小于设定值时，等 待定时器中断：当检测到的浓度超过设定值时，执行中断程 序进行报警处理， 显示浓度。 4.1 主函数程序设计： 程序开始，定时器初始化，检测空气中天然气的浓度是否达到报警值，如 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 15 页 共 20 页 果达到报警值，调用报警子程序，报警。如果没有达到报警值，则 led 置 1， 处于熄灭状态，返回检测，重新循环。 开始 定时器初始化 是否达到 报警值 关中断 led 置 1 调用报警程序 n y 图 4-1 主程序流程图 读取温度值 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 16 页 共 20 页 5 结论 气体检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气 中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间 与发展前景。 本论文在对气体传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内 外同类产品的技术特点，合理地确定系统的设计方案。并对仪器的整体设计和 各个组成部分进行了详细的分析和设计。 本论文设计的气体报警器由气体信号采集电路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 mq-2 型半导体电阻式气 体传感器。该传感器是对以烷类气体为主的多种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，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、 重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。 在系统单片机控制电路的设计上，采用了 at89c51 单片机作为核心芯片， 充分利用了其高速数据处理能力和丰富的片内外设，实现了仪器的小型化和智 能化。使仪器具有结构简单、性能稳定、体积小、成本低等优点。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，保证传感器准确地、稳定地工作，需要向气体传感器持 续供给 5v 的加热电压。 气体报警器能实时范围检测工作，当烟雾的浓度达到设定的浓度时，发出 声光报警。报警器还可以与上位机(pc)进行通信，实时传输烟雾浓度检测数据， 由上位机记录保存，也可以利用上位机完成实现远程实时检测和控制等功能。 西安建筑科技大学课程设计（论文） 第 17 页 共 20 页 6附录 主程序： org 0000h ajmp main org 0003h ljmp rd org 000bh ljmp timo org 0023h ljmp sout org 0100h main : mov sp,#50h clr p1,6 clr p1,5 clr p1,7 mov 29h,#00h mov 28h,#00h mov 21h,#00h mov 22h,#64h mov 23h,#0a0h sjmp key setb it0 setb ex0 setb et0 setb es setb ea mov tcon,#90