丁颍杯 符俊贤

“丁颖杯”大学生课外学术科技作品竞赛参赛作品 2010年“丁颖杯”课外学术科技作品竞赛论文可燃气体自动检测与报警系统的设计 符俊贤、 彭达威、 陆炬材指导老师：谭诚臣副教授华南农业大学理学院摘 要随着社会的发展，燃气已经被广泛地应用到社会生活中的各个方面。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。基于此，本文设计了一种以“防患于未然”为特色的可燃气体自动检测与报警系统。该系统是选用技术成熟且低成本的入门级52系列单片机作为控制中枢，整个系统主要分为分级传感检测、警情区分声光报警、强制控制机构三部分。本系统将检测到的可燃气体的浓度进行科学化分级，针对不同的分级警情，驱动相应的设备发出强烈的声光报警信号。当达到最高级别而又没有人为进行解除危险时，该系统将自动切断气源打开通风排气等装置，避免重大事故的发生，实现“预防为主，防控结合”的人性化全自动报警与控制系统。关键词：AT89S52单片机 气体检测 分级报警Design of Combustible Gas Alarm systemFuJun-xian, PengDa-Wei, LuJu-CaiAstract: With the social development, gas has been widely applied to various aspects of social life. But the combustible gas has brought us great convenience, but also there is a huge risk. Based on this, we designed a kind of prevention as the characteristics of the combustible gas automatic detection and alarm systems. The system is the choice of technology is mature and low-cost entry-level 52 series microcontroller as the control center, the whole system is divided into classification sensor detection, alarm distinguish between sound and light alarm, force control bodies of three parts. The system will detect concentrations of flammable gases, scientific classification, for different grade of police intelligence, the appropriate device driver to send a strong sound and light alarm signal. When you reach the highest level but no one to lift the danger, the system will automatically cut off gas supply to open the ventilation exhaust and other devices to prevent the occurrence of major accidents, to achieve prevention first, combining prevention and control of the human and automatic alarm control system.Key words: microcontroller of AT89S52 Gas test Detecting alarm 目 录一、 引言 4二、 系统设计 4三、 总体设计方案3.1设计思路53.2方案论证与比较53.3系统组成5四、 单元电路设计 54.1主控单元部分电路5 4.2可燃气体检测电路8 4.2.1气体检测电路设计8 4.2.2气体检测探头8 4.3声、光报警电路10 4.4排风系统及煤气关闭系统自动控制电路 11五、 科学分级、软件设计 11六、 电路调试 12七、 高级功能扩展 13八、 结语13九、 致谢14参考文献 14附录一 15附录二 29附录三 20 一、引言：随着人们生活水平的提高，绝大多数家庭已经采用燃气生活，越来越多的人对生活空间的安全和舒适性有了更高的要求。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限时，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，危及人们的生命安全。因此，研究可燃性气体的检测方法、人性化的报警方式和简单易行的控制手段已经成为了一个很重要的课题。目前市场上的可燃气体报警器采用普通的报警方式，报警没有特色，没有原则，普通警情往往让人惊慌失措，重大警情却难以引起特别重视，本文所设计的系统能实现科学的分级报警，针对不同等级的警情，实现“预防为主，防控结合”的人性化全自动报警与控制。让用户做到“初级险情不惊慌，高级别险情有准备，突发险情也有最大可能的保障”。据资料统计，目前我国已有很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。由此可见这种报警系统具有广阔的市场。并且市面上这种产品相对较少，再加上我们设计的报警器成本低廉，功能齐全，预期具有广阔的市场空间。二系统设计2.1设计要求（1）基本要求：能够实现对周围环境的可燃气体的浓度进行实时的检测，在出现险情时能自动地进行三个等级的人性化报警，在最高级别时能强制自动关闭煤气开关、打开排气风扇等操作。煤气开关、风扇开关可以用发光二极管仿真替代。（2）扩展部分：可以通过远距离的无线发送与接收或可采用自动发短信或打电话的方式进行控制，实现更高程度的人性化控制。可用于产品的升级。三、总体设计方案3.1设计思路本系统设计的目标就是设计一种以“防患于未然”、进行科学分级的人性化为特色的可燃气体检测的报警系统。该系统是采用技术成熟且成本低廉的入门级52系列单片机AT89S52单片机进行控制的可燃气体自动检测和报警系统，分为分级传感检测、警情区分声光报警、强制控制机构三部分。气敏传感器检测有可燃气体时，可将可燃气体的浓度的变化转变为电信号的变化，并进行科学化分级，当浓度达到设定的一级报警程度时，发出一般预警信号，提醒注意安全检查；当浓度达到二级（接近安全临界值）时，系统发出醒目的危险警报，提醒进行燃气设备检查和安全防范措施的检查；当浓度达到三级（设定的高级别危险值）时，系统则发出强烈的声、光报警信号以警醒人们！此时如果没有人为进行解除危险，系统将自动切断气源打开通风排气等装置，避免重大事故的发生，实现“预防为主，防控结合”的人性化全自动报警与控制系统。3.2方案论证与比较方案一、控制部分采用高端的ARM芯片和FPGA芯片作为主控芯片，可以轻松实现高速实时同步的功能，但是由于目前该类产品的市场竞争力将会逐步增大，若为了设计的简单而失掉了产品最重要的价格优势，那么我们的产品将永远呆在实验室里。方案二、控制部分采用性价比很高的89S52单片机控制，既可实现稳定的系统设计，又可以使生产成本控制在很低的范围，所以，采用方案二。3.3 系统组成该系统组成如图1所示、该系统由传感器检测电路、A/D转换电路、单片机和声光报警部分等组成。检测电路把泄漏气体浓度变化转换为电信号，根据泄露气体浓度与电压信号之间的对应关系，在对该模拟信号进行处理，并通过A/D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机根据所程序的设计来驱动信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。当泄漏气体浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管关闭，当气体浓度降到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护目的。图1四、单元电路设计4.1主控单元部分电路 主控单元电路如图2所示 ，微处理器采用AT89S52。AD转换芯片采用ADC0804，ADC0804的时钟信号CLK经电容C1接地。检测到的气体浓度信号即电压信号送入ADC0804的模拟量输入端VIN。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5V时，ADC0804输出数值255(FFH)，因此单片机最大数值分辨率为0.0196V，测试时电压数值的变化一般以0.02V的电压幅度变化。如果要获得更高的精度，应采用12位的AD转换器，但对于报警器而言这种精度完全满足要求。根据所测得的电压值基本上要比标准值偏大0.010.02V，可以通过校正ADC0804的基准电压来解决，因为该系统设计时直接用+5V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外，也可用软件编程来校正测量值。ADC0804的直流输入阻抗为lM，能满足一般的电压测试需要，另外经测试ADC0804可直接在25MHz的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。AT89S52微处理器接收来自ADC0804的数字转换量，然后根据所接收到的电压信号量与预先设置的不同报警等级的电压量进行比较，以确定是否要发出命令进行报警，进行哪一等级的报警以及做出相应的报警、排除警情等操作。其实时性较高，完成可以满足该系统的设计要求。图2ADC0804为一只具有20引脚8位CMOS连续近似的A/D转换器，其规格如下：(1) 高阻抗状态输出(2) 分辨率：8位(0255)(3) 存取时间：135ms(4) 转换时间：100ms(5) 总误差：-1+1LSB(6) 工作温度：ADC0804C为0度70度；ADC0804L为-40度85度(7) 模拟输入电压范围：0V5V(8) 参考电压：2.5V(9) 工作电压：5V(10) 输出为三态结构ADC0804接脚说明及基本电路见下图3： 图31. PIN1 (CS )：Chip Select，与RD、WR 接脚的输入电压高低一起判断读取或写入。2. PIN2 ( RD )：Read，当CS、RD 皆为低位准(low) 时，ADC0804会将转换后的数字讯号经由DB7 DB0 输出至其它处理单元。3. PIN3 (WR )：启动转换的控制讯号。当CS、WR 皆为低位准(low) 时ADC0804 做清除的动作，系统重置。当WR 由01且CS0时，ADC0804会开始转换信号，此时INTR设定为高位准(high)。4. PIN4、PIN19 (CLKIN、CLKR)：频率输入/输出。频率输入可连接处理单元的讯号频率范围为100kHz至800kHz。而频率输出频率最大值无法大于640KHz，一般可选用外部或内部来提供频率。若在CLKR 及CLKIN 加上电阻及电容，则可产生ADC工作所需的时序。5. PIN5 ( INTR )：中断请求。转换期间为高位准(high)，等到转换完毕时INTR 会变为低位准(low)告知其它的处理单元已转换完成，可读取数字数据。6. PIN6、PIN7 (VIN(+)、VIN(-)：差动模拟讯号的输入端。输入电压VINVIN(+)VIN(-)，通常使用单端输入，而将VIN(-)接地。7. PIN8 (AGND):模拟电压的接地端。8. PIN9 (VREF2)：模拟参考电压输入端。VREF为模拟输入电压VIN 的上限值。若PIN9空接，则VIN 的上限值即为VCC。9. PIN10 (DGND)：数字电压的接地端。10. PIN11 PIN18 (DB7DB0)：转换后之数字数据输出端。11. PIN20 (Vcc)：驱动电压输入端。4.2可燃气体检测部分电路4.2.1气体检测电路设计气体检测原理图如下图4所示，由气体传感器MQ-2和电阻R1=1K、R2=10K、R3=1K组成一个单臂的工作电桥。输出电压即为电桥输出端的开路电压，当满足R1R2=R3R4时，电桥处于平衡状态，输出电压等于0，当气敏传感器遇到可燃气体时，气敏传感器的电阻将会随之发生变化（且随着可燃气体浓度的增高气敏传感器的电阻就变得越小），因此打破了电桥的平衡，输出端输出相应的电压值，将可燃气体的浓度变化转化为电压信号的变化，以此实现对可燃气体浓度的实时采样和监控。实验侧得，在没有可燃气体或可燃气体很低时，MQ-2的输出电阻为20K，在可燃气体的浓度比较大时输出电阻为0.1，接近于0。由此可得该电压的输出电压为04.76V，完全符合后面的莫属转换电路的芯片ADC0804的输入要求（05V）。经过调试验证，该电路的输出基本不受外电路的影响，其输出电压总体上与可燃气体传感器的电阻成正比关系。由于此电桥电路在工作过程中通过桥臂的电流不恒定，使得其输出电压与可燃气体传感器的电阻的线性关系存在非线性误差。若采用恒流源代替电压源进行供电，则非线性误差可以减小一半，但相对于该系统，采用电压源已经可以满足要求了。若需要更高精度的测量，则可以采用恒流源进行检测部分的供电。图44.2.1气敏传感器（探头）选用气敏传感型号MQ-2，它是一种催化燃烧式传感器。这种传感器主要用于检测可燃性气体，当含有可燃性混合气体扩散到检测元件上时，在气体元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃气体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻值产生变化，根据此特性可以设置气体检测电路。该传感器可用于家庭和工厂的气体泄漏检测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。图5给出了MQ-2型气敏传感器的标准工作条件、环境条件和灵敏度特性；图6给出了MQ-2型气敏传感器的结构、外形和测试电路；图7给出了MQ-2型气敏传感器的灵敏度特性曲线，由该图可以看出该型传感器对不同种类、不同浓度的气体有不同的阻值，因此，在使用此类型气敏传感器时，灵敏度的调整时很重要的。图5图6图74.2.3声、光报警部分电路声光报警电路见图8所示。设计单片机的P2.0脚控制二级报警声音警示蜂鸣器, 由于一般I/O口的驱动能力有限，在此我们采用了三极管S8550来驱动蜂鸣器。P2.3脚控制一级报警LED,P2.4控制二级报警灯LED,P2.5脚控制三级报警LED。这些单片机输出控制脚都设置低电平时有效，因为单片机在上电复位时I/O输出都为高电平，若设置为高电平有效，则在系统开机工作时就会使报警控制电路进入短暂的工作，产生错误的报警。三个等级的警示LED灯选用三种不同的颜色，浓度达到或超过第一级时， 由软件将P23置0，一级蓝色LED报警灯亮；当浓度达到或超过二级报警时，由软件将P2.4置0，二级的黄色报警等亮，同时将P2.0脚置0，则蜂鸣器发出尖锐蜂鸣报警声。黄灯和蜂鸣器构成报警部分。当浓度达到第三级时，置P2.5=0、P2.0=0，三级报警灯红色LED亮，蜂鸣器继续报警。此外可以通过编程，在不同等级报警时，使P2.0相隔不同的时间置1或置0，则可实现蜂鸣器相对于不同的等级发出不同的报警滴滴声，以此告知人们不同的警情等级。如果需要报警效果更好，则可以更换效果更好的报警器。指示灯：应采用发光二极管，应以颜色标记。红色、蓝色、黄色表示报警信号。所有指示灯应清晰地标注功能，在一般环境光线下，指示灯在距其正前方3m处应清晰可见。此外，还可以根据需要扩展为像警车的警示灯那样更好的报警效果。图84.2.4排风系统及煤气关闭系统自动控制部分电路继电器控制电路如图9所示。该电路由继电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。分别用单片机的P2.1、P2.2脚控制，都是低电平有效。当泄漏气体浓度达到或超过所设置的最高浓度允许值时，通过软件将P2.1、P2.1置0，此时三极管VT 、VT 均导通，继电器K1、K2工作，其常开触点闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路接通，将气体管道关闭。当气体浓度下降到某一值时，也可以通过软件将P2.1、P2.2置1，此时三极管VT 、VT 均截止，继电器K1、K2停止工作，常开触点断开。关闭排风扇和电磁阀电路，排风扇停止工作，气体管道打开。电磁继电器：接点宜采用双接点结构。驱动电路的三极管为PNP型S8550三极管和阻值为1K的电阻。在继电器的两端都要并联上一个二极管一防止在断电时继电器的方向电压将三极管击穿。开关和按键要求：开关和按键应坚固、耐用并清晰地标注出其功能。探测器外壳应选用不燃烧材料和难燃烧材料(氧指数32)。图9五、 科学分级、软件设计 本系统的软件设计以C语言为基础，根据要检测的可燃气体的爆炸下限值进行软件的科学化分级，以实现不同等级的相应报警。由于气体浓度不同时所对应的气体检测电路的输出电压值不同（实验侧得气体的浓度跟气体检测电路的输出电压值成正比关系），据此可以设置不同等级时的电压值，则实现了科学化分级，再根据不同的等级由主控电路发出控制命令驱动相应的报警设备，实现警情区分声光报警、强制控制。系统主程序的流程图如下图10所示。开始系统初始化预热五分钟读取A/D转换值值读数=第一级 读数=第二级读数=第三级置P2.3=0，一级报警警示灯亮置P2.3=0、P2.4=0、P2.0=0，一、二级报警灯亮，蜂鸣器声音报警置P2.3=0、P2.4=0、P2.5=0、P2.0=0、一、二、三级报警灯亮，蜂鸣器报警。再过十秒钟如果无人为处理，则置P2.1=0、P2.2=0，两个继电器工作，风扇、电磁开关开启YYY图10开始让气敏元件预热一段时间，时间可以根据气敏元件的不同进行调整(本设计中的探头预热约5 min)，延时用定时器加中断来实现。从AD转换器读取转换值与预先设定的电压值进行比较，根据事先建立好的浓度和电压对应的关系：气体浓度不同时所对应的电压值不同，查找出与浓度所对应电压值时的报警点。根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设置报警器报警时对应的不同级别的可燃气体浓度值 ，若大于或等于第一级，置P2.3=0，一级报警警示灯亮，若大于或等于第二级，置P2.3=0、P2.4=0、P2.0=0，一、二级报警灯亮，蜂鸣器声音报警，若大于或等于第三级，置P2.3=0、P2.4=0、P2.5=0、P2.0=0、一、二、三级报警灯亮，蜂鸣器报警。再过十秒钟如果无人为处理，则置P2.1=0、P2.2=0，两个继电器工作，风扇、电磁开关开启。从而达到分级报警的功能。软件设计的程序见附录一。六、电路的调试在调试过程中使用两个LED代表风扇和电磁开关的运转工作，可燃气体取自打火机的可燃气体。调试步骤：1调试前直观检查：根据电路图检查电路的焊接情况，发现些许错误，经改正之再在检查，确保电路连线正常，元件安装正常。2.程序调试：现在电脑上用单片机模拟软件proteus进行模拟测试，调试之后符合设计的要求。3通电观察：电路正常工作指示灯亮，工作初步正常，无异常现象。4模拟调试（未包括气体检测部分）：用滑动变阻器和一个1K的电阻串联接在5V电源的两端，通过调节滑动变阻器产生04.73V的电压以模拟气体检测电路输出地电压值，发现电路实现的功能与设计有些偏差。经过检查，发现是程序问题，一些循环、跳转语句设计的不是很好，使得在模拟软件上的效果与实际电路有些许差异。通过多次调试程序与上电模拟，最后解决了问题，达到设计目标。5整机调试：在第3步的基础上，取下滑动变阻器的输入电压模拟部分，接上气体检测电路，然后进行整机调试。可燃气体取自打火机，发现效果良好，整机达到了设计的要求。七、高级功能扩展在现实生活中，很多户主大部分时间都不在家中，特别是城市里面的上班族，大多时间都要上班，小孩也要上学。因此，当没人在可燃气体发生泄漏的现场时，就会造成更大的安全威胁。所以本扩展功能是当检测到可燃气体的浓度达到第一级警情时就通过控制系统通知出门在外的房主或管理人员，使其能提前被告知险情，以便及时得到处理。避免重大事故的发生！本系统主要由远距离无线发送和接收两部分组成。无线发送部分安装在气体检测场地，接收部分由户主随身携带。本高级功能扩展部分还处于实验当中。本系统的组成框图大致如下：远距离无线发射模块来自检测报警系统的控制信号远距离无线接收模块八、 结语通过本次科技创新项目的筹划、落实和总结，我们均获益良多。首先，使我们感觉到了从课堂上的理论学习到实际的产品设计操作存在着好大的一段距离。在书本上的例题大多是在理想情况下的电路设计，主要目的是为了说明知识点。而在实际的设计中要考虑到很多的干扰因素，必须采取相应的克服方法。这次创新活动使我们深刻的认识到学会自主学习（即学习能力）、学会发现问题、学会解决问题的重要性。不管毕业之后从事什么职业，这种能力都是非常重要的。除此之外，通过我们自己亲身到电子元器件购买器件，切身感受到了商家的唯利是图，给了我们一个早点接触社会的机会。在项目的进行过程中，我们同学之间、师生之间有着良好的互动，思想的交叉、碰撞不仅在学术上也在情感上，大大地增进了大家之间的交流。在这当中遇到了很多困难，培养了我们解决问题的能力，自主学习的能力等。的确，科技创新活动为我们提供了一个去培养创新精神、创新意识和创新能力非常良好的平台亦提供了一次增进同学之间和师生之间友谊的机会。九、致谢感谢指导老师谭诚臣副教授在整个项目开展期间，孜孜不倦的教导及诚挚耐心的解答；感谢身边的师兄师姐在单片机编程上的解惑以及在其它方面的帮助！参考文献1杨宁，胡学军单片机与控制技术M北京：北京航空航天大学出版社，20052 李朝青.单片机原理及接口技术. 第三版. 北京航空航天大学出版社，2006.3GB 1532222003可燃气体探测器 第2部分：测量范围为01O0LEL的独立式可燃气体探测器S4张勇Prote199se电路设计技术入门与应用M北京：电子工业出版社，20055李光飞，李良儿单片机C程序设计实例指导M北京：北京航空航天大学出版社，20056GB 153225- 2003可燃气体报警器 第5部分：测量人工煤气的独立式可燃气体探测器s附录一：主控单元的程序源代码#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define YIJI 0xc8#define LIANGJI 0xa0#define SANJI 0x64bit biaozi;uchar nongdu,jishu,time,time1,time2;sbit cs=P30;sbit rd=P31;sbit wr=P32;sbit intr=P33;sbit fengmingqi=P20;sbit jidianqi1=P21;sbit jidianqi2=P22;sbit LED1=P23;sbit LED2=P24;