瓦斯浓度监控与报警

1、精选优质文档-倾情为你奉上瓦斯浓度监控与报警摘 要：本设计主要是由一个MQ-2传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，电压浓度转换，浓度显示，声光报警构成的报警装置。本系统由ICL7135A/D转换数据，MCU采用STC89C52单片机，完成气体浓度信号的采集显示内容的传输、显示等功能。本设计的瓦斯气体警报器由六个部分组成：传感器电路、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换、串口通信电路和电源模块。对采集的模拟信号转换成数字信号再进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，LCD显示

2、器仅仅显示测得的瓦斯气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。关键词： 传感器 ICL7135 声光报警串转并出 目录 3.3.1气体传感器工作原理43.3.2 ADC0809工作原理53.3.3 单片机部分6884.4 A/D采集与单片机最小系统94.5总体功能设计.10115.1单片机程序流程图.1112126.1测试仪器.12 6.2测试方法.12 6.2.1电源测试.126.2.2 传感器工作测试. .126.2.3 A/D采集与单片机最小系统电路的调试.131 前 言 鉴于家用煤气中毒和矿井中瓦斯爆炸时常发生，造成意外伤害的发生。这些不必要的伤害都源于瓦斯中有些瓦斯气体

3、，在无色无味或在浓度较小的气体环境下，很难被人所发现，但可能此时已经构成了安全隐患。仪是一种安全的检测仪器，它只是检测空气中瓦斯气体的含量，如果瓦斯气体超出正常的空气含量威胁到人身安全或财产安全的时候，瓦斯使用煤气或矿井工作中要注意采取并完善安全措施、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。况且有时难免会有人们的疏忽。因此，事故隐患的监控报警，在家庭、矿井等场所瓦斯气体检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要的意义。气体报警器就会自动报警，提醒人们及早的采取措施，避免事故发生。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是

4、一项必要的工作。瓦斯气体报警是利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对该场所通风排气，避免不安全事故的发生，对现在的家庭、作业场地安全起着非常重要的作用。基于种种社会想法，笔者所设计一种低成本的瓦斯性气体报警器设计，能够监控瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。2 方案论证与比较信号采集2.1 方案一：如框图（采用纯模拟电路）电路输入级为气敏元件，和二极管、三级管构成的电子开关。再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光二级管组成闪光报警器。电

5、位器为报警灵敏度调节，瓦斯气体浓度一定，三极管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。电源模块开关电路继电器2继电器1图2-2-1 框图1风扇排气声光报警显示系统2.2 方案二：电路气敏元件采集浓度信号，使用ICL7135 A/D转换起将模拟量转换为数字量，单片机对数据进行计算处理，并通过1602液晶显示器显示气体浓度，通过PC机对气体浓度报警阈值进行设置，对不同的气体浓度进行声光报警。并通过PC机对整个系统进行监控。A/D传感器报警系统MCUPC机控制图2-2-2 框图22.3 方案论证与比较：方案一结构小巧，采用电位器可以对报警灵敏度进行调节，但是属于纯模拟电路报警，在调节过程中相对比较困难

6、。方案二采用多级非门驱动LED报警，可对气体浓度进行定量分析，浓度越大点亮的发光二极管越多。从定性到定量，方案二较方案一从设计上有所提高，但由于只是通过LED发光来报警，不能很好的引起使用者的重视。方案三采用以单片机为核心的控制电路，对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送到LCD显示器显示出来。并通过软件控制设定一定的报警阀值，当浓度达到此阀值时有选择的进行声光报警。但是此电路在设计时即有硬件的设计又有软件的设计，较一二方案更为复杂。3 理论分析与计算3.1概述该设计中采用半导体气体传感器MQ-2，感应外界瓦斯气体，其以金属氧化物半导体为基础材料，当被测瓦

7、斯气体在该内部半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。由于电导率的改变产生不同的阻抗，时而产生不同的模拟电压信号。然后采用4位半并行的A/D转换器ICL7135，将时间和幅值都连续的电压模拟量，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量，同时将转换结束的数字量赋给主控芯片单片机STC89C52。单片机STC89C52根据外界瓦斯气体与对应变换电压的函数关系，处理数据.并将得到的对应浓度数据交给LED数码管及时显示。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，LED显示器仅仅显示测得的瓦斯气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时同时还给出声光报警。3.2参数指标检

8、测气体：液化气、天然气、煤气等瓦斯气体模拟输出：0-5V探测范围：300-5000ppm报警浓度：>1600ppm响应时间；< 10 s工作电压： AC 220V±10%功 耗： 3W使用温度：-10-50储存温度：-20-70相对湿度：< 95%Rh3.3 模块工作原理3.3.1气体传感器工作原理气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。即将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器的种类很多，大体可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。该设

9、计中采用的是半导体气体传感器MQ-2，MQ-2气体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气体时，传感器的电导率随空气中可燃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。同时，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。图3-1-1是其结构和外形，MQ-2气敏元件的结构和外形如图3所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢

10、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6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。 图3-3-1 MQ-2的结构和外形3.3.2 ICL7135A/D工作原理ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为100

11、00个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图3-3-2-1给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止. 图3-3-2-1 1CL7135时序ICL7135与MCS-51的连接可参照MCLl4433与处理器连接方法,依次读出万位到个位的BCD码.本节采用另外一种方法,重点推荐采用计数法进行A/D"转换"的方法.ICL7135与MCS-51连

12、接如图3-3-2-2所示. 图3-3-2-2 1CL7135与MCS51连接3.3.3单片机部分 STC89C52是由Intel公司生产的MCS-51系列的高性能8位单片机。特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域，是工业检测=控制领域中最理想的8位单片机。其包含一个8位的CPU、128个字节的RAM,21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、一个全双工的串行口，2个16位的定时器/计时器，4K的ROM作为程序存储器。高性能、低功耗的89C52，始终频率高达20MHZ,芯片上的EEPROM允许在线（+5v）点擦除、电写入或采取通用的非易失存储编码器对程序存储器重复编程

13、。此外，MCS-51还支持有软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或者其他要求低功耗的场合。3.4气体结果测量计算MQ-2图3-4-1 MQ-2气敏元件的灵敏度特性其中X轴表示外界瓦斯气体的浓度，Y轴表示变化内阻与固定电阻的值（Rs/Ro）Ro：元件在洁净空气中的电阻值 (Ro=14.43 K)图3-4-1 MQ-2的连接电路图 浓度与电压的关系函数:浓度=(0.7-(10-10*ADdata)/1.4*14.43*ADdata)104 （ppm） 4系统设计4.1电源模块电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。线性稳压电源亦称

14、串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。该电路是由LM7805三端稳压器构成的典型稳压电路，输入220V交流电，经过电桥整流，再由极性电容滤波，由稳压器稳压后输出直流5V电压。图 4-1-1电源电路4.2通信部分图4-2-1 通信电路该电路为PC机与单片机实现串口通讯的典型电路，MZX232芯片为RS-232电平和TTL电平的转换芯片，外围电路只需按芯片PDF资料说明上接上5个电容即可。4.3 声光报警电路图4-3-1 声光报警电路该电路中当瓦斯气体浓度达到报警时，SD段输入低电压

15、，则T1导通并报警，右边的二极管导通并显示。4.4 A/D采集与单片机最小系统 图4.4.1 A/D采集与单片机最小系统ADC0809中D0-D7表示8位数字量输出引脚，IN0-IN7表示8位模拟量输入引脚，START为A/D转换启动信号输入端。ALE为地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）EOC表示转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE表示输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK：时钟信号输入端（一般为500KHz，这里有74LS74四分频电路产生） 图4-4-2 四分频电路4.5总体功能设计本设计的瓦斯气体警报器由七个部分组成：传

16、感器、LED显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换和电源模块，传感器部分采用的气体传感器能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/D转换将其转化离散的数字信号。控制电路以单片机为核心，能够对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送到LED显示器显示出来。当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。本系统可以对检测的数据和设定的阀值参数进行存储并自备电源。图4-5-1总体功能框5.软件设计5.1 单片机程序流程图开始初始化启动AD转换否是否结束是延时等待单片机处理AD读取数据声光报警LED显示浓

17、度函数转换判断浓度是否大于报警阀值是 图5-1-1系统流程图5.2程序设计单片机的程序是用C语言编辑的。系统总体流程图如图5-1-1，系统中A/D读入传感器部分的电信号，并转化成二进制码，并把数据送给单片机处理，单片机运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LED显示器显示出来，在对浓度与事先设定的浓度阀值进行比较，判断是否需要报警。浓度大于阀值(2000ppm),单片机P2.0口置为高电平，二极管导通，发光二极管亮，单片机P2.1口置低，三极管导通，蜂鸣器工作。浓度小于阀值P2.0置低，二极管截止，P2.1口置高，三极管截止。5.3 A/D、单片机数据传输设计ADC0809内部带有输出

18、锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。初始化时，使ST和OE信号全为低电平。送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上，转换通道为IN0，已在硬件设计中考虑了。在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。是否转换完毕，根据EOC信号来判断。当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就通过P1口输出给单片机了。6 系统测试6.1测试仪器序号类型型号序号类型型号1示波器YB432442万用表DT9205536.2测试方法6.2.1电源测试用220v转15v变压器，通过电容的滤波，用数字万用表直流电压20V档测得三端集成稳压器7805的3脚输出端，为5.04v,数据表明正常。6.2.2 传感器工作测试接通电源后，感受传感器是否发热，微微有热度表明工作正常，用瓦斯气体逐渐靠近气体传感器，输出电压在05V变化，说明传感器工作增长。6.2.3 A/D采集与单片机最小系统电路的调试 为确保