室內天然氣泄漏報警裝置設計論文

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大學課程設計（論文） 第 1 頁 共 20 頁 摘要 隨著 科技的發(fā)展，現在家庭做飯燒水已經逐漸告別煤逐漸使用清潔的天然氣。天然氣的普及給公共生活帶來了方便 ,減少了城市的污染 ,提高了生活質量和效率 ,但是同時 ,天然氣也是潛在的 “ 危險品 ”, 一旦發(fā)生大面積泄漏 ,處置不及時就可能引發(fā)大爆炸 ,給居民的生命財產安全帶來巨大的威脅。 面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，我們需要一個解決辦法。使用天然氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。 本論文以半導體氣敏傳感器和單片機技術為核心 設計的氣體報警器可實現聲光報警功能，是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的氣體報警器，具有一定的實用價值。 其中 體傳感器對 天然氣 的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含 甲烷 的氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。 經片機 處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限 )，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài) 。 本文主要討論用氣敏傳感器個單片機等技術實現室內天然氣煤氣泄漏報警，為我們的生活提供更大的安全保證也為我們的生活提供方便。 關鍵詞 ：天然氣報警， 氣敏傳感器，單片機 大學課程設計（論文） 第 2 頁 共 20 頁 目錄 1 緒論 ............................................................................................................................ 3 題背景及目的 .............................................................................................. 3 內外研究情況及其發(fā)展 .............................................................................. 3 計內容級研究方法 ...................................................................................... 4 2 系統(tǒng)方案及模塊設計 ................................................................................................ 5 計思路 .......................................................................................................... 5 計框圖 .......................................................................................................... 5 統(tǒng)模塊設計 ................................................................................................. 5 體濃度檢測模塊 .............................................................................. 5 控制模塊 ........................................................................................... 6 3 硬件電路設計 .......................................................................................................... 10 體檢測模塊的設計 .................................................................................... 10 片機模塊的設計 ........................................................................................ 11 光報警模塊的設計 ..................................................................................... 12 4 程序設計 .................................................................................................................. 14 函數程序設計： ....................................................................................... 14 5 結論 …………………………………………… ………………………………… .. 附錄 ……………………………………………………………………………… ..考文獻 …………………………………………………………………………… .學課程設計（論文） 第 3 頁 共 20 頁 1 緒論 題背景及目的 人的生存離不開空氣，人的一生大約有 80%的時間是在室內度過的，室內環(huán)境質量的好壞影響著人們的身心健康。室內的有害氣體來源有來自裝修不當造成的甲醛、氨氣、氡氣、苯、放射性物質的釋放，而這些氣體在裝修時加以注意，完全可以減少其排放量，從而不至于影響人的健康狀況。室內存在的有害 氣體的另一主要來源為可燃性氣體的泄漏，主要可分為天然氣泄漏、液化氣泄漏和煤氣泄漏。 天然氣 泄漏的主要成分是 甲烷。 液化氣泄漏危害也不易小視，液化石油氣是石油產品之一。是由煉廠氣或天然氣 (包括油田伴生氣 )加壓、降溫、液化得到的一種無色、揮發(fā)性氣體。由煉廠氣所得的液化石油氣，主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同時含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物雜質。由天然氣所得的液化氣的成分基本不含烯烴。液化石油氣主要用作石油化工原料，用于烴類裂解制乙烯或蒸氣轉化制合成氣，可作為工業(yè)、民用、內燃機燃料。其主要質量控制指標為蒸發(fā)殘 余物和硫含量等，有時也控制烯烴含量。液化石油氣是一種易燃物質，空氣中含量達到一定濃度范圍時，遇明火即爆炸。 天然氣主要成分是烷烴，其中甲烷含量在 95%以上。人所賴以生存的空氣中有大約 20%的氧氣，如果人的生活空間是封閉空間，氧氣稀薄，人會因氧氣不足，導致窒息、昏迷，有心腦血管疾病的人將會危及生命。室內天然氣泄漏會使室內空氣中的氧氣相對稀薄，由于天然氣是無色無味，人很難察覺到，尤其當人處于睡眠狀態(tài)時，天然氣的泄漏就更加危險，甚至會使人窒息。天然氣的另一危險是當空氣中的天然氣含量達到一定含量時，遇到明火就會產生 爆炸，危及人的生命。 內外研究情況及其發(fā)展 當前應用最廣泛的可燃性氣體泄漏報警器與氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，僅用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，不少發(fā)達國家已經明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應的報警器。國外可燃性氣體泄漏報警器大學課程設計（論文） 第 4 頁 共 20 頁 發(fā)展很快，是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于燃氣泄漏報警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外燃氣報警器技術得到了較快發(fā)展，據有關統(tǒng)計猜測，美國在 1996 年 — 2002 年就煤氣報警器的年均增長率為 27％～ 30％ 。在這些方面，國內應該增強安全意識增強。 可燃性氣體泄漏報警器的發(fā)展趨勢集中表現為，一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是燃氣泄漏報警器一直追求的目標；二是增強可靠性，實現元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展 術，發(fā)展現場適用的變送器和智能型可燃性氣體泄漏氣報警器。如美國在燃氣泄漏報警器中嵌入微處理器，使燃氣泄漏報警器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現了智能化、涉多功能化。 計內容級研究方法 本設計計劃按以下思路展開研究： （ 1） 信號釆 集部分為了能準確釆集到氣體濃度的變化應選用半導體氣體傳感器，為使其 有效的檢測室內氣體濃度，釆用電阻型半導體氣體傳感器：而放大部分使用運放進行比例 和反相兩級放大。 （ 2）信號處理部分為了實現精確控制，釆用單片機較為合適。將模擬信號送 A/D 模塊進行數模轉換，經過處理后送存儲器保存和送顯示器顯示。 （ 3）系統(tǒng)設置報警部分可以考慮蜂鳴器報警。 大學課程設計（論文） 第 5 頁 共 20 頁 2 系統(tǒng)方案及模塊設計 計思路 用相應的氣體傳感器檢測室內煤氣、天然氣的基本狀態(tài)，并將氣體濃度信號轉換為電信號。通過信號處理電路將有無氣體泄漏兩種狀 態(tài)轉換成高低電平，并將些電平通過單片機 I/O 接口傳入單片機，通過單片機編程控制報警電路的工作狀態(tài)。 計框圖 如下圖 示： 圖 計思路框圖 統(tǒng)模塊設計 體濃度檢測模塊 傳感器是能把實測物理量或化學量轉化為與之有確定對應關系的電信號輸出的裝置。傳感器主要是由敏感元件、傳感元件組成，有時也將信號調節(jié)與轉換51 單片機 聲光報警 排氣裝置 氣體檢測 自動關閉裝置 大學課程設計（論文） 第 6 頁 共 20 頁 電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。 敏感元件： 敏感元件指能夠靈敏地感受被測變量并做出響應的 元件。是傳感器中能直接感受被測量的部分。 傳感元件：又稱為轉換器，一般情況下，不直接感受被測量，而是將敏感元件的輸出量轉化為電量輸出的元件。 傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、光電式傳感器、壓電式傳感器等。 氣敏傳感器原理： 聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的 聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質量和導電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以獲得準確的反應氣體濃度的變化值。 本次的設 計采用的 當傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽 的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。 控制模塊 主控制模塊即單片機模塊，完成功能是與各個功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報警及溫度顯示功能。 一種帶 4K 字節(jié) 儲器（ 低電壓、高性能 位微處理器，俗稱單片機。 一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單 片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 閃爍存儲器組合在單個芯片中， 文） 第 7 頁 共 20 頁 是一種高效微控制器， 它的一種精簡版本。 片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 形及引腳排列。 圖 腳圖 片機有 40 個引腳（如圖 按照引腳功能 大致可分為 4 個種類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳。 源電壓 ： 是一組 8 位漏極開路雙向 I/O 口，即地址 /數據總線復用口。作為輸出口時，每一個管腳都能夠驅動 8 個 路。當 “1” 被寫入 時，每個管腳都能夠作為高阻抗輸入端。 還能夠在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，轉換地址和數據總線復用，并在這時激活內部的上拉電阻。 在閃爍編程時， 接收指令，在程序校驗時，輸出指令，需要接電阻。 ： 一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 輸出緩沖級可驅動4 個 路。對端口寫 “1” ，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個電流。閃爍編程時和程序校驗時， 接收低 8 位地址。 ： 是一個內部帶有上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， 輸出緩沖級大學課程設計（論文） 第 8 頁 共 20 頁 可驅動 4 個 路。對端口寫 “1” ，通過內部的電阻把端口拉到高電平，此時，可作為輸入口。因為內部有電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器時， 送出高 8 位地址數據。在訪問 8 位地址的外部數據存儲器時 ， 線上的內容在整個運行期間不變。閃爍編程或校驗時， 接收高位地址和其它控制信號。 ： 是一組帶有內部電阻的 8 位雙向 I/O 口， 輸出緩沖故可驅動 4 個 路。對 寫如 “1” 時，它們被內部電阻拉到高電平并可作為輸入端時，被外部拉低的 將用電阻輸出電流。 除了作為一般的 I/O 口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 表 部分引腳的作用 端口引腳 第二功能 0 1 R D 還接收一些用于閃爍存儲器編程和程序校驗的控制信號。 位輸入。當震蕩器工作時， 腳出現兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。 當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時， 出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， 時鐘震蕩頻率的 1/16 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是： 每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 沖時，閃爍存儲器編程時，這個引腳還用于輸入編程脈沖。如果必要，可對特殊寄存器區(qū)中的 8元的 置禁止大學課程設計（論文） 第 9 頁 共 20 頁 作。這個位置后只有一條 令 會被應用。此外，這個引腳會微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置 效。 序儲存允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 外部程序存儲器讀取指令時，每個機器周期兩次 效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 號不出現。 部訪問允許。欲使中央處理器僅訪問外部程序存儲器， 必須保持低電平。需要注意的是：如果加密位 編程，復位時內部會鎖存 狀態(tài)。如 為高電平， 執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。閃爍存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電壓 然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 蕩器反相放大器的輸出端。 振蕩器特性 : 別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶 瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， 不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 大學課程設計（論文） 第 10 頁 共 20 頁 3 硬件電路設計 體檢測模塊的設計 圖 感器工作原理圖 （ 1）氣體檢測模塊電路 由于 件元件庫中沒有 體傳感器，由于 體傳感器兩信號輸出端為電阻信號， 當沒有煤氣、天然氣泄漏時， 阻值應該在 20時該氣體檢測模塊的輸出端為高電平，此時 光。當有煤氣、天然氣泄漏時， 阻值應該在 2右，此時該氣體檢測模塊的輸出端為低電平，此時 滅。 562體檢測模塊原理圖 （ 2）氣體檢測模塊調試 敏感元件 傳感元件 信號調節(jié)與轉換 輔助電源 大學課程設計（論文） 第 11 頁 共 20 頁 按照電路圖在面板上搭接氣體檢測模塊電路，該模塊輸出通過 100流電阻接 端，該 責拼接接地。當 感器端不加氣體時，此時亮，說明此時輸出為高電平 ；當 感器端加氣體時，此時 滅，說明此時輸出為低電平。剛上電時就在 加氣體，此時 熄滅，原因是 時電路起作用，防止誤報現象的發(fā)生；在 1右之后，在 時 滅，開機延遲時間約為 1調試結果符合設計要求。 片機 模塊的設計 單片機模塊，完成功能是與各個功能模塊連接，并通過軟件編程控制各個功能模塊，完成煤氣、天然氣檢測報警及溫度顯示功能。 控制模塊原理圖 大學課程設計（論文） 第 12 頁 共 20 頁 光報警模塊的設計 光報警電路圖如圖所示。單片機 1 腳 (制輸出的狀態(tài)指示燈。紅燈不亮表示正常狀態(tài)，環(huán)境中可燃氣體濃度極低。紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報警限值，提醒用戶盡快采取相應安全措施。 當煙霧濃度超過報警限，報警器發(fā)出鳴叫，用戶到達現場，可進行操作停止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限，報警器會再次鳴叫提醒用戶。 由前面的我們提到在 沒有氣敏傳感器的元器件，故在此次的實驗設計中我們采用的是阻值范圍在 2~20k 歐的電阻進行替代，當沒有煤氣，天然氣泄漏時，此時的電阻值應該在 20k 歐，此時檢測出模塊的輸出端 為高電平，此時的光。 當有煤氣，天然氣泄漏時，此時的阻值應該在 2k 歐，此時應該檢測出模塊的輸出端為低電平，此時的 熄滅。 光報警電路 如圖所示， 單片機 腳相接，當檢測到有煤氣、天然氣泄漏時通過單片機編程控制 出方波信號，此時 1 閃爍，并且蜂鳴器以相同的頻率發(fā)出聲音，產生霞光報警信號，提醒用戶煤氣、天然氣泄漏，采取相應的措施。 光報警原理圖 大學課程設計（論文） 第 13 頁 共 20 頁 光報警模塊的調試 聲音報警電路圖如圖所示。報警裝置采用蜂鳴器較一般的蜂 鳴器體積大，聲音響亮，適用于家用燃氣報警器的報警聲音源。當單片機 8 腳 ( 1 時，三極管導通，蜂鳴器報警。 燈光報警由于在 無法進行聲音的仿真，所以此次的設計我們 采用極管進行顯示 。 當無煤氣，天然氣泄漏的時候此時的 高電平 5V，此時的 不發(fā)光。當有煤氣，天然氣泄漏的時候此時的 低電平 0V，通過模擬示波器我們可以得到的是 腳輸出為方波波形，此時的 2S 亮滅一次。 將編輯好的程序通過單片機下載器下載到單片機中，將單片機插入面包 板，20 腳、 40 腳分別接地和 5V 電源。蜂鳴器與 聯，負端接到 ，正端接 5V 電源。當 接 5V 電源時， 滅，蜂鳴器不報警；當 接地時， 爍，同時蜂鳴器以相同頻率發(fā)聲報警。此時用示波器測得 波形為周期為 方波信號，與理論值之間存在一定的誤差 。 設計中對方波信號的要求不是很高，因為方波信號的周期只影響報警的頻率，并不影響報警功能，因此不需要對其進行修改。 大學課程設計（論文） 第 14 頁 共 20 頁 4 程序設計 本設計可以用 匯編 語言編程序，也可以用匯編語言編程序。主要編程序來控制 定時、計時中斷、和輸出等。 匯編語言的特點 1．機器相關性。 這是一種面向機器的低級語言，通常是為特定的計算機或系列計算機專門設計的。因為是機器指令的符號化表示，故不同的機器就有不同的匯編語言。使用匯編語言能面向機器并較好地發(fā)揮機器的特性，得到質量較高的程序。 2．高速度和高效率 。 匯編語言保持了機器語言的優(yōu)點，具有直接和簡捷的特點，可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設備， 如 存儲器、 I/O 端口等，且占用內存少，執(zhí)行速度快，是高效的 。 3．編寫和調試的復雜性。 由于是直接控制硬件，且簡單的任務也需要很 多匯編語言語句，因此在進行程序設計時必須面面俱到，需要考慮到一切可能的問題，合理調配和使用各種軟、硬件資源。這樣，就不可避免地加重了程序員的負擔。與此相同，在程序調試時，一旦程序的運行出了問題，就很難發(fā)現。 軟件部分是用來配合硬件電路，控制后面電路的響應，以實現設計預定功能。其主要由兩部分功能組成：一部分是是對傳感器接受到的信號進行處理：另一部分是實行中斷處 理，控制設置報警模塊。兩部分信號的處理都是釆用査詢方式。本系統(tǒng)釆用網路巡回檢測， 輪換選擇 4 個傳感器工作，并且在顯示器上輪流顯示工作傳感器所檢測到的濃 度值。當檢 測到的濃度小于設定值時，等待定時器中斷：當檢測到的濃度超過設定值時，執(zhí)行中斷程 序進行報警處理，顯示濃度。 函數程序設計： 程序開始，定時器初始化，檢測空氣中天然氣的濃度是否達到報警值，如果達到報警值，調用報警子程序，報警。如果沒有達到報警值，則 1，處于熄滅狀態(tài)，返回檢測，重新循環(huán)。 大學課程設計（論文） 第 15 頁 共 20 頁 圖 4主程序流程圖 開始 定時器初始化 是否達到報警值 關中斷 1 調用報警程序 N Y 讀取溫度值 大學課程設計（論文） 第 16 頁 共 20 頁 5 結論 氣體檢測報警器可保障生產與生活的安全，避免火災和爆炸事故以及煤氣中毒的發(fā)生，它 是防火、防爆和安全生產所必備的儀器，具有廣闊的市場空間與發(fā)展前景。 本論文在對氣體傳感器和報警技術進行深入研究的基礎上，全面比較國內外同類產品的技術特點，合理地確定系統(tǒng)的設計方案。并對儀器的整體設計和各個組成部分進行了詳細的分析和設計。 本論文設計的氣體報警器由氣體信號采集電路與單片機控制電路兩大部分構成。 根據設計要求、使用環(huán)境、成本等因素，選用 半導體電阻式氣體傳感器。該傳感器是對以烷類氣體為主的多種氣體有良好敏感特性的廣譜型半導體敏感器件。它的靈敏度適中，具有響應與恢復特性好，長期工作穩(wěn)定 性、重現性、不易受環(huán)境影響及抗溫濕度影響等優(yōu)點。 在系統(tǒng)單片機控制電路的設計上，采用了 片機作為核心芯片，充分利用了其高速數據處理能力和豐富的片內外設，實現了儀器的小型化和智能化。使儀器具有結構簡單、性能穩(wěn)定、體積小、成本低等優(yōu)點。由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，需要向氣體傳感器持續(xù)供給5V 的加熱電壓。 氣體報警器能實時范圍檢測工作，當煙霧的濃度達到設定的濃度時，發(fā)出聲光報警。報警器還可以與上位 機 (行通信，實時傳輸煙霧濃度檢測數據，由上位機記錄保存，也可以利用上位機完成實現遠程實時檢測和控制等功能。 大學課程設計（論文） 第 17 頁 共 20 頁 6．附錄 主程序： 0000H 0003H 0000023H 0100H 50H 29H,#00H 28H,#00H 21H,#00H 22H,#64H 23H,#0 90H 21H 大學課程設計（論文） 第 18 頁 共 20 頁 15H 0A,#01H @ 據 采集程序 : 0000H 0013H #50H #08H #0 @A A,@ ； 中斷子程序 @A 學課程設計（論文） 第 19 頁 共 20 頁 @ 。其主程序和中斷服務程序如下： 主程序： #0 ；數據暫存區(qū)首地址 #08H ； 8 路計數初值 ；脈沖觸發(fā)方式 ；開總中斷 ；開外部中斷 1 7 ；指向 0809 首地址 @ ；啟動 A/D 轉換 ；等待中斷 中斷服務程序： A,@ ；讀數 @A ；存數 ；更新通道 R ；更新暫存單元 @ 學課程設計（論文） 第 20 頁 共 20 頁 參考文獻 [1] 尹勇，王洪成 ．單片機接口技術與應用 [M]．北京：北京航天航空大學出版社， 2004. 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