有毒可燃气体报警器的研究

有毒可燃气体报警器的研究第1章绪论1.1课题研究的目的和意义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，省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，市区围数十平方公里围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、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50ppm 。

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STC89C52为核心，包括传感器、A/D转换、液晶显示屏、声光报警和按键模块等部分。

传感器部分采用MQ135气敏传感器，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转换将其转化为离散的数字信号。

单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LCD显示屏显示出来。

当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。

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，STC89C52单片机的应用实现了电子硬件设计的“软件化”，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2.1 气体传感器的选型可燃性气体传感器是一个气-电变换器，它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。

2.1.1 气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、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(H2， C4H10， CH4等)扩展到毒性气体(CO，NO2， H2S，NO， NH3， PH3等)。

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U 量电动势从而测量气体浓度。

由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H2S YST-Au-WO3， NH3的NH'4CaCO3等。

但这种传感器制造成本高，检测气体围有限，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F限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石化工厂、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。

在燃气爆炸下限输出为线性、只与燃气浓度成正比、温度和湿度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D21高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、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。

2.2 MQ135传感器简介2.2.1 MQ135传感器概述MQ135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(2S)。

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n O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。

2.2.2 MQ135传感器详细说明MQ135气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。

作为一种优秀的气敏传感器，它有以下优点：1.在较宽的浓度围对有害气体有良好的灵敏2.对氨、硫化物、苯系等气氛灵敏度较高3.长寿命、低成本4.驱动电路简单MQ135传感器对氨气、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（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro 表示传感器在100ppm 氨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（Rs/Ro）。

Rs表示在含100ppm 氨气、各种温/湿度下的电阻值Ro表示在含100ppm 氨气、20℃/65%RH下的电阻值温/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（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可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RL值。

基本测试回路：传感器规格参数：传感器的结构，外形：MQ135 气敏元件的结构和外形如图4 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制成的腔体，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4第3章有毒可燃气体报警器的硬件设计3.1 有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。

根据多方面的比较，本设计选用生产的STC89C52系列单片机作为报警器的核心控制器。

首先，可燃性气体浓度信号通过MQ135气体传感器将有毒可燃气体浓度信号转换成电压信号，经过前置放大电路后，直接输出数字信号或经过A/D转换输出一个适合单片机接收的电压信号，然后，送入STC89C52中，模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LCD显示屏显示。

当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。

3.1.1 可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3-1所示，系统以STC89C52单片机为核心，配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。