基于51单片机室内煤气,天然气泄漏警报器的设计

南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者: 笑嘻嘻学号：08042101学习学院(系):电子工程与光电技术学院专业: 电子信息工程题目: 基于51单片机室内煤气，天然气泄漏警报器的设计指导者：(姓名) (专业技术职务)评阅者：(姓名) (专业技术职务)2012 年 6 月张文青工程师毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要目录1.1、课题研究的背景 (1)1.2、课题研究的意义 (2)1.3国内外研究情况及其发展 (2)1.3.1、可燃性气体泄漏报警器种类与结构 (2)1.3.2、国内外情况及其发展趋势 (2)2 天燃气泄漏报警系统的方案设计 (3)2.1方案的选择 (3)2.2对于该警报器设计的要求 (3)2.3 气体传感器的选型 (4)2.3.1气体传感器介绍 (4)2.3.2气体传感器的选定 (7)2.4 天燃气泄露报警系统的整体设计方案 (8)2.4.1天燃气泄露报警器工作原理 (8)2.4.2天燃气泄露报警器的结构 (8)2.4.3气体检测报警器的功能 (9)3 天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计 (10)3.1 主控电路的设计 (10)3.1.1半导体气敏传感器 (10)3.1.2单片机的选择 (15)3.1.3 AT89C51单片机的介绍 (16)3.1.4 AT89C51单片机的时钟电路 (19)3.1.5 AT89C51单片机的复位电路 (21)3.2 外围接口电路的设计 (22)3.2.1 驱动模块的选择 (22)3.2.2 DS18B20温度传感器的介绍 (23)3.2.3 声音报警电路 (27)3.2.4气体检测模块和光报警电路 (29)3.3 总电路设计 (31)4 燃气泄漏报警系统的软件部分设计 (32)4.1 主程序设计流程与编程 (32)4.1.1 主程序设计流程图 (33)4.1.2 主程序的编程 (34)4.2 程序调试 (40)4.2.1程序调试的步骤 (40)4.2.2程序调试过程中的问题及解决 (42)结论 (43)致谢 (44)参考文献 (45)1 绪论1.1、课题研究的背景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。

煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。

常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。

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、课题研究的意义人们面对可燃性气体泄漏而危及生命健康情况，有没有一个彻底的解决办法？据有关专家介绍，可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。

为防止中毒事件发生，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。

所以怎样预防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

基于此现实，本设计宗旨是为家庭用户设计一种能够对天然气，液化气和、煤气泄漏的装置，从于减少不必要的事故，进于保证人民的生命健康，减少不必要的损失。

1.3国内外研究情况及其发展1.3.1、可燃性气体泄漏报警器种类与结构可燃性气体泄漏报警器，多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。

有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。

1.3.2、国内外情况及其发展趋势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27％～30％。

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。

2 天然气泄漏报警系统的方案设计2.1方案的选择方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。

电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。

方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。

该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。

方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。

键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。

综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。

2.2对于该警报器设计的要求1.对可燃气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。

2.正常工作：绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。

3.能够显示此时的温度4故障报警：传感器短路，短路时应发出与可燃气体浓度超范围报警有明显区别的声，光报警。

5.浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。

2.3 气体传感器的选型气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。

2.3.1气体传感器介绍1.气体传感器的分类（1）.半导气体传感器这种类型的传感器在气体传感器中约占60%，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.（2）.固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。

其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测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，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。

开发新的气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用。

大大提高气体泄漏事故处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。

（3）.接触烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。

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，测量电阻变化从而测量气体浓度。

这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。

例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。

接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的监测和报警。

（4）.高分子气体传感器国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，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等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。

高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：l)高分子电阻式气体传感器该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。

其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。

但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。

2)浓差电池式气体传感器浓差电池式气体传感器的工作原理是：气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。

3)声表面波(SAW)式气体传感器SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。

两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。

被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。

主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。

其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。