可燃性气体检测报警器设计

辽宁工程技术大学

本科课程设计

题目可燃性气体检测报警器设计院（系、部）机械工程学院

班级机电07-3班

姓名赵旭斌

学号 0707060327 指导教师卢万杰

摘要

本设计主要设计可燃性气体监测报警仪，包括其工作原理及其软、硬件的设计。它由可燃性气体传感器、模/数转换、单片机、显示部分、报警输出、应用系统软件等组成。从传感器出来的微电流信号，经过模/数转换后送入单片机内，单片机控制显示相应浓度并在浓度过高时产生报警。显示部分采用74LS164芯片和LED数码管进行显示;报警输出采用固体继电器与蜂鸣器控制报警;软件设计采用单片机C语言编程。该报警器以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用STC89C52单片机进行控制，能根据天燃气气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。

关键词:传感器;气体检测;报警仪;STC89C52

Abstract

This design mainly introduces the combudstible gas monitoring alarming device, including its principle and hardware and software design. It consists of combustible gas sensors, d/a transformation, SCM, display section, alarm output, application system software etc. From the sensor micro electric current signal, out by d/a transformation into SCM inside, after the single-chip microcomputer control shows corresponding concentrations in excessive concentrations generated when the alarm. Show part adopts 74LS164 chips and LED digital display tube, Alarm output by using solid relay and buzzer control

Alarm, Software design USES the monolithic integrated circuit to the C programming language. This alarm with stable performance, the parameters of gas sensors as a detector, adopt STC89C52 single-chip microcomputer control, can according to natural gas gas detection concentration acousto-optic alarm, and control the corresponding equipment work so as to realize safe protection

Keywords: sensor；gas detection；alarming device；STC89C52

目录

前言 (1)

1、总体设计方案 (2)

1.2系统功能 (3)

2、硬件部分 (4)

2.1气体传感器的分类及应用 (4)

2.2可燃气体检测电路 (4)

2.3、LED显示电路 (7)

2.4、蜂鸣报警电路 (9)

2.5、继电器电路………………………………………………………………………

9

2.6、直流稳压电源电路 (10)

2.7、控制电路…………………………………………………………………………

1 2 3、软件部分设计 (14)

3.1主程序………………………………………………………………………………

1 5

4、总结与体会 (15)

5、谢辞 (16)

参考文献 (18)

附录1 可燃性气体报警仪监测总电路图 (19)

附录2 可燃性气体监测报警仪主要元器件清单 (20)

附录 3 程序代码 (21)

前言

随着工业、农业化的发展和人们生活水平的提高，及时、准确地对易燃、易爆、有毒有害气体进行监测预报和自动控制已成为当前天然气、煤炭、石油、化工、电力等部门急待解决的问题。家用燃气报警器能实时监测可燃气体的泄漏情况，一旦发生泄漏，即空气可燃气体达到一定浓度，则报警器立即进行声、光报警，有效防止事故的发生，满足人们对燃气安全的需要人类对生态环境净化的要求越来越高的要求。设计的任务就是开发一种以性能、参数稳定的气体传感器为探测器采用STC89C52单片机进行控制的可燃气体探测报警器。当空气中有可燃气体在挥发且气体浓度达到或超过设定值时，通过一系列转换是LED数码显示气体浓度值，随机发出声、光报警信号，启动相应控制装置，避免重大事故发生。

随着人们对生活空间的安全和舒适性有了更高的要求，不仅要求监测、监控、检测易燃、易爆、有毒、有害气体，而且为确保身心健康，减少环境污染环境，还要求研制出各种高灵敏度、超小型、多功能化的气体传感器。近年来，可燃性气体传感器的研究和开发十分活跃，国外从20世纪30年代开始研究开发可燃性气体传感器，至今已经走过半个多世纪，品种到达数百种。

1、总体设计方案

设计整体思路是：应用烟雾检测系统，烟雾检测报警器是能够检测环境中的烟雾浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：烟雾信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

烟雾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。

方案：如图1.1所示，此方案由传感器电路。A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分等组成。检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A/D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。

图1.1方案流程图

Figure 1.1 scheme flowchart

1.2系统功能

本设计所设计报警器具有下述功能:

（1）被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时

警器应能发出声、光报警信号。

(2)报警器在传感元件断路或短路时应发出报信号，有明显区别的声、光

故障信号。

(3)报警器应对声、光报警装置设置手动自检功。

(4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器出报警信号时，应能启动输

出控制功能。

(5)报警器的供电电压必须非常稳定，否则，将影响报警的正常工作。

当漏气体的浓度达到一定值时，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道关闭，并可以通过RS-485总线与上位机进行通信(将实时数据发送给上位机用户)。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换

气设备，停止报警，将气体管道们一开，达到安全保护的日的。

可燃性气体监测报警仪虽然用途非常广泛，但是其精度也受到各方面因素的制约。最主要的是报警仪标定，这是一项复杂的工作，直接影响着报警仪的测量精度。如果没有进行精确的标定，其将直接影响仪器的正常工作。

2、硬件部分

燃性气体监测报警系统实际上就是通过单片机记录子弹通过设定距离的时间来实现是。因此在单片机入口处，我们只需要设计一个能产生中断的电路即可。本设计主要包括一下几个模

2.1气体传感器的分类及应用

气体传感器种类繁多，分类方法目前尚无统一标准。根据气敏特性分类，主要分为半导体式、固体电解质式、电化学式等几类。

(1)半导体式气体传感器

自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来，半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间快块。等优点，其产品发展非常迅速，按检测不同气敏特征量的方式可分为电阻式和非电阻式2种。电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，其电阻随着气体含量不同而变化。非

电阻式半导体气体传感器MOS二极管式和结型二极管式以及场效应管，其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测可燃性气体。此类气体传感器的主要优点是灵敏度高，但制作工艺比较复杂、成本高。

(2)固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20世纪70年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高，灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，目前环保、节能、矿业、汽车工业等各个领域均有应用，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。

(3)电化学式气体传感器

电化学式气体传感器可分为原电池式，定电位电解

式、电量式，离子电极式4种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度，和原电池式不同的是，他需要由外界施加特定电压，他除了能检测CO，NO，NO：，O。，SO：等气体外，还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高，选

择性好。

2.2可燃气体检测电路

选用的气体传感器型号为MQ-5。

*对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度

*对乙醇，烟雾几乎不响应

*快速的响应恢复特性*长期的使用寿命和可靠的稳定性*简单的测试电路

应用

适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。优良的抗乙醇，烟雾

干扰能力。

图2.1 MQ-5测量电路

Figure 2.1 MQ - 5 measurement circuit 1气体敏感层二氧化锡

2电极金（Au）

3测量电极引线铂（Pt）

4加热器镍铬合金（Ni-Cr）

5陶瓷管三氧化二铝

6防爆网100目双层不锈钢

（SUB316）

7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）

8基座胶木

9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）

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。设计中MQ-5的接线如图3.3所示。在实际的测量中，可按照其等效电路来计算数值，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，具体数值应根据A/D转换器是输入范围来确定。电压信号从RL和地之间取出，取出的电压信号直接接AD转换器ADC0809的接口，即第26引脚。

图2.2气体检测电路

Figure 2.2 gas detection circuit 2.3、LED显示电路

图2.3 LED显示电路

Figure 2.3 LED display circuit

如图2.3所示，LED的a-g脚分别和单片机的pl.0-pl..6相连接。此LED有两个功能，既用于最高安全值的设定，也用于检测浓度是显示测试的浓度。单片机89C52的INT0引脚的开光控制转换功能。另外，4个三极管9012的基极aa1-aa4分别和单片机89c52的p2.4-p2.7相连，9012的射极bb1-bb4分别和LED相连作为驱动电路。

2.4、蜂鸣报警电路

图2.4蜂鸣报警电路

Figure 2.4 bees alarm circuit

检测到的气体浓度的模拟信号经过AD转换器ADC0809后，转化成数宇

信号输入单片机STC89C52，再由单片机的P2.2门输出高低电平，控制三极管的导通或关断，继而控制喇叭的发出警告。555筋电路可使喇叭发出“嘟嘟嘟”的警告信号。

2.5、继电器电路

图2.5 继电气电路

Following the electrical circuit diagram 2.5

继电器控制电路如图所示。该电路由继电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当漏气体浓度达到一定值时，通过软件将p2.0、p2.3置1，此时三极管VT4、VT5均导通，继电器Kl、K2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P2.0、P2.3清零，此时三极管vT4、vT5均截止，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。指示灯:应采用发光二极管，应以颜色标记。红色表示报警信号，黄色表示故障信号，绿色表示电源工作正常。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。电磁继电器:接点宜采用双接点结构。继电器应用封闭式，不得由一接点同时控制探测器内部及外部电路。电器元件:应进行三防(防潮、防霉、防盐雾)处理。音响器件:在额定电压下，音响器件在题其正前方lm处的声托级(A计权)应小于70dB，不大于115 dB，在85%额定工作电压条件下，音响器件应能发出声响。开关和按键: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(氧气指数≥32)。

2.6、直流稳压电源电路

图2.6 直流稳压电源电路

Figure 2.6 direct current voltage-stabilized source circuit 整流电路的任务是将交流电变换成直流电。完成这一任务主要是靠二极管的单向异通作用，因此二极管是组成整流电路的关键元件。在小功率（1KM）整流电路中，常见的几种整流电路有单相半波、全波、桥式和倍压整流电路。本

设计采用桥式整流电路，其主要特点如下:

1输出电压.高

2纹波电压小

3管子所承受的最大反向电压较低

4电源变压器充分利用，效率高

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阴.两侧并联电容器;或在整流电路输出端一与负载问串联电感L，以及由电容、

电感组合而成的芥种复式滤波电

2.7、控制电路

图2.7 主控单元电路

Figure 2.7 master unit circuit

化。如果要获得更高的精度，应采用12位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完主控单元电路如图所示。微处理器采用STC89C52。A/D转换芯片采用ADCO809，

ADC0809的时钟信号CLK由89C52的ALE信号提供。系统晶振采用12MZ，图中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脉冲宽度大于250ns满足ADC0809对ALE引脚信号的要求。检测到的气体浓度信号即电压信号经放大、滤波后送到ADC0809的模拟量输入端工NO。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5V时，ADC0809输出数值为255 (FF H)，因此单片机最大数值分辨率为0.0196V测试时电庄数值的变化一般以0.02V的电压幅度变

全满足要求。根据所测得的电压基本上要比标准值偏大0.01~0.02V可以通过校正ADC0809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。ADC0809的直流输入阻抗为1MΩ能满足一般的电压测试需要，另外经测试ADC0809可直接在2~5MHz的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。

图2.8ADC0809时钟信号电路

Figure 2.8 ADC0809 clock signal circuit

ADCO809由ADD-C、ADD-B、ADD-A控制选通的模拟通道，设计中选通通道为INO，单片机89C52对ADC0809采用的是查询控制方式。ADC0809片内的时一钟

信号可利用89C52提供的地址所存允许信号ALE经D触发器4分频后获得。如图.ALE引脚的频率是89C52单片机时钟频率的1/6。由于单片机采用的时钊，频率为12MHz，由ALE引脚输出的频率为2MHz再4分频后为500KHz，恰好符和ADC0809对时钟频率的要求。