（冶金行业）基于单片机室内煤气,天然气泄漏警报器的设计

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1、 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书 论文 作作 者者 笑嘻嘻 学学 号 号 08042101 学 习 学院学院 系系 电子工程与光电技术学院 专专 业业 电子信息工程 题题 目目 基于 51 单片机室内煤气 天然气泄漏警 报器的设计 指导者 指导者 姓 名 专业技术职务 评阅者 评阅者 姓 名 专业技术职务 2012 年 6 月 张文青工程师 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 中中文文摘摘要要 随着天然气的大量使用 每一座居民大楼都被天然气所 笼罩 天然气的普 及给公共生活带来了方便 减少了城市的污染 提高了生活质量和效率 但是同时 天然气也是潜在的 危险品 一旦发生大面积泄漏 处

2、置不及时就可能引发大爆 炸 给居民的生命财产安全带来巨大的威胁 面对燃气泄漏而造成的种种事故威 胁 我们需要一个解决办法 使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段 之一 本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声 光报警功能 是一种结构简单 性能稳定 使用方便 价格低廉 智能化的气体 报警器 具有一定的实用价值 其中选用 MQ 2 传感器实现对气体的检测 具有灵敏度高 响应快 抗干扰 能力强等优点 而且价格低廉 使用寿命长 经 AT89C51 单片机处理 并对处理 后的数据进行分析 是否大于或等于某个预设值 也就是报警限 如果大于则会 自动启动报警电路发出报警声音

3、反之则为正常状态 而且在此设计中我们通过 DS18B20 温度传感器和 AT89C51 单片机进行连接 将温度信号转换成单片机可识 别的数字信号 经过单片机处理并对其进行分析 最终将温度还有气体的浓度显 示在 LED 的显示管中 关键词 气敏传感器 报警器 单片机 温度传感器 毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 外外文文摘摘要要 TitleTitle Design of indoor gas 响应时 间均 0 秒 感应时间均 1 秒 3 半导体气敏传感器的原理 当半导体器件被加热到稳定状态时 气体接触半导体表面而被吸附 吸附 的分子首先在表面自由扩散 失去运动能量 一部分分子被蒸发掉 另一

4、部分 残留分子产生热分解而固定在吸附处 当半导体的功函数小于吸附分子的电子 亲和力时 则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附 半导体表面呈现 电荷层 具有负离子吸附倾向的气体 如 O2和 NON 等被称为氧化型气体或电子 接收型气体 如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能 则吸附分子将向器 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 11 页 共 44 页 件释放出电子 而形成正离子吸附 具有正离子吸附倾向的气体有 H2 CO 碳氢 化合物和醇类等 被称为还原型气体或电子供给型气体 半导体气敏传感器的参数 1 工作电压 5VDC 2 静态功耗 15mW 3 工作温度 10 50 4

5、 相对湿度 95 5 初期稳定时间 3min 6 检测浓度范围 0 2000ppm 一氧化碳 4 MQ 2 的相关参数 本次的设计采用的MQ 2气体传感器 MQ 2气敏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性 气体时 传感器的电导率随空气中可燃性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 1 灵敏度特性 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 12 页 共 44 页 图 3 1 传感器典型的灵敏度特性曲线 注 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

6、传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm不同气体中的电阻值 2 温 湿度的影响 图 3 2 传感器典型的温度 湿度特性曲线 图中纵坐标是传感器的电阻比 Rs Ro Rs表示在含1000ppm 甲烷 不同温 湿度下传感器的电阻值 Ro表示在含1000ppm 甲烷 20 65 RH环境条件下传感器的电阻值 表3 3 传感器的相关的参数 3 规格 4 A 标准工作条件 符号参数名称技术条件备注 Vc 回路电压 24VDC VH 加热电压 5 0V 0 2VACorDC 0 5 0 7 0 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 20 1001020304050 Rs R0

7、 60 RH 30 RH 85 RH 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 13 页 共 44 页 B 环境条件 C 灵敏度特性 敏感体功耗 Ps 值 Ps Vc2 Rs Rs RL 2 传感器电阻 Rs 值 Rs Vc VRL 1 RL 4 结构 外形 MQ 2 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 只针状管脚 其中 个用于信号取出 个用于提供加热电流 RL 负载电阻可调 RH 加热电阻 31

8、3 室温 PH 加热功耗 900mW 符号参数名称技术条件备注 Tao 使用温度 10 50 Tas 储存温度 20 70 R 相对湿度 小于 95 R O2 氧气浓度 21 标准条件 氧气浓度会影响灵敏度特性 最小值大于 符号参数名称 技术参数 备注 Rs 敏感体表面电阻 2K 20K 2000ppm C3H8 R3000ppm R1000ppm C3H8 浓度斜率 0 6 标准工作条 件 温度 20 2 Vc 5 0V 0 1V 相对湿度 65 5 VH 5 0V 0 1V 适用范围 5000 20000ppm 天然气 预热时间不少于48小时 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文

9、 第 14 页 共 44 页 图 3 4 MQ 2 MQ 2S 气敏元件的结构和外形 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 此次的 MQ 2传感器因为在 protues 的元器件库中无法找到 然后只能利用 protel 进行设计 元器件选择 电源采用输入 AC 220V 50Hz 输出 DC 稳压 5V 的电源变压器 烟雾传感 器 MQ 2 一个 50K 的电位器 一个 1 K 的电阻 一个三脚的开关 晶体管采 部件材料 1气体敏感层二氧化锡 2电极金 Au 3测量电极引线铂

10、 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基座胶木或尼龙 9针状管脚镀镍铜材 Ni Cu 图 3 4 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 15 页 共 44 页 用 9013 型号 继电器采用 JRC 4100F 5V 的型号 通电指示灯采用 3 5V 的淡 绿发光二极管 风扇 FAN 为 5V 的单转向小型风扇 其原理图如下图 3 5 图 3 5 MQ 2 原理图 电路如图 3 5 所示 MQ 2 为烟雾传感器 FAN 为 5V 电机 电路采用交 流供电 220V 交流市电从插头引入电路

11、经电源变压器降压后变为直流 直流 电压直接供传感器 MQ 2 的加热丝 H H 工作 加热丝给传感器 MQ 2 预热一定时间后 才能正常检测烟雾 稳压电压同时供控制电路工作 接在继电器 通电指示灯和风扇上 当 MQ 2 所处的环境烟雾在允许范围内时 其两端输出电极 H H 间导电率很低 则加在电极间两端 H H 电压很低 则输出电压升高 晶体管 9013 导通 此时 加在继电器 JRC 4100F 两端的电压达到它的启动电压 V 继电器跳转 通 电指示灯熄灭 风扇 FAN 电路接通 风扇工作 开始吸收烟雾 风扇产生吸力 将烟雾吸入装有活性炭过滤筛的壳体 先经过一层活性炭过滤后 再经过负离 子发

12、生器 从而除掉有害物质 过滤筛可以拆下来清理或更换 活性炭也可以 更换 当烟雾逐渐减少 传感器 MQ 2 导电率升高 加在电极间两端 H H 的电 压升高 输出电压变小 晶体管 9013 截止 则继电器 JRC 4100F 两端电压为 零 继电器跳转为常态 风扇 FAN 停止转动 通电指示灯变亮 注 为了使到在烟敏器件电路发生故障的时候烟灰缸还能工作 我们另外接了 一个手动的开关 如电路图中的开关 K 这样 当电路发生故障的时候 我们 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 16 页 共 44 页 可以手动的开启电机 一样能达到抽烟过滤的功能 调试电路主要通过调试可变电阻 可以调节

13、烟雾传感器的灵敏度 以获得 满意的烟雾浓度风扇启动点 3 1 2 单片机的选择 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个 计算机系统集成到一个芯片上 相当于一个微型的计算机 和计算机相比 单 片机只缺少了 I O 设备 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习使用单 片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 单片机的使用领域已十分广泛 如智能仪表 实时工控 通讯设备 导航 系统 家用电器等 各种产品一旦用上了单片机 就能起到使产品升级换代的 功效 常在产品名称前冠以形容词 智能型 如智能型洗衣机 各种警

14、报 器中的应用等 一方面它要接收来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号 另一方 面要对两种信号分别进行处理 控制后续电路的相应工作 同时 查询是否有 键按下的命令 在单片机实现的功能中 将模数转换后的信号做数字滤波 再 进行线性化处理 这一过程的软件实现 需要单片机有较快的运算速度 使仪 表监测人员能够观测到并进行相应处理 根据此次的实验要求设计我们采用的是 51 系列的单片机 根据多方面的比 较我此次采用的是 AT89C51 的单片机 3 1 3 AT89C51 单片机的介绍 描述 AT89C51 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机带有 4K 字节的可反复擦 写的程序存储器

15、PENROM 和 128 字节的存取数据存储器 RAM 这种器件采 用 ATMEL 公司的高密度 不容易丢失存储技术生产 并且能够与 MCS 51 系列的 单片机兼容 片内含有 8 位中央处理器和闪烁存储单元 有较强的功能的 AT89C51 单片机能够被应用到控制领域中 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 17 页 共 44 页 功能特性 AT89C51 提供以下的功能标准 4K 字节闪烁存储器 128 字节随机存取数 据存储器 32 个 I O 口 2 个 16 位定时 计数器 1 个 5 向量两级中断结构 1 个串行通信口 片内震荡器和时钟电路 另外 AT89C51 还可以

16、进行 0HZ 的静 态逻辑操作 并支持两种软件的节电模式 闲散方式停止中央处理器的工作 能够允许随机存取数据存储器 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容 但震荡器停止工作并禁止其它所 有部件的工作直到下一个复位 引脚描述 AT89C51 单片机的引脚图如下图 3 6 图 3 6 AT89C51 引脚图 VCC 电源电压 GND 地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路双向 I O 口 即地址 数据总线复用口 作为输 出口时 每一个管脚都能够驱动 8 个 TTL 电路 当 1 被写入 P0 口时 每个 管脚都能够作为高阻抗输入端 P0 口还能够在访问外部数据存储器或程序存储 本本科科毕毕业业设设计计说说明明书书 论论文文 第 18 页 共 44 页 器时 转换地址和数据总线复用 并在这时激活内部的上拉电阻 P0 口在闪烁 编程时 P0 口接收指令 在程序校验时 输出指令 需要接电阻 P1 口 P1 口一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 电路 对端口写 1 通过内部的电阻把端口拉到高电平