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1、可燃性气体检测系统的设计摘要 随着可燃性气体种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内的泄漏、火灾爆炸事故日益增多。从安全、环保及经济上考虑，研制一种检测可燃性气体自动报警和自动打开排器装置的一种控制器是非常必要的。本设计对可燃性气体泄漏报警、控制器进行了深入的研究，采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路，具有检测误差小，反应速度快等优点。选用MQ2气体传感器对现场可燃性气体浓度进行检测，采用功能和性价比较高的STC89C52单片机作为中央处理单元，对浓度信号进行采集、数据处理、显示、报警及打开排气装置等工作。本设计的可燃性气体报警、控制器可以检测空气中以烷类气体为主的多种可燃性气体的浓度
2、，实时显示浓度值，当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。该报警器可以实时、准确检测可燃性气体，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景和推广价值。关键词： 报警器；可燃性气体；单片机；气体传感器目录1 绪论31.1课题研究的目的和意义及来源31.1.1课题研究的目的和意义31.1.2课题的来源31.2 可燃性气体报警控制器国内外现状41.3本课题主要完成的任务52 可燃性气体报警控制器的方案设计52.1 气体传感器的选型52.1.1 气体传感器的种类52.2 MQ-2传感器简介72.2.1 MQ2传感器概述72.2
3、.2 MQ2传感器详细说明73 可燃性气体报警控制器的硬件设计93.1 可燃性气体检测报警器的设计93.1.1 可燃性气体检测报警器的结构93.2 STC89C52系列单片机系统结构特点103.3 可燃性气体报警控制器的电路设计113.3.1 A/D转换电路113.3.2 STC89C52单片机接口电路123.3.3 声音报警电路143.3.4 显示电路153.3.5灯光报警164 可燃性气体报警器的软件设计174.1 STC89C52单片机调试及开发工具174.2 可燃性气体报警控制器软件流程及设计184.2.1 主程序流程图及设计184.2.2 T0中断子程序194.2.3 线性化处理子程
4、序设计204.2.4 十六进制转化十进制子程序设计224.2.5 显示子程序设计234.2.6 数据处理模块254.3 电路仿真255 系统调试285.1 硬件的调试285.1.1 排除逻辑故障285.1.2 排除元器件故障285.1.3 排除电源故障295.2 联机仿真调试295.3软件调试305.4软、硬件整体调试30结论31致谢32参考文献33附录A：硬件电路总图34附录B: STC89C52 数据手册35附录C：主要参考文献及摘要36附录D：程序清单371 绪论1.1课题研究的目的和意义及来源1.1.1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范围都有
5、所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时，就是一种爆炸性混合物，遇火就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，会燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。国内外均有不少这方面的报道，其教训是非常深刻的。为了防患于未然，只有采用先进、可靠的安全监测仪表，严密监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，将
6、事故消灭在酿成事故之前，才能确保安全生产，居民的人身财产安全才能有保证。可燃性气体报警控制器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。但现在国内使用的报警控制器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确，安全的报警和控制。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB
7、 15322-2003)可燃气体探测器。在2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004 。一部分不合规定的可燃性气体报警控制器将停止使用10。因此，研制一种新型，性能稳定、准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。1.1.2课题的来源随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的气体种类和应用范围在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄漏将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故，人们在对安全生产的重视程度日益增加的同时，对生产技术手段也进行不断的提高， 研制一种新型、性能稳定、准确监测可燃性气体报警控制器势在必行。而传统的模拟
8、型可燃性气体报警控制器，对于气体传感器的特性补偿、修正，采用匹配补偿传感器的硬件调整方式；这种调整方式虽然具有现场调整方便的优点，但补偿拟合的范围窄，匹配传感器的部件选择困难，而难以获得较好的补偿、修正效果。因此，本次设计采用了“探测器+单片机控制电路”设计思路。本次设计采用以STC89C52芯片为核心，用半导体陶瓷式气体传感器MQ-2来检测外部气体浓度，结合外部硬件电路实现对可燃性气体进行报警控制装置。STC89C52芯片具有功能强大，性价比高等一系列优点，适合产品大规模生产。同时，设计出的可燃性气体报警控制器具有操作简单，实用性强，价格便宜，安全性高等特点，所以非常适合贮气仓库，以及家庭等
9、场所使用，具有很高的实用价值。正是由于可燃性气体报警控制器对于安全生产的重要性，国内外有众多厂家研制、生产这一产品。从运用所学知识和实际意义出发，研制一种固定式可燃性气体报警控制器，它主要对以烷类气体为主的多种可燃性气体进行检测控制。1.2 可燃性气体报警控制器国内外现状可燃性气体报警控制器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控
10、制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警控制器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，又进行研究与开发，形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步7。工业可燃性气体报警控制器一般分为可燃性气体检漏仪(简称“检漏仪”)、可燃性气体报警控制器(简称“控制器”)、可燃性气体探测器(简称“探测器”)三大系列产品。“检漏仪”的体积较小，可随身携带或手持，采用碱性
11、电池或可充电电池供电，一般可以连续工作近12小时。该仪器主要应用于燃气管道的查漏与巡线。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。“探测器+控制器”，这是在工业装置上和生产过程中使用最多的检测仪器，可在防爆现场长期监测气体的浓度。这种仪器大都装设在油库、乙炔站、液化气站和煤气站等易燃易爆的危险场所。探测器安装在防爆现场，控制器放在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。1.3本课题主要完成
12、的任务 本课题是基于单片机的家用可燃性气体检测报警器控制器的研制，主要完成以下任务：(1) 对单片机报警器系统进行整体的规划和结构的设计。(2) 以STC89C52单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为A/D转换电路、STC89C52单片机接口电路、声音报警控制电路、显示电路四个部分。(3) 系统的软件编制。在程序的编写过程中，分别对主程序和各部分子程序进行了流程图的绘制，同时加入了详细的文字注释，以便于后期的改进与维护。2 可燃性气体报警控制器的方案设计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
13、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3。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)
14、 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
15、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NH4CaCO3等。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，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。在燃气爆炸下限内输出为线性、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
