安全检测设计概述

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1、河南城建学院 课程设计 I 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

2、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，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 河南城建学院 课程设计 1 目录 1 绪论3 1.1 课题研究的目的和意义及来源 3 1.1.1 课题研究的目的和意义 3 1.1.2 课题的来源 3 1.2 可燃性气体报警控制器国内外现状4 1.3 本课题主要完成的任务 5 2 可燃性气体报警控制器的方案设计5

3、 2.1 气体传感器的选型5 2.1.1 气体传感器的种类5 2.2 MQ-2 传感器简介 7 2.2.1 MQ2 传感器概述 .7 2.2.2 MQ2 传感器详细说明 .7 3 可燃性气体报警控制器的硬件设计9 3.1 可燃性气体检测报警器的设计9 3.1.1 可燃性气体检测报警器的结构9 3.2 STC89C52 系列单片机系统结构特点 10 3.3 可燃性气体报警控制器的电路设计.11 3.3.1 A/D 转换电路 .11 3.3.2 STC89C52 单片机接口电路 12 3.3.3 声音报警电路.14 3.3.4 显示电路.15 3.3.5 灯光报警 .16 4 可燃性气体报警器的软

4、件设计.17 4.1 STC89C52 单片机调试及开发工具 17 4.2 可燃性气体报警控制器软件流程及设计.18 4.2.1 主程序流程图及设计.18 4.2.2 T0 中断子程序 19 4.2.3 线性化处理子程序设计.20 4.2.4 十六进制转化十进制子程序设计.22 4.2.5 显示子程序设计.23 4.2.6 数据处理模块.25 4.3 电路仿真25 5 系统调试.28 5.1 硬件的调试.28 5.1.1 排除逻辑故障.28 5.1.2 排除元器件故障.28 5.1.3 排除电源故障.29 5.2 联机仿真调试.29 5.3 软件调试 .30 5.4 软、硬件整体调试 .30

5、结论.31 致谢.32 参考文献.33 河南城建学院 课程设计 2 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 .37 河南城建学院 课程设计 3 1 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 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

6、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

7、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 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

8、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。 河南城建学院 课程设计 4 而传统的模拟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

9、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

10、，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制器的厂家，他们生 产的产品以采用最先进的气敏传感器、

11、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，采用碱性电池或可充电电池 供电，一般可

12、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 河南城建学院 课程设计 5 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。

13、 1.3 本课题主要完成的任务 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-

14、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：

15、 河南城建学院 课程设计 6 (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

16、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 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