基于单片机的有毒气体检测系统的设计.docx
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基于单片机的有毒气体检测系统的设计
摘要
煤矿中含有CO(一氧化碳)等有毒气体,是煤矿下重要的危害源之一,是导致重大事故的因素;家庭中,煤气泄漏将在短时间内产生大量一氧化碳,危及人生安全。
对一氧化碳气体检测仪表的研究和开发也一直是人们关注的问题。
本系统利用51单片机做核心控制模块,利用MQ-7一氧化碳传感器探测一氧化碳。
实时监控多处一氧化碳浓度变化,如果某处一氧化碳浓度过高,系统将发出声音报警,并显示报警传感器号码,提醒人们及时抢险。
本系统可用于家庭环境,也适用于工业环境。
由于单片机成本低廉,自动控制功能比较强大,运行稳定,环境适应性好,所以本系统采用单片机做控制的核心元件。
MQ-7一氧化碳传感器对一氧化碳的灵敏度高;长寿命,低成本;简单的驱动电路即可。
因此,很适用于家庭的一氧化碳检测。
数码管能清晰的显示报警的房间号码,即使在光线较暗时,所以选用数码管做显示模块。
本文主要叙述了基于单片机的有毒气体检测系统设计的全过程,包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
关键词 一氧化碳;单片机;检测;报警
Abstract
ContainingCO(carbonmonoxide)andothertoxicgasesincoalmines,isoneofthesourceofthehazardsinthecoal,leadingtoamajoraccidentfactors;family,agasleakinashorttimetoproducelargeamountsofcarbonmonoxide,endangeringthelifesafety.Researchanddevelopmentofthecarbonmonoxidegasdetectioninstrumentshavebeenanissueofconcern.
Thesystemuses51microcontrollertodothecorecontrolmodule,theuseoftheMQ-7COsensortodetectcarbonmonoxide.Real-timemonitoringofmultiplecarbonmonoxideconcentrationchanges,ifsomewhereinthecarbonmonoxideconcentrationistoohigh,thesystemwillsoundanalarm,andalarmsensornumbertoremindpeopletorescueinatimelymanner.Thissystemcanbeusedtothefamilyenvironment,andalsoappliestotheindustrialenvironment.
Single-chiplow-cost,automaticcontrolfunctionismorepowerful,stableoperation,environmentaladaptability,sothissystemisacorecomponentofthemicrocontrollerasacontrol.
MQ-7COsensorhashighsensitivitycarbonmonoxide;longlife,lowcost;cansimpledrivecircuit.Therefore,itissuitableforindustrialandhouseholdcarbonmonoxidedetector.
Digitaltubetoclearthealarmnumberisdisplayed,eveninlowlight,sousethedigitalcontroltodothedisplaymodule.
Thispaperdescribesamicrocontroller-basedtoxicgasdetectionsystemdesignprocess,includinghardwaredesign,softwaredesign,computersimulationandphysicalproduction.
Keywords carbonmonoxide;MCU;test;alarm
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
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得到了增加。
这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏,将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故,严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性,发生泄漏之后,在外部风力和内部浓度梯度的作用下,气体会沿地表面扩散,在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区,扩大危害区域。
例如,1995年7月,四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏,当场造成3人死亡,6人受伤,仅约一小时左右,市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。
因此,这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。
一旦发生气体泄漏事故,必须尽快采取相应措施进行处置,才能将事故损失降低到最低水平。
及时可靠地探测空气中某些气体的含量,及时采取有效措施进行补救,采取正确的处置方法,减少泄漏引发的事故,是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
这就对气体的检测和监测设备提出了较高的要求。
作为一种重要的气体探测器,气体传感器近年来得到了很大的发展。
气体传感器的发展。
危险化学品要加强安全管理,完善安全措施、控制事故隐患。
但是,不可能达到绝对安全,仍然会出现万有一失的情况。
因此,事故隐患的检测报警,在危险化学品场所有害气体或液体(蒸汽)检测报警,是非常必要的。
对避免和控制事故具有重要意义。
有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪,用来检测化学品作业场所或设备内部空气中的可燃或有毒气体的含量并超限报警。
危险化学品场所有害气体检测,主要有以下几种情况:
(1)泄漏检测:
设备管道有害气体或液体(蒸汽)现场所泄漏检测报警,设备管道运行检漏。
(2)检修检测:
设备检修置换后检测残留有害气体或液体(蒸汽),特别是动火前检测更为重要。
(3)应急检测:
生产现场出现异常情况或者处理事故时,为了安全和卫生要对有害气体或液体(蒸汽)进行检测。
(4)进入检测:
工作人员进入有害物质隔离操作间,进入危险场所的下水沟、电缆沟或设备内操作时,要检测有害气体或液体蒸汽。
(5)巡回检测:
安全卫生检查时,要检测有害气体或液体蒸汽。
随着人类社会的进步、生产的发展,人们的生活水平不断提高,随之带来了环境空气污染问题。
工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等排放气体对空气环境造成的污染日益严重。
一氧化碳虽然不会使酸雨现象严重,但是对人们的身体健康有影响。
一氧化碳是一种无色、无味的气体,它与血液中的血红素结合的能力是氧的240倍,它与血红素形成稳定的络合物,使血红蛋白丧失了输送氧气的能力,从而导致组织低氧症,甚至死亡。
一氧化碳浓度的高低是评价空气质量好坏的重要指标之一,也是工厂、煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。
为了保证人们身体健康和环境洁净,世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。
国家工业卫生标准规定,生产现场一氧化碳浓度不允许超过50ppm。
我国环境保护大气污染监测和工厂矿井中都要求有连续、自动化的现场检测仪。
1.2 国内外研究现状
在应用方面,目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器,已普及应用于气体泄漏检测和监控,从工厂企业到居民家庭,应用十分广泛。
气体检测技术与计算机技术相结合,实现了智能化、多功能化。
美国工业科学公司(ISC)一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测,采用了统一的软件,只需要换气体传感器,即可实现对特定气体监测。
美国国际传感器技术(IST)公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元,可检测100种以上毒性气体和可燃性气体,通过其“气体检索”功能扫描,能很快确定是哪一种气体。
(1)气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展
国外气体传感器发展很快,一方面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;另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。
因此,国外气体传感器技术得到了较快发展,据有关统计预测,美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为(27~30)%。
目前,气体传感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,这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测(0.1~10)×10-6硫化氢低功耗气体传感器,美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器,美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。
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传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化;还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
(2)国内现状与差距
气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下,国内已有一定的基础。
其现状是:
烧结型气敏元件仍是生产的主流,占总量90%以上;接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力;电化学气体传感器有了试制产品;在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺,使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏;在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构;新研究开发的32OAl气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料;低功耗气敏元件(如一氧化碳,甲烷等气敏元件)已从产品研究进入中试;国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。
产量超过20万支的主要厂家有5家,黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司(合资)、北京电子管厂(特种电器厂),其中前四家都超过100万支,据行业协会统计,1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。
总的看来,我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展,但与国外先进水平仍有较大的差距,主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距,与日本比较仍要落后10年。
1.3 本文主要内容及章节安排
本文主要讲述基于单片机的毒气检测系统的设计全过程,包括硬件电路设计、软件设计、电脑仿真和实物制作。
论文具体章节安排如下:
第1章介绍了本次课题的课题背景、国内外研究现状、课题的研究意义。
第2章主要讲述了系统的硬件设计,包括最小系统、AD转换模块、显示模块、声音报警模块和传感器模块。
第3章主要介绍了此次设计的软件部分,包括主程序、AD转换程序、时钟产生程序;
第4章主要介绍了本次设计的实施过程,包括绘图、编程、仿真和焊接实物。
第2章 硬件系统设计
2.1 硬件总体设计
单片机应用系统的结构分三个层次:
(1)单片机:
通常指应用系统主处理机,即所选择的单片机器件。
(2)单片机系统:
指按照单片机的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统,如时钟电路、复位电路和扩展存储器等与单片机构成了单片机系统。
(3)单片机应用系统:
能满足嵌入对象要求的全部电路系统。
在单片机系统的基础上加上面向对象的接口电路,如前向
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