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燃气泄漏报警系统设计方案论文

摘要

随着信息时代的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对气体传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。

本论文以电阻式气体传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种烟雾报警器。

其中选用半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，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。

以单片机和半导体电阻式气体传感器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。

关键词：

传感器报警器单片机

Keywords：

sensoralarmSCM

第1章绪论

1.1家庭燃气泄漏报警的概述

燃气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备，由气体传感器、单片机和报警器组成。

它是安全使用城市燃气的最后一道保护。

燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体，通过采样电路，将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路，当气体浓度超过控制器或控制电路中设定值时，控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。

气体报警器的探测气体传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器，还有少量的其他类型，如化学电池类传感器。

这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变，经单片机处理后报警。

1.2家庭燃气泄漏报警的现状

气体检测报警产品是一个系列产品，包括气体探测设备、信息传输设备、报警分析控制器。

是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理、智能楼宇等技术的综合集成，属于高新技术。

依托中国多年的基本建设的发展，这个行业也得到发展，具备了和国外知名企业抗衡的能力。

在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多做的是下游的制造和服务，分取极少一部分的利润，像安防报警产品那样又拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。

在安防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越，存在的问题是：

类似于国外安防报警产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术；也因此在产品一致性和长期稳定性上有一些差距；国内正在形成权重的大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的安防报警市场。

1.3家庭燃气泄漏报警的发展趋势

二十多年前，我国的安防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。

国外的产品和品牌却占领我们的大部分市场。

由于中国的建设正在面临飞速发展，我们应该抓住广阔的市场空间，庆幸的是中国企业抓住了这次机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之势，这是典型的自力更生，走自己的路。

当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚刚启动。

但是，中国企业已经做好准备进军海外市场。

1.4燃气泄漏报警研究意义与目的

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。

使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。

燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源，如采有用燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。

有关部门经长期测试得出结论，燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。

计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。

人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。

单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。

单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。

为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。

所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。

第2章燃气泄漏报警系统的方案设计

2.1燃气报警系统的设计思路

燃气报警系统是能够检测环境中的可燃性气体浓度，并具有报警功能的仪器，仪器的最基本组成部分应包括：

气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。

气体信号采集电路一般由气体传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。

模数转换电路将从燃气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。

单片机对该数字信号进行处理，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，反之则为正常状态。

为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。

以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。

烟雾传感器及单片机是燃气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的烟雾传感器及单片机芯片是至关重要的。

气体传感器的选型在下一节介绍。

单片机作为硬件电路的核心，它的选型将在第三章详述。

2.2气体传感器的选型

气体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。

气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。

2.2.1气体传感器介绍

（1）气体传感器的分类

气体传感器种类繁多，从检测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：

如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。

2利用物理性质的气体传感器：

如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。

3利用电化学性质的气体传感器：

如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。

（2）气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。

但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：

1能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；

2对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；

3对检测信号响应速度快，重复性好；

4长期工作稳定性好；

5使用寿命长；

6制造成本低，使用与维护方便。

（3）常见气体传感器简介

下面对常用的几种气体传感器作简单介绍。

半导体气体传感器

半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器。

自1962年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，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，得到了广泛的应用。

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。

按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

固体电解质气体传感器

固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成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，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。

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。

接触燃烧式气体传感器

当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。

接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层），使用时将铂丝通电，保持300°C~400°C的高温，此时若与气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道气体的浓度。

高分子气体传感器

利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。

高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。

高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。

高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。

电化学传感器

电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。

气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。

它的优点是：

反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短（大约两年）。

它主要适用于毒性气体检测。

目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。

热传导传感器

热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。

它的测量原理是：

将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。

温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。

红外传感器

红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。

在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。

未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。

非扩散式红外探测器NDIR（non-dispersiveIR）是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂烟雾和一些易燃气。

由于非碳氢化合物易燃气体（如氢）不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。

（4）常见气体传感器可检测气体种类

由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。

例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。

固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。

简要列举出已经研究、开发的各类气体传感器及其可检测的气体种类

传感器种类

CO

CO2H2SNH3

HCN

HCl

CO

Cl2

CI2NOX

SO2

O2

CH4

C3H2

H2

H2O

半导体气体传感器

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

○

固体电解质传感器

○

○

○

○

○

接触燃烧式传感器

◎

○

○

○

电化学式传感器

○

○

○

○

○

○

○

○

高分子电解质气体传感器

◎

○

○

○

○

注：

○好◎不太好表2.1各种气体传感器可检测的气体种类

2.2.2气体传感器的选定

燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气体传感器和半导体气体传感器。

使用接触燃烧式气体传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。

阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。

虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。

中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。

当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效的办法。

因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。

一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。

半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

经过对比上述两种气体传感器的应用特性，发现半导体气体传感器的优点更加突出：

灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。

因此，本设计采用半导体气体传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。

而在众多半导体气体传感器中，本设计选用MQ-2型气体传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体气体传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。

2.3燃气泄露报警系统的整体设计方案

2.3.1燃气泄露报警器工作原理

本论文中的燃气报警报警器以AT89C51单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集气体信息。

首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入AT89C51单片机；然后，在AT89C51单片机内A/D转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，并判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。

另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。

为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。

为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。

2.3.2燃气泄露报警器的结构

为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃气体浓度、可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。

其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。

燃气泄露报警器系统结构框图如图2.2所示，该系统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、声音及闪烁报警等功能。

系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本

图2.2燃气泄漏报警系统结构框图

使用AT89C51单片机，选用气体传感器作为敏感元件，利用A/D转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位燃气泄漏报警器。

整个设计由4大部分构成：

气体传感器、A/D转换电路、AT89C51单片机、声光报警电路。

气体传

感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。

声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。

2.3.3气体检测报警器的功能

（1）声光报警功能

当气体浓度取值处在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。

因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。

（2）看门狗自检单片机状态功能

调用单片机中的看门狗程序，定时检查单片机工作状态，一旦发现单片机出现死循环状态，立即复位，保证报警器工作正常。

（6）与上位机通讯功能

可以实现与计算机串口通讯，对报警器采取统一控制，以及便于采集和处理数据，也可以在计算机上更改报警限值等。

第3章家庭燃气泄漏报警系统的硬件部分设计

3.1主控电路的设计

3.1.1半导体气体传感器简介

半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。

半导体气体传感器的性能主要看其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性（使用寿命）。

图3.1可燃性气体传感器外形图

MQ-2/MQ-2S气体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：

图3.2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表示传感器在不同浓度气体中的电阻值

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值

（2）温/湿度的影响：

图3.3是传感器典型的温度、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丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值

Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值

（3）基本测试回路：

图3.4是传感器的基本测试电路

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

（4）规格：

A.标准工作条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Vc

回路电压

≤24V

DC

VH

加热电压

5.0V±0.2V

ACorDC

RL

负载电阻

可调

RH

加热电阻

31Ω±3Ω

室温

PH

加热功耗

≤900mW

B.环境条件

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℃

RＨ

相对湿度

　　小于　95%RＨ

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２％

C.灵敏度特性

符号

参数名称

技术参数

备注

Rs

敏感体表面电阻

2KΩ-20KΩ

（2000ppmC3H8）

适用范围：

300-10000ppm

丙烷、丁烷、氢气

α

（R3000ppm/

R1000ppmC3H8）

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

预热时间

不少于48小时

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

（5）结构，外形

MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图3.4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。

图3.5MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形

MQ-2/MQ-2S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。

3.1.2单片机的选择

单片机作为燃气泄漏报警器的核心部件，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。

同时，在能够满足报警器设计的计算速度及接口数的要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积。

AT89C51是Atmel公司生产的一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

其中AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形如图所示，

本设计用的AT89C51是一个低功耗高性能单片机，8位数据总线，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，六个中断源，两层中断优先级，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

另外，AT89C51是以静态逻辑运行到零频率的方式设计的，并且支持两种可利用软件选择的掉电保护模式。

休眠模式停止CPU运行，但允许数据存储器、定时/计数器、串行口和中断系统继续运行。

掉电模式保存数据存储器的内容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次复位为止。

AT89C51其工作电压范围为2.7～6V（实际使用+5V供电），片内含4kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

3.1.3AT89C51单片机的基本结构

AT89C51单片机的基本结构如图所示

图3.6基本结构图

由图可见，89C51单片机主要由以下部分组成：

（1）CPU系统

8位CPU和闪烁存储器；时钟电路；总线控制逻辑。

（2）存储器系统

4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash）；128KB数据存储器（RAM）。

（3）I/O口和其他动能单元

4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；,2个全双工串行通信口；中断系统（5个中断源）