可燃气体测试系统设计.docx

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可燃气体测试系统设计

可燃气体测试系统设计

专业：

电子信息科学与技术

班级：

2006级1班

姓名：

夏德军

引言3

1可燃气体报警器6

1.1国内可燃气体报警器现状6

1.2目前家庭煤气使用的现状7

1.3论文主要工作概述8

1.4论文研究的意义8

2可燃气体测试系统的硬件设计9

2.1芯片的简单概述9

2.1.1Protel99绘图软件介绍9

2.1.2AT89C51单片机的介绍13

2.1.3LM324集成运放19

2.2各部分电路模块设计22

2.2.1气敏传感器电路22

2.2.2控制电路23

2.2.3时钟电路24

2.2.4复位电路25

2.2.5显示电路26

3可燃气体测试系统的软件设计27

3.1A/D转换部分设计27

4运行结果与分析29

5可燃气体测试系统的应用30

结论32

致谢34

参考文献35

附录1源程序清单37

附录2电路原理图39

摘要

随着现代科技的进步，可燃气体的应用越来越广，在人民的生产生活中的地位也越来高。

与传统燃料相比，可燃气体具有可再生、燃烧充分、污染小、热量高、价格低廉等优点，已经成为居民生活和工业领域的重要热源。

但其致命的缺点是极易泄露，一旦泄露就可能会对人民的生命财产造成巨大的威胁。

所以是否能够准确可靠的检测可燃气体的浓度成为可燃气体能够广泛使用的前提。

报警器要针对家庭当中使用的煤气来设计报警的，通过对传感器对甲烷浓度的检测采集，当甲烷浓度打到爆炸极限的时候，报警器发出警报声，提醒报警器用户对其煤气的泄露进行应急的处理，避免人身伤亡和爆炸事故。

本设计充分利用了AT89C51单片机的丰富资源，将检测、控制技术，通过对煤气中的甲烷的浓度进行监测，当浓度达到爆炸下限时发出报警声，提醒用户做适当的应急处理，避免不必要的爆炸事故和人身财产的损失，保障家庭煤气的使用安全。

因此，在充分利用现有科技的基础上，研制一种操作简单、功能强大、体积小、可靠性高且成本低廉的家庭煤气报警报警控制系统具有十分重要的意义。

关键词：

可燃气体；报警器;甲烷；爆炸

Abstract

Withthedevelopmentofmoderntechnological,flammablegasarewidelyused,thestatusinpeople'sproductionandlivingbecomeshigherandhigher.Comparedwithconventionalfuels,combustiblegashastheadvantagesofrenewable,combustion,lesspollution,high-calorieandlow-cost,ithasbecomeanimportantheatsourceinpeople`slifeandindustry.Butitsfatalweaknessiseasilycompromised,ifdisclosed,itmaycausehugethreatentopeople`sliveandproperty.Therefore,thepossibilityofaccurateandreliabledetectionofcombustiblegasesintocombustiblegascanbewidelyusedinthepremise.Alarmamongthefamiliestouseforthedesignofgasalarm,sensorbydetectingtheconcentrationofmethane,whentheexplosionlimitofmethaneconcentration,alarmssoundanalarmtoremindalarmuserstoconducttheirgasleakemergencytreatment,toavoidpersonalinjury,deathandexplosions.

ThedesignmakesfulluseoftherichresourcesofAT89C51microcontroller,thedetection,controltechnology,throughtheconcentrationofmethanegasinthemonitoring,whentheconcentrationreachesthelowerlimitofexplosive,alarmsoundtoalerttheusertomaketheappropriateemergencytreatment,avoidingunnecessaryexplosionandpersonalpropertylosses,safeguardthesafeuseofhouseholdgas.Therefore,basedonmakingfulluseofexistingtechnology,thedevelopmentofasimple,powerful,smallsize,highreliabilityandlowcostfamilygasalarmcontrolsystemisofgreatsignificance.

Keywords:

flammablegas；alarm；methane；explosion

引言

气体报警器在社会中有着广泛的应用，特别是在炼油厂、化工厂、油库、矿厂、加油站等众多具有可燃性气体泄漏可能的作业环境中更是一种必备的仪器。

在这些特殊的环境里，若泄露的可燃性气体未被及时发现，从而使气体浓度不断增加，当达到一定的爆炸极限时，则随时可能发生火灾甚至是爆炸等恶性事故，给社会和个人带来巨大的财产损失，甚至造成人员伤亡。

国内外在这方面的报道可谓不胜枚举。

同时随着人们生活水平的提高，液化气、家庭用人工煤气的使用也变得越来越普遍，它确实给人们的生活带来了很大的方便，随着人们生活水平的提高，液化气的使用也变得越来越普遍，它确实给人们带来了很大的方便，但也给人们的安全带来了一定的威胁，家庭煤气中毒事件屡有发生。

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，可燃气体检测报警系统是预防易燃易爆气体在生产和使用过程中发生泄漏的报警装置。

在人们对安全生产的重视程度和生产技术手段不断提高的同时，可燃气体检测报警系统正广泛地应用在这些领域中。

装设可燃气体检测报警系统，可以及时发现事故隐患，及早采取补救措施。

在生活、工业上排放的气体种类、数量都日益曾多。

可燃气体产品广泛应用于燃气、石油、化工、消防、冶金、电力、、矿井等存在易燃、易爆、毒性气体的危险场所。

还可测量气体浓度，可燃气体报警器能够快速准确地检测出周围气体中可燃气体的含量，并且在达到危险浓度时发出声光报警。

对人们的安全提供了保障。

目前探测人工煤气泄漏报警器都是以测量氢为主的旁热式传感器。

其缺点是：

（1）抗干扰性差。

遇水蒸气、油烟、酒精气及烟雾都会引起报警，造成误报。

若带有执行机构，作饭期间常会被熄火，误报更会使人产生“狼来了"的感觉，使用效果极不理想。

（2）寿命短，理论寿命只有半年。

大部分旁热元件都是用SiO2为基质，需稳定在300℃的条件下对气体有反应，而SiO2的比表面积在300℃的情况下，随着时间的推移比表面积在减小。

这就是为什么报警器的报警点要漂移的原因之一。

（3）抗高浓度冲击的能力差。

在正常工作的情况下，用户为了检验一下报警器是否处于正常工作，常常拿打火机测试报警器。

火机喷出的气体浓度达几万ppm以上，浓度非常高，会使传感器的敏感层产生钝化，报警点产生漂移。

这是报警器产生漏报的又一原因。

（4）抗高温湿环境差，特别是在南方的湿热天气下，报警器极易产生误报。

针对上述原因，本设计最主要的任务就是尽量的减少报警器的误报。

首先，在硬件方面选择一个质量出色的气体浓度探测器。

一个好的气体浓度探测器是整个报警器相对来说准确的第一保证。

本设计选择了性能较好的CH4传感器AT89C51，该传感器具有较高的稳定度，线性度好等优点。

其次，由于空气中各种气体的浓度是随时变化的。

就本设计探测的甲烷（CH4）来说，在空气中也占有着一定的浓度，这样就会对报警器进行干扰，如果直接将电路一段接地，无疑会使报警器的误报几率大大上升，那么一个调零电路就必不可少。

这样就会滤除掉毫无威胁的空气中甲烷的浓度变化，在电路设计方面也就一定程度上的控制了错误报警的产生。

最后，软件程序方面，通过软件滤波的方法，将过滤掉检测的过大值和过小值，使检测结果更加准确。

1可燃气体报警器

1.1国内可燃气体报警器现状

在冶金、石油、化工、石化、煤炭工业等行业的生产中，工业现场存在着因为可燃性气体泄漏而发生爆炸的隐患，因此对工业现场的可燃性气体进行检测是关系到生命安全和生产安全的重要安全问题。

日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。

美国目前己有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装一氧化碳报警器。

报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统；有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。

结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。

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，美国1996-2002年气体传感器年均增长率为（27-30）%。

气体报警器在社会中有着广泛的应用，特别是在炼油厂、化工厂、油库、矿厂、加油站等众多具有可燃性气体泄漏可能的作业环境中更是一种必备的仪器。

在这些特殊的环境里，若泄露的可燃性气体未被及时发现，从而使气体浓度不断增加，当达到一定的爆炸极限时则随时可能发生火灾甚至是爆炸等恶性事故，给社会和个人带来巨大的损失。

国内外在这方面的报道可谓不胜枚举。

同时随着人们生活水平的提高，液化气的使用也变得越来越普遍，它确实给人们带来了很大的方便，但也给人们的安全带来了一定的威胁，家庭煤气中毒事件屡有发生。

为了减少甚至避免这些恶性事故的发生，一方面需要加强安全防范意识，另一个重要的方面就是要有一个先进且可靠的安全检测报警仪器，严密检测环境中的可燃性气体的浓度，一旦发现事故隐患，及时并准确的进行报警，从而采取一系列有效的措施，避免事故的发生。

由于气体本身存在的扩散性，可燃性气体一旦发生泄漏，在外部风力和内部浓度梯度的作用下，气体会沿逐渐扩散，从而扩大危害区域。

因此，只有及时可靠地探测空气中某些气体的含量，才能及时采取有效措施进行补救。

可燃性气体报警器在工业生产的实际应用中往往需要对工业现场的某个区域的可燃气体浓度进行多点监测，而且有时还要求报警器不仅能够在工业现场发出声光报警做出安全保护动作，还要求报警器能够接入工业网络，方便进行远程监控。

目前得到广泛应用的可燃气体检测设备大都是一种固定的连续测量环境中可燃气体浓度，并输出4-20mA标准模拟信号仪表，它可以直接与DCS，PLC以及数据采集等系统相连接，但不符合仪表数字化网络化的发展趋势，不能直接应用于目前发展较快的新型现场总线控制系统。

1.2目前家庭煤气使用的现状

当前，随着生活水平不断的提高，煤气与天然气进入到的大众的日常生活之中，由于操作不当造成的不良后果一直都威胁着人们的生命，特别是针对煤气与天然气的检测和报警系统仍旧存在着隐患，每年由于每天燃气的泄露造成的特大事故依然很多。

煤气与天然气是一种无色无味的气体，主要成份是甲烷（CH4），密度为0.716kg/m3，对人体的危害是超时限能引起人窒息死亡。

在家庭使用当中，如果因为操作不当造成煤气泄露，达到爆炸极限的时候，会让人窒息死亡，遇到明火就会发生爆炸事故，给人们的生活安全造成了巨大的威胁

。

1.3论文主要工作概述

针对国内外的发展情况，可见家庭煤气报警器是我国未来家庭生活中必不可少的。

本课题要设计的气报警器与传统的煤气报警器相比，具有更高的灵敏度和抗干扰性。

本文所介绍的系统，是利用单片机，对前端CH4的浓度数据采集，当气体浓度达到报警界限时，报警器发出警报声，提醒报警器用户对其煤气的泄露进行应急的处理，避免人身伤亡和爆炸事故。

本课题的总体思路：

以AT89C51单片机为核心的前端煤气检测部分对CH4传感器的信号进行检测和控制，当煤气浓度达到报警浓度时，首先通过蜂鸣器进行本地报警。

本设计要解决的主要问题：

首先要解决的问题是CH4传感器灵敏度和误报问题，主要包括：

CH4传感器的选择上、软件滤波的方法实现过滤掉检测的过大值和过小值；

1.4论文研究的意义

本设计充分利用了AT89C51单片机的丰富资源，将检测、控制技术，通过对煤气中的甲烷的感应来在爆炸下限时发出报警声，提醒用户做适当的应急处理，避免不必要的爆炸事故和人身财产的损失，保障家庭煤气的使用安全。

因此，在充分利用现有科技的基础上，研制一种操作简单、功能强大、体积小、可靠性高且成本低廉的家庭煤气报警报警控制系统具有十分重要的意义。

2可燃气体测试系统的硬件设计

2.1芯片的简单概述

2.1.1Protel99绘图软件介绍

Protel99SE是Protel公司近10年来致力于Windows平台开发的最新结晶，能实现从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。

因而今天的Protel最新产品已不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。

最新版本的Protel软件可以毫无障碍地读Orcad、Pads、Accel（PCAD）等知名EDA公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA平台。

　　Protel99SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。

以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：

　　可生成30多种格式的电气连接网络表；

　　强大的全局编辑功能；

　　在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；

 　同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络

 　既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；

　　满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）；*方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE3f5）；

　　支持用CUPL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件；*PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；

　　强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；

　　智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；

　　提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；

　　放置汉字功能；

　　可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；

　　智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；

　　方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；

　　独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；

　　强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；

　　经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；

　　反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；

　　专家导航帮您解决信号完整性问题

2.1.2AT89C51单片机的介绍

AT89C51单片机的机构：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁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。

主要特性：

　　与MCS-51兼容

　　4K字节可编程闪烁存储器

　　寿命：

1000写/擦循环

　　数据保留时间：

10年

　　全静态工作：

0Hz-24MHz

　　三级程序存储器锁定

　　128×8位内部RAM

　　32可编程I/O线

　　两个16位定时器/计数器

　　5个中断源

　　可编程串行通道

低功耗的闲置和掉电模式

　片内振荡器和时钟电路

外形及引脚排列如图所示：

图1AT89C51外形及引脚排列

AT89C51单片机管脚说明：

VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口（P1.0～P1.7）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口（P2.0～P2.7）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口（P3.0～P3.7）：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（记时器1外部输入）

　　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

　　XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

　　此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

　　串口通讯：

单片机的结构和特殊寄存器，这是你编写软件的关键。

至于串口通信需要用到那些特殊功能寄存器呢，它们是SCON，TCON，TMOD，SCON等，各代表什么含义呢？

　　SBUF数据缓冲寄存器这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。

有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？

而不是收发各用一个寄存器。

”实际上SBUF包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址－99H。

CPU在读SBUF时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。

发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。

操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfrSBUF=0x99;当然你也可以用其它的名称。

通常在标准的reg51.h或at89x51.h等头文件中已对其做了定义，只要用#include引用就可以了。