基于单片机的石化企业环境监测仪设计.docx

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基于单片机的石化企业环境监测仪设计

学号：

毕业设计说明书

基于单片机的石化企业环境监测仪设计

Petrochemicalenterpriseenvironmentalmonitoring

instrumentdesignbasedonmicrocontroller

学院计算机与电子信息学院专业测控技术与仪器班级测控08-1

学生指导教师（职称）教授）

完成时间20年3月12日至20年6月15日

专业负责人

批准日期

毕业设计任务书

院（系）：

计算机与电子信息学院专业测控技术与仪器

班级：

测控0-1班学生：

何燕珊学号：

00342

一、毕业设计课题基于单片机的石化企业环境监测仪设计

二、毕业设计工作自20年3月12日起至20年6月15日止

三、毕业设计进行地点广东石油化工学院

四、毕业设计的内容要求

一、主要内容：

系统方案设计，硬件设计，软件设计，制作调试；实现石化某些有毒气体及温湿度的检测、处理、显示、报警等。

二、要求：

查阅15篇以上参考文献，其中外文文献不少于5篇并翻译1篇。

写出开题报告，对方案进行论证，拟定设计进程；完成1篇不少于2万字的毕业设计报告，报告要写作规范、内容正确、条理分明、语言流畅、结构严谨。

图表、实验数据各种标准资料的运用和引用符合学校和学科（专业）国家标准规定。

指导教师

接受毕业设计任务开始执行日期20年3月12日

学生签名

摘要

近年来，随着国家经济的发展，在石油化工企业里，由于硫化氢气体泄漏造成重大事故的案例时有发生，而因车间温湿度问题而导致在生产及储存过程中产品受到不同程度的损坏，甚至报废的情况也越来越多，所以环境监测对石化企业来说是必需的。

因此本文设计了一款基于51系列单片机的一个便携式环境监测仪，可用于监测石化企业的环境情况。

本论文介绍了基于单片机的环境监测仪设计方案，阐述了系统结构、硬件设计和软件设计。

该便携式环境监测仪具有体积小、成本低、工作可靠等特点，可以实现对环境温湿度和硫化氢浓度的监测、显示、报警功能，可提醒工作人员得知现场环境的温湿度是否符合规范和硫化氢气体浓度是否超限，使工作人员可及时采取处理措施，便可有效地防止了事故的发生。

关键词：

单片机硫化氢气体温湿度环境监测仪

Abstract

Inrecentyears,withourcountrydevelopmentoftheeconomy,inthepetrochemicalenterprises,manyseriousaccidentscausedbyhydrogensulfideleakageoftenoccur.Moreandmoreproductssubjecttodifferentdegreesofdamage,andevenscrappedintheprocessofproductionandstorage.Soenvironmentalmonitoringisrequiredforpetrochemicalenterprises.Therefore,Idesignedaportableenvironmentalmonitoringinstrumentbasedon51seriesmicrocontroller,itcanbeusedformonitoringenvironmentalconditionsofthepetrochemicalenterprises.

Thisdesignintroducesthedesignofmicrocontroller-basedenvironmentalmonitoringinstrumentonthesystemarchitecture,hardwareandsoftwaredesign.Thisportableenvironmentmonitoringinstrumentissmall,cheapandreliable．Itcanachievedetect,display　andalarmaboutenvironmentaltemperature,humidityandthehydrogensulfideconcentration.Itcanalertthestaffinformedwhetherenvironmentaltemperatureandhumidityisinlinewiththespecification,andwhetherthehydrogensulfideconcentrationisoverrun.Sothatstaffcantaketimelymeasuresandeffectivelypreventaccidents.

Keywords:

microcontrollerhydrogensulfidegastemperatureandhumidity　environmentalmonitoringinstrument

第一章绪论

1.1设计的背景及意义

随着我国经济的发展，在石油、化工、天然气等工业生产过程中，有毒性气体的泄露是普遍存在的，而且是十分危险的，它可能导致错误操作、损坏设备、污染环境、甚至造成人员的中毒死亡。

近年来因有毒气体泄漏造成重大环境污染事故的案例时有发生，给社会经济和人们生命财产带来重大损失。

另一方面，现代社会越来越多的实验都要求在严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，也是对实验影响较大的因素，因此在生产过程中对于环境温度和湿度的控制要求也越来越高。

这说明了人们对环境保护的越来越重视，所以应在生产现场需要设置环境监测仪，及时检测并发出报警信号，以便采取措施，防止事故发生。

1.1.1石油石化企业对环境监测仪的需求

从我国产业发展看，“十一五”期间，我国石油、化工业将遵照基地化、大型化、一体化的方向，优化发展基础化工原料，积极发展精细化工，淘汰高污染化工企业。

这些规划的大型石油石化项目也大量使用相关的环境监测仪，尤其是高性能的、更具优势的网络环境监测系统。

国内石油石化产品需求保持稳步增长的同时，对石油石化产品的质里、品种等也将提出更多和更高的要求。

组成原油的主要元素是碳、氢、硫、氮、氧，并且含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中需尽量除去。

这就使生产加工过程中一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等毒性气体和苯、酸、酮等有机蒸汽大量产生，对生产安全、环境保护造成威胁。

目前普遍采用气体检测分析的方法予以控制，在石油生产中对可燃气体的泄漏检测、对氦、氧等环境气体的监控也需要使用环境监测系统。

而各类油气站，对可燃气体、一氧化碳、二氧化硫、硫化氢等毒性气体和苯、酸、酮等蒸汽检测的气体检测器需求也很大，主要用于安全防护，防止中毒与爆炸事故。

随着石油资源的日益紧张，煤化工作为我国中长期能源发展战略的重点，必将在今后的长期发展中占据重要的地位。

我国规划投资逾1万亿元发展煤化工产业，计划在全国打造七大煤化工产业区。

在工业路线中无论是炼焦工业、煤基甲酸、煤制合成油、煤化工等都对气体报警产品有广泛的需求，尤其是对二氧化硫、硫化氨、一氧化碳、氯气、氨气等气体传感器需求量非常大[1]。

现代社会由于车间温湿度问题而导致在生产及储存过程中产品受到不同程度的损坏，甚至报废的情况越来越多。

防潮、防霉、防腐、防爆是石油企业日常工作的重要内容，是衡量生产管理质量的重要指标，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作的可靠性。

另外，越来越多的实验都要求在非常严格的环境条件下完成，而温度和湿度是实验室最基本的环境条件，其中几乎所有的实验室都需要对环境温度和湿度进行控制，也是对实验影响较大的因素。

为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强企业环境的温度和湿度的监测工作。

因此在石化企业里对于环境温度和湿度的控制要求也越来越高。

1.1.2设计的目的与意义

随着石油、化工行业的发展，工业用易燃易爆和有毒气体的种类和应用范围都有了较大程度的增加，同时随着新能源的不断开发和利用，特别是液化气和天然气的普及，有毒气体也与人民群众的日常生活密切相关。

这些气体在生产、运输、和使用过程中一旦发生泄漏，将会引发中毒事故，严重危害人民群众的生命。

对石化工业来说，硫是石油中最主要、含量最大的非烃元素，硫化氢存在于石油开采、炼制加工的各个环节，发生中毒的可能性和普遍性远高于其它行业。

据中石化总公司《石油化工硫化氢中毒典型事故汇编》统计，1958~1993年，石化总公司共发生硫化氢中毒典型事故27起，死亡37人。

其中茂名炼油厂3起，死亡3人。

从1958年至1993年的典型事故统计情况来看，硫化氢中毒事故的发生次数及死亡人数均呈上升的趋势。

1958~1969年发生了4起事故，死亡3人；1970~1981年发生了9起事故，死亡9人；1982~1993年发生了14起事故，死亡25人[2]。

石化工厂对待这类事情是决不能松懈。

其中人对硫化氢的嗅觉个体差异很大，其感知的浓度范围远低于引起危害的浓度。

低浓度硫化氢可被敏感地发觉，浓度超过0.2mg/m3后，其臭鸡蛋味与浓度升高呈正比；浓度超过30~40mg/m3，继续增高时反觉其臭味减弱；浓度达200~300mg/m3时，因嗅觉疲劳或嗅神经麻痹而不能察觉硫化氢的存在；浓度在375~750mg/m3时，接触0.5~1.0h可发生肺水肿和中枢神经系统症状，以致意识丧失，甚至呼吸衰竭；1000mg/m3吸入数秒可发生猝死[3]。

硫化氢是一种窒息性和刺激性气体，急性中毒可累及中枢神经系统、呼吸系统、心肝等多器官系统。

最敏感的组织是黏膜暴露和需氧较多的呼吸系统和脑组织。

为了减轻硫化氢气体对人与社会造成伤害，必须加强对石化企业的硫化氢气体浓度的监测。

随着科技的发展，工厂的生产车间的建设规模不断扩大，检测标准的不断更新，以及实验设备的日新月异，对于环境温湿度的控制要求也越来越严格。

由于车间温过高而导致生产车间爆炸的事故时有发生，另外由于湿度过高而使产品受到不同程度的损坏，甚至报废的情况也越来越多。

因此对石化企业温湿度的检测显得非常重要。

为了及时可靠的探测空气中有毒气体的含量和监测车间温湿度是否符合生产规范，人们开始大量使用环境监测仪，以防止环境问题对人们造成伤害。

为此，本文设计一种用单片机控制的石化企业环境监测仪，是用于监测石化企业的生产、储存、运输等环节的环境，并显示出环境温湿度和硫化氢气体浓度，并在温湿度超出上下限值和硫化氢气体浓度高于限制值时能做出报警提醒功能的系统。

它具有结构简单、价格低廉、易于操作、性能稳定性等特点。

它利用8051系列单片机的强大功能和可扩充性为后盾，可以实现对前端环境监测的各种实时、有效、多功能地控制操作，非常适合石化企业用于环境监测。

1.2与课题相关的设计的现状

对于石化企业环境监测仪的设计，现在国内外都在研究如何提高环境监测仪的灵敏度及准确度的方法。

现代互联网信息技术也成为环境监测的一个重要技术，发挥这不可替代的重要作用，它将各类信息通过互联网传递给总监测人员，使其可多方面、多点地监测各车间的环境状况，环境监测仪在不断的改进与发展。

1.2.1国内的环境监测仪设计现状

现在国内的一些工厂生产的高端环境监测仪都采用智能型的报警系统，该系统能自动监测是否有毒气泄漏和温湿度是否符合生产规范，并且能通过网络实现远程报警。

该系统的一般的工作原理：

一旦由信号检测电路检测到有毒气体信号，就将此信号传送到单片机，由单片机启动电阀门工作，启动扬声器以通知在场的人，并且由信号检测电路启动排气扇工作。

在此延时一段后，如果泄漏仍然严重，单片机启动铃流检测电路检测此时该用户的电话是否空闲，如果忙则延时一段后再检测，直到话机空闲，然后由单片机控制模拟摘挂机电路、DTMF发送电路拨通预先设置好的被叫用户，当双音频检测电路检测到被叫用户应答后，由语音电路发出报警语音信号到电话网，以实现远程报警[4]。

一般的环境监测仪都是用简单的控制芯片来设计，这样可以把成本控制在一定的范围内，然而也有部分公司设计的环境监测系统是使用了PC机作为控制平台,利用Rsview32组态软件包建立一个有效的监视及管理系统,完成现场温湿度及有毒气体浓度数据显示、现场位置确定、数据库建立、数据查询、数据分析、统计、打印等操作。

全方位智能型环境监测系统具有报警限设定、声光报警、现场浓度动态显示、误差自动校正功能,而且具有自动打开排风设备、按键开启阀门的功能[5]。

1.2.2国外的环境监测仪设计现状

随着计算机的发展技术，测量技术和无线通信技术，这些传统的手工监测计划正逐步被取代电子监控设备。

国外在环境监测仪大部分都采用了智能型的报警系统，该环境监测系统一般都通过网络实现全方位、多点监测及管理，同样具有国内的监测系统所具有的功能，可以实现现场温湿度及有毒气体浓度数据显示、现场位置确定、数据库建立、数据查询、数据处理、报警限设定、声光报警、现场浓度动态显示等功能。

某些环境监测系统主要通过远程监控技术，新兴的低成本的无线通信技术，结合嵌入式软件的协议，实现实时嵌入式系统的网络通信，访问远程工作站如图形用户界面（GUI）的服务，文件I/O活动，视频，音频等。

它主要是为了通过先进的传感器，无线电台，通信等领域的硬件开发接口，监测和分析传感器数据[6]。

还有一些环境监测仪是一种无线的监控系统，不仅可以通过网络全方位控制，还可以减少有线网络的成本和避免复杂的网络布线。

无线传感器网络是一个新兴的技术数的应用潜力。

这样的环境监测仪可更有效地利用能源，气候控制[7,8]。

除此之外，国外设计的环境监测仪还增加了很多功能和具有很好的灵敏度、准确度。

其中在监测有毒气体性能方面，现在的检测仪使用了气体传感器阵列电子鼻系统，可以检测多种气体[9]，但要避免不同气体相互影响，因此造成成本的增加。

另外在气敏传感器的选择上，现在国外主要选择红外传感器，相对于气敏传感器，红外传感器可解决半导体和催化元件的不足。

红外气体传感器的原理是利用比耳－朗格红外吸收定律，即不同气体对特定波长的光有吸收，吸收的强度和气体的浓度成正比。

传感器包括红外光源发射和红外光线接收两部分以及外围处理电路，传感器分对射式和反射式两种工作方式。

另外，非色散红外传感器改变了传统红外检测器的结构，它不再使用单独的光学部件，也没有单独的发射和接收部分，大大缩小了检测仪的体积。

非色散红外传感器除保持了稳定性、抗干扰性和长寿命等优点外，其独特的结构还避免了粉尘对检测的影响[10]。

空气温度，风的速度和方向、空气湿度，属于最重要的环境气象要素。

因此国外一些环境监测仪增加了风速风向的监测，即增加了风向和风速传感器，风速是基于上光电原则，可通过检测风扇的频率振动再加以处理得到。

因此可全方面监测环境状况，使人们更好地监测及管理现场的环境[11]。

1.3设计方案及其比较

通常的基于单片机的石化企业环境监测仪的硬件电路主要包括检测电路、报警电路、显示电路等部分组成，并且实现如果当被测气体中有毒气体浓度比报警电路设置的值大时，驱动报警电路发出声、光报警信号。

本设计方案的不同主要体现在检测模块与显示模块的不同。

1.3.1气体检测模块设计方案比较

从检测原理上分为半导体式、催化燃烧式、热导式、光谱吸收、PID式（光离子化）等。

考察一个传感器性能的好坏主意是看它产生的响应信号所显示的各种参数指标，如灵敏度、准确性、选择性、测量范围、响应时间、温度系数、低电流和噪声、使用寿命以及对工作环境的要求等。

本设计采用的硫化氢电化学传感器型号为7H2S-50，特性指标：

正常检测范围是0-50ppm，灵敏度为0.37±0.07μA/ppm，底电流（20℃）：

＜±0.4μA，基线漂移（-20~50℃）：

相当于0~0.5ppmH2S，分辨率为0.25ppm，响应时间（T90）小于30秒，线性度为线性，长期稳定性小于2%信号值/月。

工作条件：

工作温度为-20~50oC，工作湿度为15~90%RH（无冷凝），工作压力为91~111kPa，偏压为0mV，储存时间为6个月（RAE专用包装盒中），储存温度为0~20℃，使用寿命为2年，质保期为交货后12个月。

对于低浓度气体的检测，灵敏度、选择性、低电流和噪声等是一些比较重要的指标。

（1）灵敏度：

灵敏度是电化学传感器的一个重要性能指标，一些特殊行业如室内空气检测，海关检查走私、违禁物品（药品，炸药或其它易燃易爆品）时，要求能检测ppb、ppt级甚至更低检测下限物质浓度。

电化学传感器的灵敏度以下多种因素的影响：

a、待测物在检测系统中的传质速度；b、电化学活性（包括电极材料，电极的物理性状和工作时的电极电位）；c、反应过程中每摩尔物质传递的电流；d、待测物在电解液中的溶解性和流动性；e、工作电极产生的噪声信号大小；f、传感器的几何形状和样品进入的方法。

将以上几种因素进行最优化组合，可使传感器得到最大的灵敏度技术指标。

（2）选择性：

从本质上讲，研究影响传感器选择的因素主要应从两方面考虑，即系统的热力学和动力学角度。

从热力学角度考虑，例如在被测气和干扰气共存条件下检测被测气体，可选择适当的工作电极电位，在该电位下被测气体发生反应而干扰气体，使其不发生反应。

从动力学角度考虑，以硫化氢气体传感器为例，硫化氢在Pt、Au电极上反应都很快，但由于CO在Au电极上的反应速度比在Pt电极上反应要慢103—106倍，所以，在硫化氢气体和CO气体共存的环境中，用Au电极检测硫化氢气体就可以获得很好的选择性。

因此，传感器工作时的电极电位和电催化剂的选择直接影响传感器的选择性。

除此之外，选择合适的电解液和操作方法，外加过滤器或有选择性透过的膜也可以提高传感器的选择性。

（3）响应时间：

在安全检测过程中，要求传感器能对环境成分（尤其是有毒气体）做出快速反应，以确保生命和财产安全。

多数情况下，气体传感器的响应时间都由经验共识给出。

定电位电解型气体传感器的响应时间在很大程度上取决于工作电极与参考电极间的电阻。

即溶液电阻。

另外，气室的体积和电机反应速率也有很大的影响。

（4）底电流和噪声：

噪声与底电流的存在都会对传感器的灵敏度产生不利的影响。

如果能大幅度的降低底电流和噪声，传感器的灵敏度将显著的提高。

通常情况下，电流型气体传感器的底电流的产生主要有以下几种原因：

a、电解液或电极上的杂质，如微量的溶解氧或金属离子；b、电极的腐蚀，即在阳极电势范围内，贵金属电极催化剂表面缓慢生成氧化层；c、反应物或对应电极上的反应物的扩散。

1.3.2显示模块的设计方案比较

通常的气体检测仪器的显示屏有两种类型，分别是液晶显示与数码管显示，它们都有各自的优缺点。

液晶显示材料优点有：

驱动电压低、功耗微小、可靠性高、显示信息量大、彩色显示、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，具体有以下优点：

（1）显示质量高：

由于液晶显示器的每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新亮点。

因此，液晶显示器的画质高而且绝对不会闪烁，把眼睛疲劳降到最低。

（2）没有电磁辐射：

传统显示器的显示材料是荧光粉，通过电子束撞击荧光粉而显示，电子束在打到荧光粉上的一刹那间会产生强大的电磁辐射，尽管目前有许多显示器产品在处理辐射问题上进行了比较有效的处理，尽可能地把辐射量降到最低，但要彻底消除是困难的。

相对来说，液晶显示器在防止辐射方面具有先天的优势，因为它根本就不存在辐射。

在电磁波的防范方面，液晶显示器也有自己独特的优势，它采用了严格的密封技术将来自驱动电路的少量电磁波封闭在显示器中，而普通显示器为了散发热量的需要，必须尽可能地让内部的电路与空气接触，这样内部电路产生的电磁波也就大量地向外“泄漏”了。

（3）可视面积大：

对于相同尺寸的显示器来说，液晶显示器的可视面积要更大一些。

液晶显示器的可视面积跟它的对角线尺寸相同。

阴极射线管显示器显像管前面板四周有一英寸左右的边框不能用于显示。

（4）画面效果好：

与传统显示器相比，液晶显示器使用纯平面的玻璃板，其显示效果是平面直角的，让人有一种耳目一新的感觉。

而且液晶显示器更容易在小面积屏幕上实现高分辨率。

（5）数字式接口：

液晶显示器都是数字式的，不像阴极射线管彩显采用模拟接口。

也就是说，使用液晶显示器，显卡再也不需要像往常那样把数字信号转化成模拟信号再行输出了。

理论上，这会使色彩和定位都更加准确完美。

（6）“身材”匀称小巧：

传统的阴极射线管显示器，后面总是拖着一个笨重的射线管。

液晶显示器突破了这一限制，给人一种全新的感觉。

传统显示器是通过电子枪发射电子束到屏幕，因而显像管的管颈不能做得很短，当屏幕增加时也必然增大整个显示器的体积。

而液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示目的，即使屏幕加大，它的体积也不会成正比的增加，而且在重量上比同等显示面积的传统显示器要轻得多。

（7）功率消耗小：

传统的显示器内部由许多电路组成，这些电路驱动着阴极射线显像管工作时，需要消耗很大的功率，而且随着体积的不断增大，其内部电路消耗的功率肯定也会随之增大。

相比而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比传统显示器也要小得多。

LED数码管显示，它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。

LED数码管显示与LCD显示相比，LED在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。

LED与LCD的功耗比大约为10：

1，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160°的视角，可以显示各种文字、数字、彩色图像及动画信息，也可以播放电视、录像、VCD、DVD等彩色视频信号，多幅显示屏还可以进行联网播出。

有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。

综合分析，本设计选用了液晶显示屏，由于本设计是为了设计便于携带的一种环境监测仪，其电源是由两节电池提供，所以需要用功耗比较低的显示屏，相对于数码管显示，液晶显示屏驱动电压低、功耗微小、无闪烁、对人体无危害、生产过程自动化、成本低廉等都更具优势，更适合设计。

1.4本论文的内容

1.4.1本设计简要介绍

本文设计一种基于单片机的石化企业环境监测仪，具有结构简单、价格低廉、易于操作等特点。

它利用8051系列单片机的强大功能和可扩充性为后盾，可以实现对石化企业前端环境监测，可有效实时监测环境中温湿度和硫化氢气体浓度，能够实时显示环境中的温湿度和硫化氢气体浓度，当检测到环境中温湿度超出所限制的范围内或硫化氢气体浓度超限时，监测仪自带的蜂鸣器发出报警提示和LED报警提示，有利于提醒工作人员现场的环境情况，有效地防止了各种损失及事故的发生。

1.4.2本论文的内容结构

第一章绪论，介绍该课题的研究背景，说明研究的目的与意义，并对该课题相关设计现状分析及对不同方案做出说明和比较，最后简述了本论文的内容与结构。

第二章主要介绍了本设计当中用到的相关知识和原理，需要达到的技术指标，然后简述了设计时需要注意的技术问题。