1、危险气体检测和防盗报警器的设计危险气体检测和防盗报警器的设计Design of hazardous gas examination and burglar alarm 摘 要随着我国国民经济的飞速发展，人们的生活水平和生活方式都发生了很大的变化。社区已成为现在城市的重要组成单元，虽然，小区的管理越来越科学规范，但是，只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。如今，人们生活水平还是存在着很大的差异，而高端的报警往往需要接入网络，所以价格也比较贵。本设计是基于满足众多普通家庭安全需要的一款性能可靠、实用性强、灵敏度高、使用方便的危险气体检测和安全防盗装置。本设计主要由三大模块组成
2、：信号检测和处理模块、无线发射和接收模块，和显示报警模块。采用气体传感器，检测家庭中经常接触到的气体，如天然气、煤气、液化气等有害气体；防盗器采用被动式热释电红外探测器；无线发射和接收模块完成对处理信号的编码、发射、接收和解码工作，实现远距离检测的目的。报警和显示模块采用单片机控制，不仅可以精确的显示对报警位置，而且具有数字时钟的功能。本设不仅具有成本低、低功耗、性能可靠的优点，在技术上还可以利用GSM网络，实现GSM短信的智能远程报警及控制，通过手机终端接收报警短信，并且可以发送命令短信异地遥控实现各种操作。关键词： 气体传感器；红外热释电；无线发射；无线接收；单片机ABSTRACTAlon
3、g with our country national economy swift development, peoples living standard and the life style has had the very big change. The community has become now the urban important composition unit, although, the plot management is getting more and more standard and the science, but, only depends on the
4、estate management the protection is insufficient, the people cared that they live at with the property security. Now, the people living standard has this very big difference, but the high-end warning often needs to turn on the network, therefore the price is also quite expensive. In order to satisfy
5、 the numerous ordinary families the safety requirements, thus this design is based on a practical section of perform reliably, the sensitivity is high, easy to operate family alarm apparatus, use for to examine the hazardous gas and the burglar alarm.This design is mainly composed of three big modul
6、es: The signal detection and the processing module, the wireless launch and the receive module, the obviously report and the display module. Uses the gas sensor, mainly examines the gas like natural gas which, the coal gas, the liquid gas in the family may contact and so on noxious gas; Security use
7、s the passive form pyroelectric infrared acquisition aid; The wireless launch and the receive module complete to process the signal the code, the launch, the receive and the decoding work, completes the long-distance range examination the goal. The warning and the display module use the monolithic i
8、ntegrated circuit control, not can only demonstrate to the warning position, has not reported to the police when may demonstrate the clock.This design except has the cost to be low, perform reliably merit. In addition, this design technically may also use the GSM network, realizes the GSM short note
9、 intelligent long-distance warning and the control system, through handset terminal receive warning short note, and may the routing directive short note different external guidance system realize each kind of operation.Key Words：gas sensing; Piezoelectric IR; Wireless launches; Wireless receive; SCM
10、前言本课题是主要是为了满足中低收入群体家居安全的需要，设计一种功能多、性能可靠、安装方便、价格低廉的危险气体检测与防盗报警系统。现代家居生活中，对天然气、液化气的使用非常普遍，而这些气体都是易燃易爆的，由于使用不当或气体泄漏而引起的中毒和爆炸成为现在家居安全最大的隐患。保护家居安全的主要措施，就是对些有害气体进行有效的监控。本设计采用气体传感器对气体的含量进行检测，适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）的泄漏探测报警。传统的可燃性气体报警器大多是被动式现场报警，不能进行远程监控报警，也很少能主动切断气源，而本设计采用的无线发射与接收方式，实现了远程监控的功能，另外，电路板上已预留继电器
11、控制电路，用户可方便加装，报警时可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体，也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源，避免危险事件的发生。对于家居安全，人们还比较关心就是家庭财产的安全。近年来，随着我国国民经济的发展，人民的生活水平有了很大提高，人们的生活方式也发生了很大的变化，社区已成为现在城市的重要组成单元。现在很多小区都安装了智能报警系统，小区的管理也越来越科学规范，大大提高了小区的安全程度，有效保证了居民的人身财产安全。但是，只靠物业管理的保护是不够的，人们更关心自己家居和财产的安全。许多家庭使用了较为安全的防盗门，如果再配合使用一种性能灵敏可靠、经济实用的无线防盗报警器，将会更有效地保证财产安全
12、。因此，提出“无线防盗报警器”的设计任务。外部检测部分主要有：MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成运放LM339电路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分，由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。本设计的无线发射与接收采用的是315MHZ带编码(2262)的无线发射板和超再生接收模块。这样不仅可以减小电路的体积，减低电路的成本，更重要的是可以提高系统的稳定性和可靠性。显示和报警电路是采用单片机是由ATMEL公司生产的AT89S52单片机，可精确显示报警位
13、置，驱动蜂鸣器发出报警声。同时还具有时钟显功能，完全用程序控制，示充分利用了系统资源，更适合家庭使用的要求。总之，本设计是一款经济实用、性能可靠、使用方便、技术上可实现扩展的家居安全装置。1 方案拟定1.1 危险气体检测系统的方案比较气体传感器的主要性能要满足稳定性、灵敏度、选择性的要求，不同类型的气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的作用，因此，在选择气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。本设计主要针对家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置，因此根据这一标准来选择器件和设计电路。1.1.1 方案一催化燃烧式传感器催化燃烧式传感器-GQB-X SmArt Sensor：属于高温传感器，
14、其工作原理是气敏材料(如Pt电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。催化燃烧式GQB-X SmArt Sensor检测的可实现是有条件的，必须保证检测环境中包含足够的氧气，在无氧的环境下这种检测方式可能无法检测任何可燃性气体。某些含铅化合物（尤其是四乙基铅）、硫化合物、硅类、磷化合物、硫化氢和 卤代烃可能会使传感器中毒或抑制。 另外，它还有成本高、不容易扩展、安装调试复杂的缺点，因此不采用此方案。1.1.2 方案二MQ-5气体传感器MQ-5气敏元件是由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层，测量电极和加热器构成的敏感
15、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。它的主要优点是：对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，优良的抗乙醇，烟雾干扰能力、响应恢复快速、使用寿命长、稳定性好、测试电路简单，适用于家庭或工业的监测。利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号，进行放大处理。而且容易进行电路扩展，可以单独使用，也可以在小区内组网使用。本设计选用此方案。1.2 防盗报警系统的方案比较1.2.1 方案一红外线报警器红外线报警器主要在于红外线信号的发射与接收部分，由于目在市场上常用的红外线发射
16、器件和接收器件都具有频率选择性，因此要想得到较好的传输距离和稳定的性能，必须将驱动红外线发射管工作的振荡电路频率调整在红外发射器件的工作频率附近，现在大部分产品的频率为38KHz，设计该电路时，是让其555电路组成的振荡器工作在38KHz附近。至于接收电路，可以通过低通滤波，加倍压整流等措施，在有红外线信号收到时输出一个高电平信号，如果有人阻断了红外线信号，输出一个低电平信号，后续电路通过这个低电平信号启动报警。这类报警器主要存在的问题是：（1）安装时要求严格，精度要求高，有角度限制。（2）对安装场所及位置要求高，有时需要多组发射与接收对管。（3）发射与接收易受到干扰，手机、各种红外遥控器的干
17、扰，误报率高。（4）使用寿命短，监控时电源不可间断，对红外发射与接收对管的寿命影响很大。1.2.2 方案二被动式热释电红外传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。本设计采用此方案。被动红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的被动红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的,热释电元件在接收了红外辐射，温度发出变化时就会向外释放电荷。被动式热释电红外探头的优点是:（1）不需要用红外线或电磁波等发射源,本身不发任何类型的辐射。（2）灵敏度高、控制范围大。（3）隐蔽性好，可流动安装。（4）器件功耗很小
18、、价格低廉。缺点是：（1）容易受各种热源、光源干扰。（2）被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。 （3）易受射频辐射的干扰。 （4）环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，造成短时失灵1.3 发射与接收电路的方案比较1.3.1 方案一有线探测在传统的安全防范工程中，均采用有线的方式连接报警探头和防盗报警主机。本设计要求实现多点的检测，因此使用有线连接，会是线路布线复杂，成本高，使用也不方便。在实际的应用中，有线连接还受传输距离、环境、可变性等多种因素的制约，局限性很强。因此，不选用这一方案。1.3.2 方案二315MHZ无线数据发射和接收模块315MHZ无线数据发
19、射和收发模块由315MHZ无线发射器和接收器组成:数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。配有PT2262编码芯片，完成数据的编码和发射。接收模块采用的是315MHZ带PT2272解码芯片的超再生接收模块。超再生式接收机具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点，所以在实际应用中被广泛采用。接收模块采用SMD贴片工艺制造
20、生产，为超再生接收方式，它内含放大整形及解码电路，使用极为方便。传输距离比较理想，一般能达到600米以上，如果和单片机或者微机配合使用时，会受到单片机或者微机的时钟干扰，造成传输距离明显下降，一般实用距离在200米以内。因此本设计采用此方案。1.4 报警和显示电路的方案报警和显示也是体统的一个重要组成部分，报警响应的快慢直接慢影响人们对现场的发现和处理。因此对报警系统的基本要求就是要稳定可靠、快速处理信号和实现声光报警等。由于单片机强大存储和信号处理能力，完全可以实现以上要求，为此本设计采用的单片机控制显示报警。为了充分地利用单片机的资源，在显示报警的基础上，增加了体统的时钟显示功能，时钟的实
21、现完全有软件控制，可调时，不需要任何其它器件。2 系统硬件电路的设计当今社会，随着现代检测、控制和自动化技术的发展，信息采集的方法越来越多，而在所有信息的采集途径中，最普遍、最基础的，就是用传感器。传感器就好似人的“五官”（视觉、嗅觉、味觉、听觉和触觉），已成为现在多个技术领域中不可缺少的部分。传感器的种类日益增多，涉及到的范围也日益变广。2.1 系统工作原理及流程本设计的主要功能是实现气体和人体的检测与报警，由传感器和发射部分构成外部检测部分。 MQ-5气体传感器对危险气体（主要是CO、天然气、城市煤气）进行测量；热释电红外传感器LH1958完成对人体探测，检测结果分别由集成运放LM339电
22、路进行处理，对处理后的电信号进行编码无线发射出去；在接受部分，由无线接收和解码电路对信号进行解码，送给单片机进行显示和报警处理。具体流程图如图2-1所示。图2-1系统结构框图2.2 危险气体检测电路的设计 本设计主要检测的气体成分是液化气、天然气、城市煤气，这些气体是日常生活中经常接触到，而且是必不可少的东西。在家庭火灾或者中毒事件中，往往是由于煤气的使用不当，导致的煤气泄漏，而引起的煤气中毒和爆炸。本设计中，气体传感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，天然气（甲烷），煤气的监测装置。它具有优良的抗乙醇、抗烟雾干扰能力，具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度、快速的响应恢复
23、特性、长期的使用寿命和可靠的稳定性、简单的测试电路等优点。2.2.1 气体传感器MQ-5 MQ系列气体传感器属于半导体气体传感器，它的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物与半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。在工作条件下当传感器遇
24、到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。导致传感器的阻值减小。 MQ-5是MQ系列传感器的一种，它的特点是对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、 对乙醇，烟雾几乎不响应、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命、可靠的稳定性和简单的测试电路等。适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。(1) MQ-5的结构 MQ-5 气敏元件的结构和外形如图2-2所示,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
25、信号取出，2个用于提供加热电流。图2-2 MQ-5的结构和外形注释：1 气体敏感层二氧化锡 2 电极金（Au） 3 测量电极引线铂（Pt）4 加热器镍铬合金（Ni-Cr） 5 陶瓷管三氧化二铝 6 防爆网100目双层不锈钢（SUB316） 7 卡环镀镍铜材（Ni-Cu） 8 基座胶木 9 针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）设计中MQ-5的接线如图2-3所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Ro表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，通过负载电阻可获得输出信号，并可调节传感器两端的电压，负载电阻可充当传感器的保护器。为传感器选
26、择一个合适的负载电阻可补偿传感器的离散性，并发挥传感器的最佳特性。 在同样的电路，传感器配用不同的负载电阻RL（4.7K，2.0K，1K）时，在气体浓度与输出电压的斜率最大的条件下，传感器对报警浓度可获得最佳信号分辨率。使用时使用可变电阻器RL，以便于获得最佳结果。在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示： (2-1)其中：Rs：传感器电阻A：常数C:气体浓度:Rs曲线的斜率图2-3 MQ-5的等效电路（2）MQ-5的主要规格如表2-1所示MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏
27、度的调整是很重要的。应该用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。表2-1 MQ-5的主要特标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压15VAC or DCVH加热电压5.0V0.2VAC or DCRL负载电阻可调RH加热电阻313室温PH加热功耗900mW环境条件Tao使用温度-10-50Tas储存温度-20-70Rh相对湿度小于95%RhO2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灵敏度特性Rs敏感体电阻10K- 60K(1000ppm 甲烷)探测范围：300-5000ppm液化气，天然气，煤气。 (1000ppm/
28、5000ppmCH4)浓度斜率0.6标准工作条件温度：202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间不少于24小时2.2.2 四集成运放LM339 LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，典型值为2mV；（2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；（3）对比较信号源的内阻限制较宽；（4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；（6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。由于LM339
29、使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用 图2-4 LM339封装及内部结构LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输
30、出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选2-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。LM339主要应用于：单限比较器电路、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器。在本设计应用的是电压比较器电路。2.2.3 工作原理气体检测电路的原理图如图2-5所示
31、。该电路的主要功能是完成气体浓度的检测，电路中只用到一个电压比较器，即可完成对危险气体的检测。MQ-5是一个半导体气体传感器，传感器的阻值大小受外部还原气体的影响。MQ-5的B端为传感器的输出端，R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而变化。R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体的报警浓度值。调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端的电压差越大，电路的灵敏度越小。工作过程是：在待机状态下，传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度，当室内可燃性气体的浓度超过设定值时，传感器产生的电压将超过门限电压，此时现场的报警指示灯DS1点亮，报警信号经过编码处理，由无线发射模块发射给控制电路，控制电路会迅速接收到报警信号，进过解码和显示处理，最终发出声光报警。在发出报警信号的同时，经三极管控制继电器，将拍风扇打开，使可燃性气体的浓度降低，避免因可燃性气体的浓度过高引起爆炸或人员中毒。当室内的气体浓度下降到报警值以下的时候，气体传感器的阻值将发生变化，电路将恢复报警前的工作状态。 图2-5气体检测电路原理图2.2.4 气体传感器的主要性能指标 （1）稳定性稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点
