基于单片机的煤气泄漏检测报警装置设计—毕业设计
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1 基于单片机的煤气泄漏检测报警装置设计
摘 要：随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。一氧化碳是一种无色无味的气体燃料，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。所以，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。
本论文主要实现管道煤气泄露的测量与报警，系统主要以半导体气体传感器为研究对象，以单片机为核心构成一个具备数据采集、对象控制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制;程序实时监测系统状态。
关键词：气体传感器，单片机，数据采集
Abstract:With the rapid development of economy and the science
technology， people become pay more and more attention to the quality
of life and improving the environment ,and gas into the family the
use of convenience for people , but also to improve the urban
environment, but also to people with to the potential dangers,
including the risk of carbon monoxide is the most important source.
If not sealed pipes and valves , they leaked , light caused poisoning ,
caused by heavy fire , endangering people's lives and property . For
these reasons ,so it is very important for us to inspect and control
these gases well. And it is obviously very important to study on the
inspection methods and sensors of all kinds of gases.
In this paper, the main gas leak measurement and alarm systems
to the semiconductor gas sensor for the study in order to constitute
a single-chip microcomputer as the core with data acquisition, object
control, results showed that features such as data communication
2 system of integrity. Through the Virtual Lab VIEW control apparatus,
and then through computer I / O interface output; output signals drive
the corresponding driving circuits, respectively, control the alarm
light, buzzer and cut off the circuit, the realization of the gas leak
on the real-time monitoring and control; procedures real-time
monitoring of system state.
Key words: gas sensor，Single chip microcontroller, data acquisition
1 论文研究来源、目的和意义
1.1论文研究来源、目的和意义
随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。
1.2本论文主要任务
本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制，主要针对CO气体，主要实现家庭煤气检测的检测与报警。数据采集模块利用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及数据预处理；经数据处理子程序、报警子程序输出报警信号，并通过I/O接口输出;输出信号驱动相应的驱动电路，分别控制报警灯、蜂鸣器及切断电路，实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。
2煤气泄漏自动检测总体设计
2.1煤气泄漏测试的功能
在本设计中，煤气泄露测试装置的主要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警，为了提高实用性系统
3 还应该具备人机交互界面。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、输入键盘、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。
2.2煤气泄漏测试系统框图
CO传感器温度补偿运算放大A/D转换单片机预警设置数码显示参数设置通信接口上机位光电隔离接口继电器切断器排气扇
图2.1系统框图
具体技术指标如下：
应用范围：工业生产和人民生活中的CO检测；
检测对象：CO及他们的混合气体；
检测范围：CO:0～1000ppm；
检测精度：CO优于20ppm；
报警浓度：100ppm～300ppm
响应时间：≤30ms；
电池电压：+12V；
工作温度范围：-20～+70℃；
工作湿度范围：10～95%RH。
3煤气泄漏自动检测硬件设计
3.1传感器
3.1.1气体传感器介绍
气体传感器是气体与气味检测的关键元件。根据其气敏特性，气体传感
4 器可以分为六大类： 半导体气体传感器、固体电解质气体传感器、接触感染式气体传感器、电化学式气体传感器、光学式气体传感器、 高分子气体传感器。
气体传感器应满足的基本条件：能选择性地检测某种单一气体，对共存的其它气体不响应；对被测气体有较高灵敏度，能有效地检测允许范围内气体浓度；对检测信号响应速度快，重复性好；长期工作稳定性好，使用寿命长，制造成本低，使用与维护方便。
3.1.2气体传感器的选定
气体传感器是本系统检测的起点也是系统的核心和重点，选择合适的传感器成为决定系统成功的关键。
CO气体传感器属于气敏传感器，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。传感器作为煤气泄露测试装置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，传感器的选型是非常重要的。
4213CO传感器4213基本测量电路VhVCCRLVss
图3.1传感器管脚与基本测量电路图
其中2、4端为加热器的电源接线端,1、3为传感器输出端,其工作原理是把传感器置于CO气体环中,SnO2薄膜层的电阻会随着CO浓度的变化而变化,CO浓度越大,SnO2薄膜层阻值越小。图3-1（b）为取得传感器输出信号的基本电路图,Vh为加热电压,传感器电阻RS与负载电阻RL串联接到工作电压VCC两端, 由此可得关系:VRL=RL·VCC/（RL+RS）
传感器阻值RS随着CO浓度的增大而减小时,输出负载电压VRL逐渐变大,所以通过测量负载电压即可反应出被测对象的CO浓度。MGS1100型一氧化碳气体传感器的特点：测量浓度范围为0-1000PPM，测量精度为3%，分辨
5 率为1PPM，工作温度-20～70°，零点漂移为PPM<10。
3.1.3传感器非线性信号处理
在本系统中测量得到的是经传感器和采集电路变换的电压信号,为了真实地反映被测量的CO浓度值,需要将根据系统特性在测量范围内将环境浓度与采集电压之间的关系作一个误差尽可能小的标定,依据此标定关系,将测量得到的电压信号真实地转化成被测环境的CO浓度值。本系统采用分段插值法对系统测量值和目标值进行标定的。
3.2传感器输出特性曲线图
3.3传感器加温度补偿所需的加热电压曲线
3.1.4温度补偿电路
如图3-1所示为温度补偿电路，由于元件的本身特性决定了其阻值会随着周围环境温度的变化产生明显的漂移,致使测量电路的输出产生零点漂移,漂移过大会造成测量的不灵敏或过灵敏,使整机的可靠性下降。为此,我们增加了温度补偿电路,其中RT为热敏电阻,RS为传感器电阻。
6 RTRFR2R1RSRL12678AOP07VCCVout
图3.4温度补偿电路
3.2模/数转换器
3.2.1 模/数转换器的介绍
现在市场的模数转换器的种类各种各样，基本有一下几种：积分型（如TLC7135），逐次比较型（如TLC0831）,并行比较型/串并行比较型（如TLC5510）,调制型（如AD7705）,电容阵列逐次比较型，压频变换型（如AD650），逐次逼近型（如ADC0908，ADC0816）等，综合考虑其性价比及技术参数，选择ADC0809较足本系统的设计要求。
3.2.2引脚功能
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。
图3.5 ADC0809管脚图
3.2.3主要特性
8路8位A／D转换器，即分辨率8位； 具有转换起停控制端；转换时间为100μs；单个＋5V电源供电；模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；工作温度范围为-40～＋85摄氏度；低功耗，约15mW。
