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南阳理工学院本科生毕业设计（论文）学院（系）：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学生：袁俊南指导教师：张利娜完成日期 2012 年 5 月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计Design of Smart Monitoring System Based on Touch Screen for Natural Gas Pressure Regulating Station总计： 17页表格： 3个插图：15幅南阳理工学院本科毕业设计（论文）基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计Design of Smart Monitoring System Based on T ouch Screen for Natural Gas Pressure Regulating Station学院（系）：电子与电气工程学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：袁俊南学号：097108067指导教师（职称）：张利娜（讲师）评阅教师：完成日期：南阳理工学院Nanyang Institute of Technology基于触摸屏的天然气调压站智能监控系统设计电气工程及其自动化专业袁俊南[摘要]该设计主要是关于天然气调压站的工作原理及由西门子公司开发的S7-200PLC芯片和HITECH触摸屏实现的智能监控系统设计。
系统通过实时监测调压站关键部位的压力、压差、阀位和流量等主要参数，在友好的触摸屏人机界面上及时反映天然气调压站的实际工作状况，并作用于执行机构进行实时调整，确保供气系统安全、稳定及高效运行。
研究了如何实现友好人机界面的设计，并设计主菜单、数据显示、动作控制、时间设置和参数设置等界面。
而且系统可以通过本地触摸屏和远程网络两种方式进行实时监控，并为上位机预留了标准的Modbus通信接口，便于系统远程网络化控制和管理。
[关键词]触摸屏；可编程序逻辑控制器；监控系统；天然气调压；人机界面Design of the Monitoring System Based on Natural Gas RegulatorStation Smart T ouch ScreenElectrical Engineering and Automation Specialty YUAN Jun-nanAbstract：The design is implemented on the working principle of the natural gas regulator station and developed by Siemens S7-200PLC chip and Hitachi touch screen intelligent monitoring system. The main parameters of the system by real-time monitoring of pressure regulating stations for key parts of the pressure , differential pressure , valve position and flow reflect the actual working condition of the natural gas regulator station in time for the friendly touch screen interface , and the role of real-time adjustments to the implementing agencies to ensure safe, stable and efficient operation of the gas supply system . Examining how to achieve a friendly man-machine interface design , and design of the main menu , the data show that the motion control, time setting and parameter setting interface . And the system can be two ways for the local touch screen and remote network for real-time monitoring and reserved for the host computer with standard Modbus communications interfaces for remote network control and management .Key words: Touch screen; PLC; monitoring system; natural gas regulator; man-machine inter目录1 引言 (1)1.1 课题背景以及意义 (1)1.2 天然气调压站智能监控系统的国内外研究现状 (1)2.2 天然气调压站智能监控系统的主要硬件组成部分 (2)2.3 监控系统各个部件的连接设置 (4)2.3.1 通信电缆的制作 (4)2.3.2 电脑与触摸屏的连接 (5)2.3.3 触摸屏与PLC连接 (5)3 天然气调压站智能监控系统的软件系统设计 (6)3.1 西门子S7-200 PLC芯片的I/O端口分配 (7)3.2 智能监控系统触摸屏操作界面设计 (7)3.2.1 选择编译软件ADP6.0 (7)3.2.2 触摸屏界面的设计方法 (7)3.2.2 系统的操作界面具体设计 (8)3.2.3 人机界面的总体功能结构 (9)3.2.4 主要功能界面设计 (9)3.3 S7-200 PLC芯片通信协议（MODBUS协议） (13)3.3.1 MODBUS协议应用（主从模式） (13)3.3.2 MODBUS协议概述 (13)3.3.3 通信协议设置 (13)4 主要的抗干扰措施 (14)4.1 抑制电源系统引入的干扰 (14)4.2 正确选择接地点，完善接地系统 (15)4.3 触摸屏的抗干扰措施 (15)结束语 (16)参考文献 (17)致谢 (18)1 引言1.1 课题背景以及意义天然气调压站是城市天然气输送系统的核心之一，而天然气调压站智能监控系统是天然气调压站的重要组成部分。
天然气监控系统技术方案（2）天然气监控系统技术方案1）、认证服务器：认证服务器也就是资源管理数据库服务器，它是整个视频管理平台的核心，主要包括其他各个服务器的登录认证，各前端设备和用户的接入认证等，有专门的一个配置管理中心程序进行配置管理，可以在同一台机器上，也可以在其他机器上进行远程配置管理。
有了认证服务器，其优势如下：（1）、网络安全性提高外界通过平台访问设备，首先访问的是认证服务器，只有通过认证服务器认为是合法用户后，才能根据其相应权限转到相应的流媒体服务器或设备。
（2）、设备便于管理如果需要添加删除前端网络设备的话，只需要通过配置管理中心在认证服务器中添加或删除就可以了，其他都不需要改动，各个用户根据自己的权限，自然就可以看到或看不到新增加的设备。
（3）、用户便于管理如果想增加一个用户，删除一个用户或者更改一个用户的权限或密码，只需要通过配置管理中心在认证服务器中直接更改就可以了，不会涉及到其他操作，即使原有用户离职，本套系统还是非常安全。
2）、流媒体服务器流媒体服务器具有转发和存储功能，它主要负责转发前端合法的设备给合法的网络用户，它还具有组播功能，就是把前端的同一路图像分成几份，转发给多个用户，不会增加前端设备到中心的带宽。
如果需要的话，还可以实时存储。
3）、报警服务器报警服务器是用于接收、管理、转发前端设备发送过来的开关量报警或移动侦测报警信号的，通过报警服务器的设置，可以分配各个用户接收、处理报警信息的权限，设置接收到报警信息之后的联动功能，例如：当接收到一个报警信号后，可以将相应的现场画面弹出到指定的一个或多个用户的客户端窗口，同时可以启动报警声音，启动备份录像，打开现场灯光等操作；值班人员双击报警信息，便可以显示出预先设置好的防区信息，包括报警等级、紧急预案、相关负责人的联系电话等，方便值班人员迅速作出反应。
4）、客户端软件：兴安达集中管理平台客户端软件分为三个模块：一个是用户浏览前端图像，同时也可以远程监听、远程监看、远程录像、远程回放、远程控制、远程配置管理、接收或上报报警信息、打开电子地图等功能比较全的客户端软件，最多可以同时显示100个画面；还有一个是专门用于接收报警的客户端软件，平时不浏览前端图像，只是前端有报警的时候，弹出报警画面，启动报警声音等；另外一个就是电子地图客户端，用于报警的时候，弹出电子地图，显示监控点的实际位置。
天然气压缩机物联网监控系统的实现随着新能源产业的发展与节能减排的需求，天然气的使用已成为未来能源的一个主要方向。
天然气压缩机作为天然气应用的主要设备，其应用也随之急剧增长。
由于天然气压缩机种类繁多、结构与功能复杂，其故障排查与维修也复杂。
目前，主要采用人工定期检修、现场检测的方法对CNG压缩机进行事后故障排查;由于其分布广泛、数量众多，采用事后人工现场排查故障的方式，费时费力，维护成本高;且事后排查故障存在较大的滞后，给用户带来不便，造成一定的经济损失。
实时监控天然气压缩机的运行状态、工况参数，及时进行修正，可以避免造成不必要的损失;根据压缩机的运行记录，提前预估其故障，也降低维护成本;记录历史运行数据与报警信息，方便分析故障、可提高设备故障诊断与维修的效率。
因此，研究天然气压缩机物联网监控系统具有重大意义。
近年，无线传感、物联网技术的发展和应用已成为热点，本文通过GPRS无线方式把分布广泛的压缩机连接到互联网上，研究并实现了天然气压缩机的物联网监控系统，为天然气压缩机的在线检测、安全运行、智能故障诊断提供了可靠的技术保证。
1、系统网络架构CNG压缩机物联网监控系统网络构架如图1所示。
系统由设备监控网、VPN局域网、移动Net、INTERNET四大网络组成。
多台CNG压缩机组成设备监控网，各设备监控网通过其主监控器对网内的压缩机进行实时监控，把各压缩机的实时运行工况、状态参数等数据信息进行管理和控制。
现场的设备监控主机以无线方式连接到移动NET中，并通过移动NET的物理链路链接到NETINTERNET上。
对于现场中分布的单台压缩机则可不经过设备监控网直接经移动NET连接INTERNET.建立链接后，每一个设备监控网(或压缩机设备)在NETINTERNET 上具有惟一的IP地址。
远程的监控计算机根据该IP地址，通过VPN局域网与INTERNET进行数据交换，实现远程压缩机的数据访问和控制。
CNG压缩机物联网监控系统从数据与信息处理角度划分，可分为设备监控层、数据传输层、存储分析层、展示与管理层4个层级。
1天然气压力监控系统的概念设计本课题设计的天然气压力监控系统是通过调节天然气压力储气罐进气管道的流量使存气罐中的压力稳定在200Pa-800Pa之间，从而能使天然气通过储气罐的出气管稳定的供给给用户使用。
在压力值大于上限值或者小于下线值时，系统能发出声光报警并控制步进电机转动实现自动监控，同时也有人性化的人工手动控制。
2天然气压力监控系统总体方案设计此天然气压力监控系统来来源于生产实际，设计要求既满足用户要求又使系统简单、经济、稳定、可靠。
本课题打算分四个模块进行解决：压力数据采集与存储模块、数据显示模块、声光报警与步进电机驱动模块、人工控制模块。
系统硬件电路原理框图如下：系统硬件电路原理框图本系统中，通过扩散硅压力传感器将压力非电量转换为微弱的电信号，通过信号放大电路，将微弱的电信号转化为A/D能转化的阈值，使输入的模拟信号的电压为0-5V，压力传感器的量程为0-1000MPa。
然后将模拟信号转化成数字信号传送给8051单片机进行数据的处理；通过比较设定在8051单片机内的上、下限压力值参数，来决定是否应启动相应的报警与控制程序。
当前压力值超过设定的上限值时，系统会进行声光报警，并控制步进电机转动使天然气储气罐进气管的阀口关小，从而达到自动调节储气罐中压力的目的。
整个过程中的压力值变化会通过LED显示屏显示出来，便于记录与生产管理。
软件方面，我们使用汇编语言对8051单片机进行程序设计，用Proteus 搭建仿真系统，用Keil C51进行程序汇编。
分为压力数据采集与存储模块、数据显示模块、声光报警与步进电机驱动模块、人工控制模块、这四大模块进行编写。
除了实现所要求的控制功能外，还要进行数据转换，即将所采集到的数据转换为十进制数（BCD码）进行显示，符合人们所使用十进制数的习惯，同时还要将压力值参数换成二进制数，便于8051单片机处理。
电路设计根据总体方案设计，本监控系统的硬件电路可划为：数据采集功能模块、数据显示功能模块、声光报警模块、步进电机驱动模块以及电路图五个部分。
天然气管网压力远程智能控制系统作者：胡心舟王伟来源：《电子技术与软件工程》2015年第18期本文探讨了一种应用于实际系统的天然气管网压力远程智能控制系统。
论文阐述了该系统的组成特点，工作原理和流程，给出该系统的控制效果分析，证明了此控制系统和控制器在面对下游用气突增，天然气压力流量变化的情况下能够避免失压超流，保障天然气管网用气的稳定性和可靠性，防止PID调节的波动影响，增强了系统的鲁棒性与控制系统的相对稳定性。
【关键词】远程天然气压力控制远程调压控制器1 引言目前我国城市天然气的调峰的方式可分为以下几种：（1）备用气源 LNG（Liquefied Natural Gas）、CNG（Compressed Natural Gas）等，在深圳燃气梅林LNG站，南通大众燃气开发区LNG站等就属于备用气源应急调峰站。
备用气源的优点是调峰灵活，应对用气量突增，可以迅速的进行LNG的气化供应，防止因天然气的用量上升导致的管网压力下降而导致对居民和工业用户生产生活造成影响。
备用气源的缺点是先期建设投资较大，需要有上游稳定的（LNG、CNG等）供应保证储备。
并且，由于是用作备用应急调峰的气源，所以储备有限不能应对较长时间天然气供应紧张的情况。
（2）利用地下储气，天津燃气通过开挖大型的地下储气井，其他或利用天然的山体洞穴进行储气，但存在的问题和备用气源一样，并且安全性和天然气存储的压力等级受储气井和洞穴的条件限制不能很高，所以地下储气的使用范围不是很广泛且局限性很大。
（3）建设高压储罐，利用球罐将用气低谷时的天然气通过压缩机将气体充入球罐中。
其特点要占用大量的场地以保证安全，由于使用了压缩机升压耗费大量的能源和人力以及维护成本，目前这种方式也逐渐被人们舍弃。
（4）使用管道储气，这种方式如今被越来越多的燃气公司和管网公司所接收和使用。
其特点是利用长距离管道自身的管容储气使得场地费用节省、设备费用节省、建设费用节省、人力投入节省、维护费用节省。
0 前言天然气的普及改变了我们的生活方式，提高了我们的生活质量。
现如今，天然气已成为人们生活必须品之一，它给我们带来方便的同时，发生在身边的天然气泄漏事故也越来越频繁，我们的安全保障已极度下降。
设想如果能即使检测天然气是否泄露，那么人们的家庭安全将会有极大的保障，所以天燃气报警系统的研究已经是一个必然趋势[1]。
单片机作为检验天然气泄漏的一种重要主控器件，有其明显的优点，主要表现在检测的易实现性，易实时控制性和高精度性，因此，单片机在家具智能化进程中将会发挥极大的作用[2]。
目前我国在很多科技领域都达到国际领先水平，可以预见，未来报警系统的发展也一定会大步向前。
在这种情况下研究基于单片机的天燃气报警系统具有很大的意义，这将会间接促进我国在家居智能化领域竞争力的逐步提高[3]。
1 总体方案设计本文主要阐述了基于单片机的天燃气报警系统的理论以及设计。
系统使用STC89C52单片机作为主控芯片，通过MQ-4气体传感器探测空气中的天然气气体浓度，并转变为与之相应的电信号，同时作为模拟量传输进入A|D转还模块ADC0832，将电信号转换为数字信号传输进入单片机系统中，单片机通过处理器的的线性处理，最终在数码管上显示相对应的气体浓度，并且与此同时单片机会判断输入进的当前气体浓度是否超过设置的安全值，如果低于设定值，不产生动作，如果气体浓度高于设定安全值，则驱动告警模块，提醒用户采取相应措施[5]。
本文将设计方案主要分为两部分。
一部分是硬件电路的实现,主要包括单片机控制模块，电源模块、传感器模块、A/ D转换模块、声光报警模块、数码管显示模块，声光报警模块；另外一部分是软件的实现，主要包括主程序，各个分块程序等方面。
2 硬件系统设计2.1 单片机主控模块设计本系统使用STC89C52单片机作为主控芯片，它相比一般单片机有运行功耗低、性能高等优点。
can be developed to realize the intellectualization of the natural gas alarm system, the probability of domestic fire accidents can be greatly reduced. According to the principle of single chip microcomputer and sensor theory, this paper puts forward a design of natural gas alarm system based on single chip microcomputer. It takes single chip microcomputer as the control core, and achieves the goal of buzzer alarm by analyzing the data transmitted back by gas sensor and temperature sensor modules. The easy realization, high precision and the application of adaptive theory of gas sensor and temperature sensor to test natural gas make the alarm more accurate to detect and alarm. Through theoretical research and simulation demonstration, it is proved that this alarm can achieve the purpose of detection and alarm well, but further discussion and research are needed to achieve practical application.Keywords: gas sensor and temperature sensor; natural gas alarm system; single chip microcomputer图2 ADC0832顶视图本系统计采用的是ADC0832芯片是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。
摘要随着社会的进步，科技的发展，人们的生活水平得到了提升，天然气煤气逐渐进入我们的家庭，它给我们带来方便的同时也带给了我们危害。
一旦发生大面积泄露，处置不及时就可能引发大爆炸，给我们的生命财产安全带来威胁。
因此对燃气的检测和报警是一项必要的工作。
怎样防止燃气中毒与爆炸也已成为人们的迫切需要！本系统设计以80C51单片机为控制核心，利用传感器对环境中气体的浓度进行检测，通过A\D转换芯片将检测到的气体浓度值转换为由二进制表示的单片机能够识别的数字信号。
单片机对数字信号进行处理和判断，如果气体浓度超过预设值则由声光报警系统进行报警。
该设计充分利用了单片机电路简单，价格低廉，可靠性好等优点对该系统进行实时控制，利用其编程简单，系统运行速度快等优点使系统在性能、精确度和灵敏度等方面得到了一定的提升。
关键词：51单片机，传感器，A\D转换，声光报警系统IABSTRACTWith the progress of society, the development of science and technology, people's living standard has been improved, natural gas and coal gas gradually into our family, it brings us convenience but also bring us harm. Once large area leakage, untimely disposal can cause big bang, to our life and property security threats. The gas detection and alarm is a necessary work. How to prevent gas poisoning and explosion has become the urgent need of the people!The system design based on 80C51MCU as the control core, using the sensor in gas concentration detection, through the A \ D conversion chip will detect gas concentration value conversion from binary representation of the one-chip computer can identify the digital signal. Single chip digital signal processing and judgment, if the gas concentration exceeds a preset value by the sound and light alarm system for alarm.The design makes full use of the computer has the advantages of simple circuit, low cost, good reliability of the system for real-time control, using the simple programming, system running speed in the performance of the system, the system accuracy sensitivity has been certain promotion.Key Words: 51 MCU, sensor,A / D conversion,sound and light alarm systemII目录1 引言 (1)2 元件选取 (2)2.1单片机 (2)2.1.1 单片机的选型 (2)2.1.2 80C51系列单片机的基本组成 (2)2.1.3单片机中断响应的结构与控制 (3)2.1.4单片机复位电路介绍 (4)2.1.5单片机延时系统介绍 (4)2.2烟雾传感器 (5)2.2.1 烟雾传感器的选型 (5)2.2.2 气体传感器介绍 (5)2.3 A\D转换芯片 (6)2.3.1 A\D转换芯片的选择 (6)2.3.2 A\D转换的器件介绍 (7)3 系统硬件设计 (9)3.1 系统整体结构设计 (9)3.2 系统各部分电路设计 (9)3.2.1 电源模块 (9)3.2.2 声光报警系统模块 (10)3.2.3 控制电路 (11)3.2.4 A\D转换电路 (12)3.2.5 烟雾传感器的连接电路 (13)3.3 系统整体电路 (13)4 系统软件设计 (14)4.1程序编写模块 (14)4.2 主程序流程图 (14)4.3 中断原理 (15)III4.4 定时器原理 (16)5.结论与不足 (18)参考文献 (19)致谢 (20)IV1 引言随着社会的进步，煤气天然气已成为人们日常生活中不可或缺的资源，但它给我们带来方便的同时也给我们带来了危害。
毕业设计说明书基于51单片机的可燃气体检测设计办学单位：班级：学生：指导教师：提交日期：2014年12月日摘要随着城市煤气、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在不断增加，这些易燃易爆气体在生产和使用过程中，一旦发生泄露将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故。
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，可燃气体监测报警器正广泛地应用在这些领域中。
可燃气体探测报警器是预防易燃易爆气体在生产和使用过程中发生泄露的报警装置。
为了防止这类事故的发生，装设可燃气体监测报警器是非常必要的，可以及时发现事故隐患，及早采取补救措施。
本论文主要阐述了可燃气体监测报警器的软件和硬件设计。
鉴于单片机AT89C51具有高集成度等优点，开发设计了一种基于AT89C51的可燃气体报警器，为了提高系统的灵敏度和准确性，系统采用了一种十分稳定的传感器MQ-2。
该报警器对可燃气体进行实时控制，当可燃气体的浓度超过允许值时，控制电路进行报警,设计的可燃气体监测报警器具有性能稳定，测量准确等优点.本设计的可燃性气体报警、控制器可以检测空气中以烷类及一氧化碳气体为主的多种可燃性气体的浓度，实时显示浓度值，当达到预先设定的上限报警设定值时，发出声音报警和控制信号，以提示操作人员采取安全对策或自动控制相关安全装置。
该报警器可以实时、准确检测可燃性气体，并且可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景。
关键词：报警器；传感器；单片机；蜂鸣器AbstractWith the city gas, natural gas utilities and the chemical industry is developing rapidly, flammable, explosive gas type and range of applications is increasing, the flammable and explosive gases in the process of production and use, in the event of leakage will be caused by poisoning, fires, explosions and other major incidents. People of the importance of safety in production and the production of technical means to continuously improve, the combustible gas alarm monitoring is widely used in these areas. Combustible gas alarm monitoring is the prevention of explosive gas in the production and use of the leakage occurred during the alarm. In order to prevent the occurrence of such incidents, the installation of combustible gas alarm monitoring is essential to the timely detection of potential causes of accidents and take remedial measures.This paper elaborated on combustible gas alarm monitoring software and hardware design. Carbon monoxide alarm is designed based on AT89C51 with a high level of integration. In order to improve sensitivity and accuracy ,the electrochemical sensor is used. The carbon monoxide alarm is monitored on for real - time, when permitted vale of the concentration of carbon monoxide is exceeded,the control circuit will alarm, and it is program - controlled through external row fans and solenoid valve with . that this method is designed to monitor combustible gas alarm has a stable performance, accurate measurement.Combustible gas alarm instrument designed detects alkyl combustible gas and carbon monoxide especially, and displays concentration on the instrument. When combustible gas reaches alarm threshold value, the instrument sends out sound and light alarm, The combustible gas alarm instrument has got past the test on the spot andgot a satisfying result.Key words: alarm; sensor; single-chip;buzzer目录1.1 课题背景和意义 (5)2 可燃气探测报警器的方案设计 (7) (7)2.1.1 方案一 (7) (8)2.1.4 方案比较及选择 (9)2.2 气体传感器的选型 (9)2.2.2 MQ-2传感器简介 (11)2.3 可燃气体探测报警控制器的总体设计 (13)2.3.1 系统总体结构设计 (13)2.3.2 系统的工作流程 (14)3.3 ADC0832模数转换电路 (20)4.1 主程序设计流程 (26)主流程图 (27)4.2 A/D转换子程序设计 (28)4.2.1 A/D转换控制流程图 (28)4.2.2 A/D转换控制程序设计流程图 (28)4.3 显示子程序的设计 (29)4.3.1 液晶与单片机的接口电路控制流程图 (29)4.3.2 液晶与单片机的接口电路控制程序设计流程图 (29)4.4 报警子程序的设计 (30)4.4.1 报警电路控制流程 (30)4.4.2 报警电路控制程序设计流程图 (30)1 绪论1.1 课题背景和意义随着我国改革开放的不断深入，工业化的发展，人类的生活水平在不断地提高。
编号：本科毕业设计基于单片机的室内天然气浓度检测系统设计院系：信息工程学院姓名：***学号：**********专业：通信工程年级：2009级指导教师：***职称：副教授完成日期：2013年5月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。
天然气作为一种清洁型能源进入家庭得到广泛使用为人们的生活带来了方便，但同时也带来了潜在的危险，天然气在使用过程中，若管道和阀门密封不好，一旦泄漏出去极易爆炸，危及人们的生命财产安全。
鉴于这些原因，对于天然气的检测与控制就变得异常重要了，研究天然气浓度的检测报警与控制也随之成为一个重要课题。
本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的天然气泄漏报警系统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、智能化的气体报警系统，具有一定的实用价值。
本设计主要实现家庭天然气泄漏的检测与报警，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、结果显示等功能的完整系统。
该系统分别控制报警灯、蜂鸣器及开启排风扇和切断电磁阀，实现对天然气泄漏的实时监测及控制，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AbstractWith the rapid development of economy and the science technology, people pay more and more attention to the quality of life and the improvement of living environment . Natural gas are widely used in our daily life and brings convenience for people’s lives as a cleaner fuel, but also brings people with the potential dangers. If not sealed pipes and valves, they leaked,easily caused by fire，endangering people's lives and property . For the reason，so it is very important for us to inspect and control these natural gas well. And it is obviously very important to study on the inspection methods and sensors of all kinds of gases.This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. 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 system of integrity. The system control the alarm light，buzzer and cut off the electromagnetic valve , the realization of the natural 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目录1 绪论 (1)1.1 研究背景、目的和意义 (1)1.1.1 研究的目的和意义 (1)1.1.2 国内外情况及其发展趋势 (1)1.2 天然气检测报警系统的简介 (2)1.3 本设计主要任务 (2)2 天然气浓度检测系统的总体设计 (4)2.1 设计要求 (4)2.1.1 方案的选择 (4)2.1.2 天然气泄漏报警系统的功能 (4)2.1.3 系统总体方案设计 (4)2.2 气体传感器的选型 (5)2.2.1 气体传感器介绍 (5)2.2.2 气体传感器的选定 (7)3 天然气检测报警系统的硬件设计............................................. 错误!未定义书签。
§3．3基于8051的天然气压力监控系统的方案实现3.3.1系统的总体硬件电路设计根据总体方案设计,本监控系统的硬件电路可划分为：数据采集功能模块、键盘扫描与数字显示功能模块、声光报警 / 功能模块、步进电机驱动功能模块四个部分，下面分别对每个模块进行简单介绍：(1) 数据采集功能模块经过比较筛选，压力传感器采用扩散硅压力传感器，在信号的调理电路中，采用仪表放大电路，进行共模干扰、温漂、零漂等的抑制，保证采集数据的精度与可靠度，具体内容请详见3.3.3。
模数转换模块采用AD0809，将信号预处理电路传送过来的调理信号进行模数转换，再传送至CPU进行各种处理与控制。
(1)键盘扫描与数字显示功能模块配置键盘的目的是为了便于设置系统上、下限压力参数。
每当按下一个按健的时候，将在LED数码管的第一位进行显示，同时也在LCD上显示，以防止按健错误。
在此系统中由于要实现ROM等存储器的扩展、键盘扫描、六位LED的显示等功能，如不进行I/O接口的扩展的话，可能硬件资源不够用，所以采用8155芯片进行I/O接口的扩展。
其中，利用8155的A口分时作为LED的位选信号和键盘扫描的扫描信号线；B口中两位作为74LS164的数据与时钟输入端口，数据作为LED 的段选信号；C口作为扫描信号的返回输入线，来进行按键的间断与识别。
具体内容请详见3.3.4为了便于设置的压力参数及整个系统运行状况的显示，采用LCD液晶显示屏来进行显示。
这里采用122×32模块，相对现在用得较多的164×32来说，虽然其编程稍微复杂，但价格便宜。
具体内容请详见3.3.5(3) 声光报警功能模块声光报警电路采用用LM386驱动的蜂鸣器及发光二极管，单调输出某一频率的报警声，避免采用音乐报警以防止外界各种铃声的干扰。
具体内容请详见3.3.6(4) 步进电机驱动功能模块步进电机的主要功能是根据存储罐中压力状况，来进行正反转自动控制。
当存储罐中的压力低于设定的下限时，步进电机进行反转，控制 / 阀门关小；当存储罐中的压力高于设定的上限时，步进电机进行正转，控制阀门开大，以实现自动调节储气罐中的压力使之达到正常压力范围之内的目的。
步进电机采用四相双四拍的驱动方式。
具体内容请详见3.3.7系统的总体硬件电路原理图请详见附录三。
3.3.2数据采集1．数据采集技术将生产过程中由传感器获得的模拟量(温度、压力、流量等)转变为数字信号，再传输到计算机中做进一步处理的过程称为数据采集。
数据采集技术综合了传感器技术、信号采集与转换技术、计算机接口技术；应用数据采集技术能迅速地对各种工艺参数进行采集，为计算机控制提供必需的信息，从而实现对过程的连续自动控制。
图3-13所示为一个典型的计算机单机数据采集系统的结构框图。
由图可知，计算机数据采集系统由传感器、模拟多路开关、程控放大器、采样保持器、A/D 转换器、计算机及外设等部分组成。
其中传感器部分的作用是将各种测量物理量，如温度、压力、位移等非电量转换为电信号，以做后续处理；模拟多路开关部分的作用是对多路模拟量信号进行分时采集，即轮流切换接通与A/D 转换器间的连接，实现分时转换；放大器部分的作用是将来自各通道的较弱和较大差异的模拟量信号采用不同的放大倍数进行放大以充分利用A/D 转换器的满量程分辨率，即放大器的放大倍数可以实时控制改变，实现程控放大；采样/保持器部分的作用是在一定时间内A/D 转换器输入端的模拟信号电压保持不变，这段时间是进行一次A/D 转换所需要的；接口电路部分的作用是将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传送到计算机的总线上。
定时与逻辑控制电路的作用就是按照各个器件的工作次序产生各种时序信号，而逻辑控制电路是依据时序信号产生各种逻辑控制信号，以保证系统的工作秩序和精度。
图3-13 单机数据采集系统结构框图计算机单机数据采集系统具有系统结构简单，容易实现，对环境要求不高，成本低，便于使用和维修等特点。
模拟信号传感模拟信号传感 数字信号传感开关信号传感定时与逻辑控制电路 接口模拟量多路开关采样保持器 A/D 转换器 CPU 外设 程控 放大 …上位机通信接口数据采集站数据采集站数据采集站模拟信号和数字信号/图3-14 所示为集散型数据采集系统的结构框图。
它由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路组成。
集散型数据采集系统的主要特点是系统的适应能力强，可靠性高，实时响应性好，抗干扰能力强，对系统硬件的要求不高。
2．传感器接口电路传感器接口电路位于传感器元件输出端与模拟多路开关之间，起着信号预处理的连接作用。
传感器接口电路的选择是根据传感器的输出信号特点及用途确定，即不同的传感器具有不同的输出信号。
传感器的输出信号具有以下3普遍特点：A．信号一般较弱；B．其输出阻抗一般比较高，这样会使传感器信号输入到测量电路时，会产生较大的信号衰减；C．传感器的输出量会受到温度的影响，有温度系数存在。
传感器的信号处理由相应的接口电路实现，表3-3 列出了典型传感器接口电路及其功能。
表3-3 典型传感器接口电路及功能接口电路：信号预处理的功能：放大电路将微弱信号放大电流电压转换电路将传感器输出电流转换为电压电桥电路将传感器的电阻、电容、电感转换为电流或电压频率电压转换电路将输出的频率信号转换为电压电荷放大电路将电场型传感器产生的电荷转换为电压滤波电路通过低通及带通滤波器消除传感器的噪声成分下面就电桥电路中的误差补偿、放大电路中的差分放大、仪表放大电路及滤波电路作详细介绍：（一）误差补偿直流电桥在应用过程中常出现误差，消除误差通常采用补偿法，其中包括零点平衡补偿、 / 温度补偿和非线性补偿。
（1）零点平衡补偿图3-15给出了两种平衡补偿电路，(a)为串联补偿，调节补偿电阻p R 可使电桥达到平衡状态。
图(b)为并联补偿，其中电阻5R 、6R 、p R 的作用是使零点调节变得平稳。
R1R4R3R2U0U Rp R1R4R3R2U0U R5Rp R6(a) 串联补偿 (b)并联补偿图3-15 补偿电路（2）温度补偿电桥的温度补偿一般采用热敏电阻并联补偿方法，如图所示。
其中T R 为热敏电阻，1r 和4r 为温度系数较小的电阻。
4r 的阻值为：()141T T r R r R r += (3-1) R1R4R3R2U0URt r1图3-16 热敏电阻温度补偿电路 （3）非线性补偿电桥的非线性相对误差可由下式确定，即:000100OL OLU U u U r -⨯= (3-2) 式中 0U —电桥实际输出电压，V ；OL U —电桥理想输出电压，V 。
当电桥的相对非线性误差满足不了测试要求时，须予以消除。
通常采用差动电桥来消除非线性误差。
图3-19给出了应变片式传感器的差动电桥，其中图3-17(a)为半桥差动电桥，半桥差动中的两个应变片在传感器受力时，一个受拉应力，一个受压应力，它们的阻值变化大小相等，符号相反，在电路中，它们接在电桥的相邻桥臂内，这种桥路结构是传感器常用的桥路形式，在对称的情况下，即 12R R =，34R R =，12R R ∆∆=，则它的输出电压简化为：1012U R U R ∆⨯= (3-3) R1+R4-R3R2U0U R1+R4-R3+R2-U0U(a)半桥差动电桥电路 (b)全桥差动电桥电路图3-17 差动电桥电路图3-17(b)为全桥差动电桥电路，全桥差动电路的四个应变片中，有两个受拉力，两个受压力。
将两个变 /dafa888yulecheng/ 形符号相同的应变片接在电桥的相对应的桥臂内，符号不同的接在相信的桥臂内 /kelakeyulechang/ 。
全桥差动电桥墩的输出电压为：By-gnksguybb 1012UR U R ∆⨯= (3-4)（二）放大电路放大电路主要用来将传感器输出的直流信号或交流信号进行放大处理，为数据采集系统提供高精度的模拟输入信号，对检测精度起着关键作用。
目前数据采集系统都采用运算放大器来构成放大电路，包括反相放大器、同相放大器、差动放大器、电荷放大器、仪表放大电路等。
本监控系统在信号调理电路中采用的是仪表放大电路,下面将重点介绍差动放大电路及仪表放大电路:(1) 差动放大电路图3-18为差动放大电路的基本放大电路。
图3-18 差动放大器的基本电路两个输入信号1U 和 2U 分别经1R 2R 输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压0U 则经反馈到反相输入端。
电路中要求12R R = 3F R R = 差动放大器的输出电压为：)(0211F R U U U R =- (3-5)差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。
共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零。
在差动放大器中温度的变化和电源电压的波动，都相当于共模信号，因此能被差动放大器所抑制，可使差动放大器零点漂移最小。
来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。
(2) 仪表放大电路仪表放大电路的结构如图3-19所示，整个测量电路由三个二级运放组成，其中第一级是A1和A2两个同相放大器，第二级A3为普通差动放大器。
当放大电路输入电桥产生的检测信号经A1和A2放大后，它们的输出电压将作为差动输入信号给A3进行放大。
图3-19 应变电桥配接的放大电路放大电路的输出电压U0为：6204121R R U U R R ⎡⎤⎛⎫=-+⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦(3-5) 为了增强抗直流共模干扰信号能力，要求差动放大器A3中的四个电阻4567R R R R ===。
在实际应用中，常在7R 支路串联一个电位器，通过调节电位器，可在A1和A2输出相等时使输出电压0U 为零。
此外，由于电桥电路和放大电路之间采用电缆进行连接，还必须考虑抑制交流共模干扰信号的问题。
在实际设计中，应优先选用集成芯片式测量放大器，有利于解决共模干扰问题，例如可以选择AD531和AD522单片集成测量放大器。
（三）滤波电路按照频谱分析的观点，任何信号都是一些不同幅度和不同频率的正弦信号的组合。
在仪表的输入信号中，除了有用的频率成分之外，往往不可避免地含有一些无用的统称为噪声成分。
滤波器的功能是利用其频率特性来保留有用的频率成分，削弱或消除无用的频率成分，它是仪表信号调理电路中的重要组成部分，依据其作用的不同，可分为低通、高通、带通和带阻等不同滤波器。
而对于一般传感器而言，其输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，它只允许低频信号通过，而不能通过高频信号。
图3-20 一阶低通滤波电路图3-20为一阶RC 有源低通滤波电路，滤波电路接入运算放大器的同相输入端。
