煤气泄漏自动检测报警控制系统.doc
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1、煤气泄露自动检测系统摘 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,其中一氧化碳是最重要的危险源。一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中,若管道和阀门密封不好,它们泄露出去,轻者引起中毒,重者导致火灾,危及人们的生命财产。由于这些因素,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。本论文重要实现管道煤气泄露的测量与报警,系统重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有数据采集、对象控制、结果显
2、示、数据通信等功能的完整系统。通过虚拟仪器Lab VIEW进行控制之后,再通过计算机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,继电器 目录摘 要I目录II前言1第1章 绪论31.1论文研究来源、目的和意义31.1.1 论文研究来源31.1.2 论文研究目的和意义31.2可燃性气体报警器的国内外现状51.3本论文重要任务6第2章煤气泄露自动测试总体设计72.1设计规定72.1.1煤气泄露测试的功能72.1.2煤气泄露测试的各个功能模块82.2设计原理82.2.1气体传感器介绍
3、82.2.2气体传感器的选定102.3数据解决112.3.1传感器非线性信号解决11第3章煤气泄露自动测试硬件设计123.1单片机AT89C51的概述173.1.1 AT89C51简介173.1.2重要性能参数183.1.3管脚说明193.2 报警与控制223.2.1声报警单元223.3排气扇控制系统233.3.1继电器选择23第4章 部分软件程序254.1主程序25结论32参考文献33附录 I35附录II36前言随着科学技术的进步和社会经济的发展,从工农业生产的各个领域到人们家庭生活的各个方面,人们直接或间接接触各种有毒有害气体的机会大大增长,由此而引起的中毒,火灾和爆炸事故屡见不鲜,严重威
4、胁到人们的生命和财产安全,成为一种新的社会公害。因此对环境气体进行检测和分析技术的研究日益受到人们的重视。传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法,尽管其测量精度很高,但操作手续繁杂,实验周期长,无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测,而气体传感器则满足这种规定,并且在人们平常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用。目前世界各大强国都把传感器技术列为国家发展的重点技术,国防现代化、工业生产过程自动化、家庭电器化都与传感器的发展休戚相关,今天的传感器技术已渗透到国民经济的各个领域,日益突出它的重要作用。集成化、多功能化、智能化、加工技术微精细化、指
5、标高精度化和性能高稳定、高可靠化已经成为人们开发和研究传感器的重要方向。泄漏检测报警系统被广泛的应用于各个领域,如石油化工公司、石油运送管线、城市自来水地下管线、锅炉炉管、发动机箱体、缸盖等各种领域。泄漏检测技术在管道检测之中的应用得到了很好的发展。对于管道的泄漏检测要满足以下几个规定:1.准确可靠地判断泄漏的发生,并可以在较短的时间内判断出泄漏点具体的位置。2.准确可靠地判断泄漏限度,能对较小量的泄漏做出判断。3.检测原理简朴,易于操作和维护。第1章 绪论1.1论文研究来源、目的和意义1.1.1 论文研究来源随着科技的发展,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平常生活中。但是可
6、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成爆炸极限后,一旦有火源作用,便会引起燃烧、爆炸等事故,导致严重的经济损失,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,采用有效措施,避免事故发生,才干保证工业安全和家庭生活安全。因此,研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.1.2 论文研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等1。这些气体重要具有烷类、烃类
7、、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分,易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中,如违反操作规程和设备密封不好,都有也许发生可燃气体泄漏现象,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产导致损失。可燃性气体检测报警装置是可以检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏也许的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项,它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场合,应设立可燃性气体浓度检测报警装置”。20
8、23年12月,国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2023)可燃气体探测器,2023年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2023,研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体,并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道,使用人口约达二亿人,煤气发生基地及中转站也达几千家。假如这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算,可燃性气体检测报警器的需求量就达2023万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视限度的提高,这个数字会继续增长。近十年来,农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2023年终,全国沼气池数量已达近1300万座
9、,这就为检测沼气(重要成分是甲烷)浓度的仪器提供了市场。可见,可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.2可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器,且发展迅速,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规定提高;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。据有关记录,美国1996年2023年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高,传感器日益小型化、集成度不断增大,使得气体检测仪器的体积也逐渐变小,提高了气体检测仪器的便携性,更加利于生产、运送及市场推广。1963年5月,日本开发完毕第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报
10、警器,次年12月其改良产品问世,改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体,可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器,生产型号多样、品种较齐全,应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器,产品数量也在不断增长。但重要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上,进行研究与开发形成自己的特色。近年来,在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。(1)民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,一般安装在厨房,遇燃气泄漏时,报警器
11、可发出声光报警,或同时伴有数字显示,同时联动外部设备。有的报警器可自动启动排风扇,把燃气排出室外;有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门,以防燃气继续泄漏。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异,而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同,也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小,可随身携带或手持,重要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏,检漏仪便会发出声光报警,同时数字显示气体浓度,以便及时采用安全措施,防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用,可在防爆现场长期监测气体的
12、浓度。探测器安装在防爆现场,控器壁挂在值班室等有人值守的地方,两者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后,通过屏蔽电缆线将信号传到控制器,控制器发出声光报警,同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源,以保证安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场合。1.3本论文重要任务本篇论文是煤气泄漏自动检测的研制,重要针对CO气体,重要实现家庭煤气检测的检测与报警。数据采集模块运用单片机实现气体浓度实时采集、电路状态信号采集及解决;输出信号驱动相应的驱动电路,分别控制蜂鸣器及继电器电路,实现对煤气泄露事故的实时监测及控制。 第2章煤气泄露自动测试总体设计2.1设计规定2.1
13、.1煤气泄露测试的功能在本设计中,煤气泄露测试装置的重要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量(重要是CO气体),通过烟雾传感器检测,当气体浓度达成一定门限值时发出声报警。系统工作流程为:由装在室内的CO传感器获得被测量对象(室内CO浓度)原始信号,通过温度补偿和取样放大得到矫正后的可匹配信号,进入A/D转换,得到被测对象的数字量信号,再由单片机进行数据解决,得到最终的室内环境CO浓度值,将此数据通过数码管显示并保存,同时根据系统设定的限值参数判断环境浓度是否超标,假如超标立即向光隔离接口输出控制信号,通过继电器打开排气扇, 假如超过下限值,切断阀关闭,并开始进入危险期计时,假如发现环
14、境中一氧化碳浓度长时间处在危险状态,则有也许排气扇未能打开,或者房间发生严重CO泄露事故,此时启动预警信号进行语音报警提醒,提醒室内人员打开门窗、关闭气源并迅速撤离事故现场。假如系统接有上位机工作的话,可通过通信接口对单片机组成的下位机系统进行参数设立,并可定期地从数据缓冲区中读取以前测量的数据值,进行二次解决加工或存入数据库永久保存。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:01000ppm;检测精度:CO优于20ppm;报警浓度:100ppm300ppm响应时间:30ms;电池电压:+12V;工作温度范围:-20+70;工作
15、湿度范围:1095%RH。2.1.2煤气泄露测试的各个功能模块在本设计中,煤气泄露测试装置的重要功能就是快速准确的检测被测气体中有害气体的含量(重要是CO气体),通过LED显示屏将CO气体浓度显示出来,当气体浓度达成一定门限值时发出声光报警,为了提高实用性系统还应当具有人机交互界面、与计算机通信端口。为了实现以上功能:系统应当具有气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2.2设计原理2.2.1气体传感器介绍1. 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,气体传感器可以分为六大类:(1) 半导体气体传感器
16、。(2) 固体电解质气体传感器。(3) 接触感染式气体传感器。(4) 电化学式气体传感器。(5) 光学式气体传感器。(6) 高分子气体传感器。2. 气体传感器应满足的基本条件一个气体传感器可以是单功能的,也可以是多功能的;可以是单一的实体,也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是,任何一个完整的气体传感器都必须具有以下条件:(1) 能选择性地检测某种单一气体,而对共存的其它气体不响应或低响应。(2) 对被测气体具有较高的灵敏度,能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3) 对检测信号响应速度快,反复性好。(4) 长期工作稳定性好。(5) 使用寿命长。(6) 制导致本低,使用与维护方便。2.2.
17、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,进而由单片机完毕数据解决、浓度解决及报警控制等工作。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。由于监控系统最关键的部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测,本系统考虑到室内空气中一氧化碳含量的大体范围,结合国家环境空气质量标(GB30951996)规定的一氧化碳分级标准,我们选用了Motorola生产的一种专门用于家庭用途的MGS1100型一氧化
18、碳气体传感器, MGS1100一氧化碳传感器是一种应用全微电子工艺制成的半导体气体传感器,作为CO敏感元件,对CO响应的选择性好,并具有灵敏度高,稳定性好等特点在信号采集的同时加以温度补偿。它是在微型硅桥结构中嵌入的加热器上制作一层SnO2薄膜,这种结构不仅使得SnO2薄膜对CO气体在很宽的温度范围内具有敏感性,并且硅膜减少热传导的热损失,从而大大减少了功耗。图2-2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22(b)为取得传感器
19、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=RLVCC/(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映出被测对象的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%,分辨率为1PPM,工作温度-2070,零点漂移为PPM10。2.3数据解决2.3.1传感器非线性信号解决人们使用传感器时总希望传感器的输出量和它所测量的输入量呈线性关系,但由于传感器内部因素和测量误差等因素,传感器的输入输出特性在整个测量范围内
20、往往不是严格的直线关系。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也许小的标定,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。本系统采用的是分段插值法来对系统测量值和目的值进行标定的。第3章煤气泄露自动测试硬件设计煤气泄露自动测试原理图如下:LM393重要特点如下:工作电源电压范围宽,单电源、双电源均可工作,单电源:236V,双电源:118V;消耗电流小,Icc=0.8mA;输入失调电压小,VIO=2mV;共模输入电压范围宽,Vic=0Vcc-1.5V
21、;输出与TTL,DTL,MOS,CMOS 等兼容;输出可以用开路集电极连接“或”门;LM393引脚图及内部框图采用双列直插8 脚塑料封装(DIP8)和微形的双列8 脚塑料封装(SOP8)LM393内部结构图LM393引脚功能排列表:引出端序号功能符号引出端序号功能符号1 输出端1 OUT1 5 正向输入端2 1N+(2) 2 反向输入端1 1N-(1) 6 反向输入端2 1N-(2) 3 正向输入端1 1N+(1) 7 输出端2 OUT2 4 地GND 8 电源VCC LM393重要参数表: 参数名称符号数值单位电源电压VCC 18 或36 V 差模输入电压VID 36 V 共模输入电压VI
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