基于单片机的室内天然气煤气液化气浓度检测系统设样本.doc
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1、编号:本科毕业设计基于单片机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:级指引教师:*职 称:副专家完毕日期:5月摘 要 随着经济和科学技术迅速发展,人们对生活质量提高和生活环境改进越来越注重。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生活带来了以便,但同步也带来了潜在危险,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,危及人们生命财产安全。鉴于这些因素,对于天然气检测与控制就变得异常重要了,研究天然气浓度检测报警与控制也随之成为一种重要课题。本设计以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计天然气泄漏报警系统可实现声光报警功能
2、,是一种构造简朴、性能稳定、使用以便、价格低廉、智能化气体报警系统,具备一定实用价值。本设计重要实现家庭天然气泄漏检测与报警,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种具备数据采集、对象控制、成果显示等功能完整系统。该系统分别控制报警灯、蜂鸣器及启动排电扇和切断电磁阀,实现对天然气泄漏实时监测及控制,程序实时监测系统状态。核心词: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
3、the quality of life and the improvement of living environment . Natural gas are widely used in our daily life and brings convenience for peoples 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 peo
4、ples 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
5、 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
6、 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
7、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、目和意义1 1.1.1 研究目和意义1 1.1.2 国内外状况及其发展趋势1 1.2 天然气检测报警系统简介2 1.3 本设计重要任务22 天然气浓度检测系统总体设计4 2.1 设计规定4 2.1.1 方案选取4 2.1.2 天然气泄漏报警系
8、统功能4 2.1.3 系统总体方案设计4 2.2 气体传感器选型5 2.2.1 气体传感器简介5 2.2.2 气体传感器选定73 天然气检测报警系统硬件设计8 3.1 总体硬件设计8 3.2 单片机模块设计8 3.2.1 AT89S51简介9 3.2.2 单片机最小系统设计11 3.2.3 AT89S51单片机复位电路11 3.3 气体传感器MQ-4电路简介12 3.4 险情处置与LED显示15 3.4.1 险情处置单元15 3.4.2 LED显示154 天然气检测报警系统软件设计17 4.1 主程序设计流程图17 4.2 Keil程序调试17 4.3 Proteus仿真205 软件与硬件联机
9、调试23 5.1 硬件总体连接23 5.2 操作环节236 结论26参照文献27道谢28附录291 绪论1.1 研究背景、目和意义 1.1.1 研究目和意义天然气作为一种新型清洁型高效型能源近年来得到广泛普及成为人民首选燃料,但是当它给人民带来以便同步也带来了安全隐患。每一栋居民楼也被天然气“笼罩”,伴之而来是天然气泄漏引起爆炸、火灾等事故也时有发生。这在某种限度上增长了人民生命财产不安全和不稳定因素。为了使天然气更好地服务群众服务社会,减少各种因天然气泄漏而引起爆炸及火灾事故,各天然气使用单位特别是居民顾客选取一种恰当天然气检测报警器十分重要,因而本设计对室内天然气检测报警系统进行了研究。为
10、了防止天然气泄漏切实保障人民安全,人们采用了各种办法。家用智能天然气检测报警系统是防止天然气泄漏一种家用自动检测报警控制系统,也是一种高敏捷度气体探测器,普通都是应用高敏捷度气敏元件作气电转换元件,并配以电路和声光报警某些构成。当泄漏气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。 本设计重要针对老式天然气检测报警系统进行技术改进以满足规定,具备如下特点:用单片机实现检测并控制,电路设计简朴、价格适中、稳定、增长了超过安全阈时自动启动排电扇(采用无触点开关保障安全)和关闭管道电磁阀功能,并且采用气敏传感器及防爆型电磁阀,安全可靠,因而本系统也可作为智能家居系统一种子系统。1.1.2 国内外状
11、况及其发展趋势当前应用最广泛可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器,已普及应用于气体泄漏检测和监控,仅用于安全保护家用天然气泄漏报警器为例,不少西方发达国家在法律上已经明确规定家庭、公寓、餐厅、医院、学校、工厂必要按规定安装报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展不久,是由于人们安全意识很强,对环境安全性和生活舒服性规定较高;另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规推动。因而,国外燃气报警器技术得到了较快发展,据关于记录,美国在1996年就天然气报警器年均增长率为2730。在这些方面,国内安全意识有待增强。天然气泄漏报警器发展趋势集中体现为,一是提高检测敏捷度和工作性能,减少功耗和成本,
12、减小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是燃气泄漏报警器始终追求目的;二是增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展MEMS技术,发呈现场合用变送器和智能型天然气检测气报警器。如美国在天然气泄漏报警器中嵌入微解决器,使燃气泄漏报警器具备控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化、涉多功能化。1.2 天然气检测报警系统简介天然气检测报警系统从功能上可分为仅有泄漏报警功能泄漏报警系统和可以批示所检测到天然气浓度并具备报警功能检测报警系统;从使用场合上可分为民用天然气检测报警系统和商用天然气检测报警系统。民用天然气检测报警系统普通是独立在住宅中使用天然气检测报警系统,功能较简朴;商用天然气
13、检测报警系统重要使用天然气运送、储存场合、使用天然气和也许有天然气泄漏工厂和公共场合。都市天然气规范中规定地下室、半地下室、地上密闭空间用气房间、建筑管道井、封闭计量表房等都要安装天然气检测报警系统。建筑和天然气有关规范和法规也推荐使用民用天然气检测报警系统。工业用固定式天然检测报警系统由报警控制器和探测器构成,控制器可放置于值班室内,重要对各监测点进行控制,探测器安装于天然气最易泄漏地点,其核心部件为内置气体传感器,传感器检测空气中气体浓度。探测器将传感器检测到气体浓度转换成电信号,通过线缆传播到控制器,气体浓度越高,电信号越强,当气体浓度达到或超过报警控制器设立报警点时,报警器发出报警信号
14、,并可启动电磁阀、排气扇等外联设备,自动排除隐患。1.3 本设计重要任务本设计重要研究并设计一种基于单片机家用天然气检测报警系统,可对天然气浓度进行实时检测和监控,从而使天然气浓度超限时及时报警,并且还能实现自动启动和关闭排气装置和天然气管道阀门。通过实现对A/D转换后数据采集和声光报警控制,进而实现家庭天然气检测与报警。控制系统重要由AT89C51系列单片机、A/D转换数据采集电路、传感器电路、显示电路、声光报警电路、紧急解决电路等某些构成。单片机通过A/D转换8路传感器来所得到信号,进行比较解决,并且可以存储各个通道报警上限和报警时数据储存,并且在安全值内,显示当前所测量值和设定值,超过安
15、全值阈时产生声光报警并及时启动排电扇和关闭电磁阀,从而实现检测及报警作用。2 天然气浓度检测系统总体设计2.1 设计规定2.1.1 方案选取方案一:通过传感器感受到天然气,减少自身阻值,来增大电流,并且驱动蜂鸣器报警。电路简朴、可靠,但是灵活性和实用性较差。方案二:可以通过传感器感知信号多级放大电路,并用电位器调节得到固定电压值,当得到天然气信号时,电阻值立即变小,放大器放大倍数增长,电压也就随着增长,驱动三极管导通报警电路。该方案有一定灵活性和可执性,但是电路比较复杂,智能性较差。方案三:通过51系列单片机作为主控单元,并且可以通过传感器把模仿信号通过A/D信号转换为数字信号,送入单片机中,
16、单片机对此信号进行解决后,送入显示电路,实时显示室内天然气浓度。当室内天然气浓度超限(即达到危险浓度)时,实现声光报警,并打开排电扇、关闭天然气管道电磁阀。综合考虑以上三种方案,由于使用单片机设计灵活性更强、用途更辽阔,因此本设计采用方案三。2.1.2 天然气泄漏报警系统功能系统重要功能如下:(1)实现对天然气浓度实时监测;(2)检测到天然气泄漏时具备声光报警功能;(3)依照天然气泄漏状况自动关闭天然气管道电磁阀并启动排气装置。在本设计中,天然气检测报警系统重要功能就是迅速精确检测到室内天然气含量(重要是甲烷气体),并将甲烷气体浓度显示出来,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
17、性,系统还应当具备依照详细环境和安全规定不同可以人工调节不同安全阈阈值。为了实现以上功能:系统应当具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、数码显示、声光报警单元、排电扇和切断阀。2.1.3 系统总体方案设计 天然气检测报警系统如图2-1所示,该系统以51单片机为核心,配合外围电路共同完毕信号采集、运算放大、A/D转换、CPU进行数据分析、并具备声光报警等功能。该系统采用高性能单片机,规定工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低,保证报警器精准性及可靠性,并且最佳体积小,成本低,有助于减少报警器体积,减少报警器成本。气体传感器A/D转换器5 1 单 片 机 参数设立 声光报警 险情处置图
18、2-1天然气检测系统框图系统工作流程为:气体传感器检测室内天然气浓度,通过运放气放大后进入A/D转换,将测得模仿信号转换为数字信号并及时送给51单片机进行数据解决,得到室内天然气浓度值,通过数码管显示出来,同步依照有关安全原则判断天然气浓度与否超过安全阈,如果超过安全阈及时启用声光报警电路,并启动排电扇和电磁阀关闭管道。2.2 气体传感器选型气体传感器是指能感受气体(组分、分压)并转换成可用输出信号传感器,也 俗称“电子鼻”。这是一种独特电阻,当“闻”到天然气时,传感器电阻随天然气浓度而变化,并将气体成分、浓度等信息变化转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等运用信息装置。在本设计中天然气达到一定
19、浓度,电阻达到一定水平时,传感器就可以发出声光报警。气体传感器属于气敏传感器,是气-电变换器,它将可燃性气体在空气中含量(即浓度)转化成电压或者电流信号,通过A/D转换电路,将模仿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。气体传感器作为天然气检测报警器信号采集某些,是仪表核心构成某些之一。由此可见,气体传感器选型是非常重要。2.2.1 气体传感器简介气体传感器分类 (1)半导气体传感器:这种类型传感器在气体传感器中约占60%,依照其机理分为电导型和非电导型,电导型中又分为表面型和容积控制型。(2)固体电解质气体传感器:固体电解质气体传感器固体电解质气体传感
20、器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子,从而形成电动势,测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高,敏捷度和选取性好,得到了广泛应用,几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域,仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2SYST-Au-WO3、测量NH3NH+4CaCO3等。 开发新气体传感器,特别是开发和完善智能气体传感系统,使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、辨认、智能决策等方面作用。大大提高气体泄漏事故处置工作效率和安全性,对于控制事故损失具备重要作用。(3)接触烧式气体传感器:接触燃烧式气体传感器 可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工
21、作原理是:气敏材料在通电状态下,可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧,产生热量使电热丝升温,从而使其电阻值发生变化,测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体,对不燃性气体不敏感。例如,在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成传感器,具备广谱特性,即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定,并能对爆炸下限绝大多数可燃性气体进行检测,普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处可燃性气体监测和报警。(4)高分子气体传感器 :国外在高分子气敏材料研究和开发上有了很大进展,高分子气敏材料由于具备易操作性、工艺简朴、常温选取性好、价格低廉、易与微构造
22、传感器和声表面波器件相结合等特点,在毒性气体和食品鲜度等方面检测具备重要作用。(5)电化学传感器:电化学传感器通过与被测气体发生反映并产生与气体浓度成正比电信号来工作。典型电化学传感器由传感电极(或工作电极)和反电极构成,并由一种薄电解层隔开。通过电极间连接电阻器,与被测气浓度成正比电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可拟定气体浓度。由于该过程中会产生电流,电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。(6)热传导传感器:热传导传感器与接触燃烧式传感器具备类似构造形式,但是测量原理不同。它测量原理是:将加热后铂电阻线圈置于目的烟雾中,由于向目的气体传送热量导致温度减少,引起电阻值变化,
23、传感器即测量电阻值变化状况。温度变化状况是目的气体热传导率函数,而对于一种给定气体,热传导率是它固有物理特性。 (7)红外传感器:运用红外线物理性质来进行测量传感器。红外线又称红外光,它具备反射、折射、散射、干涉、吸取等性质。任何物质,只要它自身具备一定温度(高于绝对零度),都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触,因而不存在摩擦,并且有敏捷度高,响应快等长处。 2.2.2 气体传感器选定气体传感器是本系统设计起点也是系统重点,选取适当传感器成为决定系统设计成功核心。天然气检测报警器重要应用在厨房、工厂等易发生天然气体泄漏场合,依照报警器检测气体规定,普通选用接触燃烧式气敏传感器
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