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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、煤气进入家庭的运用为人们带 来了便利，也改善了城市的环境，但同时也给人们带来了潜在的危 急,其中一氧化碳是最主要的危急源。一氧化碳是一种无色无味同 时这些气体燃料在运用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出 去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。由于 这些缘由，对于气体的检测及限制就变得很重要了，探讨各种气 体的检测方法及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及报警，系统主要以半导 体气体传感器为探讨对象，以单片机为核心构成一个具备数据采 集、
2、对象限制、结果显示、数据通信等功能的完整系统。通过虚 拟仪器Lab VIEW进行限制之后，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，分别限制报警灯、蜂鸣器及切断电 路，实现对煤气泄露事故的实时监测及限制；程序实时监测系统状O关键词：气体传感器，单片机，继电器值守的地方，二者采纳屏蔽电缆线连接。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限制器， 限制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断 气源，以确保平安。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加 气站、锅炉房等工业场所。1. 3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
3、庭煤气检测的检测及报警。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处理；输 出信号驱动相应的驱动电路，分别限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限制。第2章煤气泄露自动测试总体设计1.1 设计要求2. 1.1煤气泄露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精 确的检测被测气体中有害气体的含量（主要是CO气体），经 过烟雾传感器检测，当气体浓度达到肯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，经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
4、，再由单片机进行数据处理，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，同时依据系统设定 的限值参数推断环境浓度是否超标，假如超标马上向光隔离 接口输出限制信号，通过继电器打开排气扇，假如超出下限 值，切断阀关闭，并起先进入危急期计时，假如发觉环境中 一氧化碳浓度长时间处于危急状态，则有可能排气扇未能打 开，或者房间发生严峻CO泄露事故，此时启动预警信号进行 语音报警提示，提示室内人员打开门窗、关闭气源并快速撤 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置，并可定时地从 数据缓冲区中读取以前测量的数据值，进行二次处理加工或 存入数
5、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: 0 lOOOppm；检测精度：CO优于20ppm；报警浓度：lOOppm300ppm响应时间：30ms；电池电压：+12V；工作温度范围：-20+70；工作湿度范围：1095%RH。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主要功能就是快速精 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，当气体浓度达到肯 定门限值时发出声光报警，为了提高好用性系统还应当具备 人机交互界面、及计算机通信端口。为了实现以上功能：系
6、 统应当具备气体传感器、数据采集、A/D转换电路、单片机、 LED数码显示、声光报警单元、光电隔离技术和切断阀、RS-232通信模块。2. 2设计原理气体传感器介绍1 .气体传感器是气体及气味检测的关键元件。依据其气 敏特性，气体传感器可以分为六大类：(1)半导体气体传感器。(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 .气体传感器应满意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需具备以下条 件：
7、(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，重复性好。(4)长期工作稳定性好。(5)运用寿命长。(6)制造成本低，运用及维护便利。2. 2. 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确定系统胜利的关键。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、浓度处理及报警限制等工作。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，
8、传感器的选型是特别重要的。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致范围, 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生产的一种特地用于家庭用 途的MGS1100型一氧化碳气体传感器，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
9、有敏感 性，而且硅膜削减热传导的热损失，从而大大降低了功耗。图2-2传感器管脚及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，Sn02薄膜层的 电阻会随着CO浓度的变更而变更,CO浓度越大，Sn02薄膜层 阻值越小。图2-2 (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及负载电阻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渐渐变大，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
10、化碳气体传感器的特点：测量 浓度范围为0T000PPM,测量精度为3%,辨别率为1PPM,工 作温度-2070 ,零点漂移为PPMG0。2. 3数据处理2.3. 1传感器非线性信号处理人们运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缘 由，传感器的输入一输出特性在整个测量范围内往往不是严 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，须 要将依据系统特性在测量范围内将环境浓度及采集电压之 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c
11、o浓度值。 本系统采纳的是分段插值法来对系统测量值和目标值进行 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主要特点如下：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，VI0=2mV； 共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1. 5V； 输出及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纳双列直插8脚塑料封装(DIP8)和微形的双列8脚塑料封装(S0P8)LM393内部结构图LM393引脚功能排列表:引出端
12、序号功能符号引出端序 号功能符号1输出端10UT15正向输入端2lN+(2)2反向输 入端11N-(1)6反向输入端2IN-(2)3正向输 入端11N+(1)7输出端20UT24地GND8电源VCCLM393主要参数表:参数名称符号数值单位电源电压VCC18 或 36V差模输入电压VID36V共模输入电压VI-0. 3VCCV功耗Pd570mW工作环境温度Topr0 to +70贮存温度Tstg-65 to 150电特性（除非特殊说明,VCC=5. OV, Tamb=25）参数 名称符号测试条件最 小典 型最大单位输入VI0VCM=0 to VCC-1.5土5. 0mV失调 电压VO(P)=1
13、. 4V, Rs=01. 0输入 失调 电流110550nA输入 偏置 电流1b65250nA共模 输入 电压VIC0-VCC-1. 5V静态 电流ICCQRL=0. 61. 0mARL=8, Vcc=30V0. 82. 5mA电压增益AVVCC=15V, RL15kQ200V/mV灌电 流IsinkVi(-)1V,Vi(+)=0V, Vo(p) 库文件#define uchar unsigned char宏定义无符号字符型#define uint unsigned int 宏定义无符号整型I/O定义sbit fmq二P5;定义单片机Pl 口的第1位（即Pl. 0）为指示端sbit DOUT=
14、Pl；定义单片机P2 口的第1位（即P2. 0）为传感器的输入端sbit jdq=Pl 4;sbit led=Pl 6;sbit kl=PO 0;sbit k2=P0 1;sbit k3=P（T2;sbit k4=P03;延时函数void delay()延时程序uchar m, n, s ;for (m=20;m0;m-)for (n=20;n0;n-)for (s=248;s0;s-);延时函数void delay_us (uint t) 延时程序uchar j, i ;for (i=t; i0 ; i一)for (j=110; j0; j);按键扫描void anjian()if(kl=0
15、)手动关掉蜂鸣器delay_us (10);if (kl=0)while(!kl);fmq=l;if(k2=0)手动闭合继电器delay_us(10);结论29参考文献31附录I33附录II33无限循环当浓度高于设定值delay ();if (D0UT=0)延时抗干扰确定浓度高于设定值while(!k2);jdq=O;if(k3=0)手动关掉继电器delay_us(10);if (k3=0)jdq二1；主函数void main ()while (1)fmq=l;jdq=l;led=0;delay ();led=1;delay ();an jian ();if (D0UT=0)时，执行条件函数时
16、，执行条件函数wh i1e (1)fmq=O;蜂鸣报警jdq=0;继电器闭合结论本文综合运用了单片机技术、通信技术、传感器技术、 信号分析及处理技术，使煤气泄露自动测试系统数字化、智 能化、微型化。分析本文设计，可得如下的结论：(1)在硬件系统设计中，以集成A/D转换等多种功能的 89C51单片机为核心，使得结构简洁，实现了煤气检测的数 字化，为实现智能化奠定了良好的基础，进一步提高了煤气 检测牢靠性。(2)针对传感器零点漂移问题，提出了采纳温度补偿校正 的方法，同时应用高精度低温漂的运算放大器，从而抑制了 零点漂移，较好地解决了模拟式报警器零点漂移问题。(3)为了解决传感器的非线性问题，采纳
17、线性内插值计算 方法对传感器进行非线性校正，运行速度快，校正精度高， 提高了报警精确性。煤气泄露测试是一项特别重要且特别有意义的工作，尽 管本文取得了一些成果，但在检测精度、检测系统的牢靠性 等方面，仍存在一些不足须要进一步探讨。(1)关于系统的检测精度问题，在系统应进一步改进。(2)关于零点漂移的抑制问题，生产现场须要探讨一种无需人工干预的零点漂移抑制方法，应进一步探讨。(3)关于报警器报警闭值确定问题，须要探讨一种新的闭 值确定方法，以提高检测的牢靠性。参考文献1李华.MCS 51系列单片机好用接口技术.北京航空航天 高校出版社.2张毅坤等.单片微型计算机原理及应用.西安电子科技高 校出版
18、社.2019.3潘新民等.微型计算机限制技术.电子工业科技高校出版 社.2019.4陈伟.MCS 51系列单片机好用子程序集锦.清华高校出 版社.1993.5谢剑英.微型计算机限制技术.国防工业出版社.2019.6朱明程等.一氧化碳传感器MGSU00原理及应用电子技 术.2019年第1期.7刘迎春.传感器原理设计及应用.哈尔滨工业高校出社.8赵负图.数据采集及限制系统.北京科学技术出社.1987.9王若鲸.数据通信系统入门.人民邮电出版社.1984.10肖忠祥主编.数据采集原理.西北工业高校出版社.201911何立民.单片机好用文集.北京航空航天高校出 版.1993.12张毅刚.MCS 51单
19、片机应用设计.1990.13陈伟.MCS - 51系列单片机好用子程序集锦.清华高校出 版社.1993.14刘广玉.新型传感器技术及应用.北京航空航天高校出 版社.1989.15张凯等.Lab VIEW虚拟仪器工程设计及开发.国防工业出版社.2019.16吴佑寿.Lab VIEW7好用教程.电子工业出版社. 2019.附录I系统大图附录II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，人们干脆或间接接 触各种有毒有害气体的机会大大增加，由此而引起的中毒， 火灾和爆炸事故屡见不鲜，严峻威逼到人们的生命和财产平 安，成为一种新的社会公害。因此对环境气体进行检
20、测和分 析技术的探讨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，试验周期长，无法对有毒、 有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满意 这种要求，并且在人们日常生活中对削减气体爆炸、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、家庭电器化都及 传感器的发展休戚相关，今日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、指标高精度化和性能高稳定、 高牢靠化已经成为人们开
21、发和探讨传感器的重要方向。泄漏检测报警系统被广泛的应用于各个领域，如石油化 工企业、石油运输管线、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意以下几个要求：1 .精确牢靠地推断泄漏的发生，并能够在较短的时间内 推断出泄漏点具体的位置。2 .精确牢靠地推断泄漏程度，能对较小量的泄漏做出推 断。3 .检测原理简洁，易于操作和维护。第1章绪论1.1论文探讨来源、目的和意义论文探讨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
22、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，造成严峻的经济损失，甚至会危及生命平安。为了 削减这类事故的发生，就必需对这些可燃性气体进行现场实 时检测，采纳先进牢靠的平安检测仪表，严密监测环境中可 燃性气体的浓度，及早发觉事故隐患，实行有效措施，避开 事故发生，才能确保工业平安和家庭生活平安。因此，探讨 可燃性气体的检测方法及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。论文探讨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、自然气以及煤矿瓦斯等1。这些气体主要含有 烷类、烧类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢
23、气等成分, 易燃、易爆、贮存和运用这些气体的过程中，如违反操作规 程和设备密封不好，都有可能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造成损失。 可燃性气体检测报警装置是能够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、 有可燃性气体泄漏可能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 工作计量器具书目中第46项，它归类于物理化学计量器 具。建筑设计防火规范(GBJ16-87)第条明确规定：“散发 可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体 浓度检测报警装置”。2019年12月，国家执行新
24、的可燃性气 体探测器标准(GB15322-2019)可燃气体探测器，2019年 10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2019， 探讨新型、性能稳定、精确监测可燃性气体，并合乎国家相 关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有很多城市铺设了煤气管道，运用人口约达 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2000万台以上。随着全社会对防 火防爆及人身平安的重视程度的提高，这个数字会接着增近十年来，农村的沼气运用也得到了极大的发展。到2019年底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测
25、沼气 （主要成分是甲烷）浓度的仪器供应了市场。可见，可燃性 气体报警器具有特别广袤的市场前景。1. 2可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年头起先探讨及开发气体传感器，且 发展快速，一方面是因为人们平安意识增加，对环境平安性 和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受 到政府平安法规的推动。据有关统计，美国1996年2019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渐渐变小，提高了气体检测仪器的便携 性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃
26、气 泄漏报警器，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纳集 中监视。我国在70年头初期起先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 几乎全部危急作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不 断增加。但主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，进行探讨及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
27、在厨房，遇燃气泄漏时，报警 器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设 备。有的报警器可自动开启排风扇，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，以防燃气接着泄漏。(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 及有毒气体报警器依据检测环境的不同，也可分为检漏仪、 限制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃 气管理的查漏及巡检。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，以便刚好实行平安措施，防 止爆炸等恶性事故的发生。限制器及探测器结合运用，可在防爆现场长期监测气体 的浓度。探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人