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1、 编号 毕 业 设 计（论文）题目 民用燃气报警器 二级学院 应用技术学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 10821740155 学生姓名 学号 55 指导教师 职称 时 间 民用燃气报警器 摘要 在科技高速发展的今天，人们生活水平的不断提高。而且，目前随着我国西气东输的实施，城市管道化已经比较普及，煤气、天然气以及沼气等燃气得到广泛应用。不仅给家庭提供了方便，同时也改善了城市的环境，但同时也给人们生活带来了一些弊端，其中CO中毒和燃气泄漏而引起的爆炸事件时有发生。由于产品不合格或管道以及阀门密封不好，引起煤气等燃气泄漏出来，就很容易发生CO中毒或者造成火灾，危及人们的生命及财产安全。因
2、此，我们就要采取相应的措施来减少伤害。所以，对于气体的监测变得越来越重要，研究各种气体的检测方法以及气体传感器将成为一个不可避免的课题。 本论文主要是开发一种利用CO传感器为探测器并采用MCS-51为主控芯片来进行控制的一种民用可燃气体检测报警器。该系统主要由MCS-51系列单片机、人机接口电路、电源电路、AD数据采集电路、滤波电路、放大电路、传感器电路、声光报警电路、LCD显示电路等功能组成的完整系统。当空气中CO达到设定值时，输出信号分别控制声光报警器、排气扇工作，以及驱动电磁阀关断煤气，实现对家用管道煤气的实时监控。避免事故发生。关键词：CO传感器、MCS-51、AD数据采集电路、声光报
3、警Civilian Gas AlarmAbstractPeoples living standard keeps increasing constantly nowadays when high technology develops rapidly. Along with the implement of west-east natural gas transmitting project, the city channelization has been widespread, with the extensive application of coal gas, natural gas
4、and methane gas. This has brought convenient to many families as well as improvement to the environment of a city. However, it also causes problems, among which CO poisoning and bombings caused by gas leakage takes place occasionally. The gas will leak out due to the poor quality or bad sealed pipel
5、ines and valves, thus creating possibilities for CO poisoning or fire, endangering peoples life and property. Therefore, some corresponding measures should be taken to reduce such damages. As a result, the gas monitoring becomes increasingly important and study on the detection method of various kin
6、ds of gases as well as the gas sensor will be an inevitable issue.This paper is going to develop a civilian gas alarm which takes CO sensor as its detector and MCS-51 as its control chip. This will be a complete system mainly composed by functions such as MCS-51 SCM, man-machine interface circuit, t
7、he power supply circuit, AD data acquisition circuit, filter circuit, amplifying circuit, sensor circuit, sound and light alarm circuit, LCD display circuit and some others. When the amount of CO in the air reaches the set point, an output signal will put the audible and visual alarm and the exhaust
8、 fan into service, and drive the electromagnetic valve to turn the coal gas off at the same time, realizing real time monitoring toward the civilian pipelined gas and preventing accidents from happening.Key words: CO sensor; MCS-51; AD data acquisition circuit; audible and visual alarm前言 近年来，随着人们生活质
9、量的提高，煤制气等的大量使用，同时人们对于居家安全也有了很大的重视。为了保障人们的生命以及财产安全，因此对各种有毒、有害气体的探测势在必行，而作为感官或信号出入部分之一的气体传感器是必不可少的。气体传感器能够实时的对各种气体进行检测和分析，具有灵敏度高，响应时间短等优点；而且现在电力电子技术的发展，也使得越来越多气体传感器及燃气报警器的产品。且在军事、医学、交通、居家等领域得到了广泛的应用。使得气体传感器及燃气报警器不断地发展。目前，世界上许多国家都在不断的对气体传感器进行研究，要知道气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多科学交叉的研究内容。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域
10、研究工作者的协同合作。气敏材料的开发和根据不同原理进行传感器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。具体表现如:气敏材料的进一步开发一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料性能进行进一步提高；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术寻找性能更加优越的气敏材料。由于燃气的不完全燃烧或者是煤气泄漏都会发生CO中毒事件。众所周知，一氧化碳（co）是 一种对血液，与神经系统毒性很强的污染物.，空气中的一氧化碳（co），通过呼吸系统，进入人体血液内，与血液中的血红蛋白（hemoglobin,hb）。肌肉中的肌红蛋白。含二价铁的呼吸酶结合，形成可逆性的结合物。一
11、氧化碳与血红蛋白的结合，不仅降低血球携带氧的能力，而且还抑制，延缓氧血红蛋白（o2hb）的解析与释放，导致机体组织因缺氧而坏死，严重者则可能危及人的生命。为了杜绝CO中毒等事件的发生，人们采取了多种多样的方式，民用燃气报警器就是一种防止CO中毒的燃气报警器，具有很高的灵敏度，利用气体传感器，并配与单片机等电路和声光报警部分组成，能够实时检测家里空气中CO的浓度。当泄漏的CO气体达到设定值时就会发生报警，并自动驱动电路以解除危险。第一章 绪论1.1 论文研究的背景、意义什么是燃气？民用的燃气是指天然气、液化石油气、人工煤气。无论是天然气、液化气、还是煤制气，由于各种原因泄漏后，当室内燃气浓度超过
12、爆炸下限时，遇火种（打火机、电器开关、静电等）则一定发生爆炸。我国城市的人工煤制气得成分虽各不相同，但都含有较多的一氧化碳，众所周知，一氧化碳为剧毒气体，健康人在含一氧化碳1的空气中，10分钟则产生痉挛，半个小时就会死亡。因此在使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，因此为了人们的生命和财产安全，就必须采取相应的措施。而燃气报警器能够实时监测家居中燃气中相应的气体（如CO）的溶度，一旦环境中的溶度超出报警设定值，就能发出声光报警信号，并且能自动开启排风扇把燃气排出室外，甚至能通过联动装置自动切断燃气供应防止燃气继续泄漏，起到安全防范的作用。燃气报警器作为
13、预防燃气泄漏的有力武器，它的出现却似乎并没有引起人们应有的注意。这个在安全防护上可以和家用灭火器相提并论、甚至比灭火器更需要进入家庭的小东西，大多数家庭根本没有把它当一回事，甚至不知道还有这样一个可以从根本上解决煤气中毒和煤气爆炸的保护神存在。以上海为例，在一年中因热水器废气中毒及灶具溢熄、橡皮管老化脱落引起的燃气泄漏和造成中毒死亡的共86人，占全部燃气事故死亡人数据的84%。但据权威部门公布的另一项调查表明，在上海市300万左右的燃气用户中，安装家用燃气泄漏报警器的不足10%。正如此才回有那么多悲剧的发生。在日常生活中，无论是煤气中毒还是煤气爆炸事故，都因煤气泄漏而起。居家过日子，谁都离不开
14、使用煤气，无论你的预防措施做得多好，但百密难免一疏，更何况对消防安全不采取任何措施的家庭就更加危险。因此很有必要在家里准备一个燃气报警器，随时替主人守护着燃气用具，时刻警惕着燃气这个无形杀手悄悄溜出来，帮助主人将家庭隐患消灭在萌芽之际，成为家庭安全的好管家，让家人使用燃气具时，用得安心放心。例如：2008年12月1日，陕西省榆林市定边县一学校的女生宿舍发生12名小学生CO中毒事件，有11名学生经抢救无效死亡；2010年1月3日，大连市香工街香海花园发生煤气泄漏事故，共有15名煤气中毒患者被送往医院。另外还有3位因中毒太深而死亡；2011年3月29日安泰集团以电厂在检修中发生CO中毒事故，有17
15、人中毒，10人经抢救无效死亡等等。身边太多的事件告诫我们必须对待这一问题。因此，我们要提倡在家庭中使用燃气报警器。让家用燃气报警器成为家庭生活的必需品。1.2 气体传感器及燃气报警器国内外现状当今社会，随着人们生活水平的提高，更多的人对生活环境的安全和舒适性有了更高的要求。民用燃气报警器能够在可燃气体泄露时立即进行声、光报警，有效了确保了居住环境的安全。根据有关资料统计，按燃气泄漏原因分类，发生事故无法预计。任何家庭，无论如何注意，都可能有万一。其中点火失误、冒锅或风吹灭、中途熄火、总阀未管严等就占了泄漏原因的七成多。所以燃气报警器在我们的生活中的比重将会越来越重。在应用方面，目前最广泛的是可
16、燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，无论是工业还是居家，应用都十分广泛。与民用燃气报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国已有7个州11个城市通过立法要求家庭安装CO报警器。据统计，按一间卧室安装一台CO报警器计算，美国CO报警器市场应该是9400万台，按目前价格计算是38亿美元，而且每年可新增40万台。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防
17、护系统等。随着电子技术的发展，气体检测技术与计算机技术相结合，实现了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。早在1994年，我国城市燃气用户就达到2978万户，用气人口104218万人。我国660个城市，有液化石油气的城市513个，同时兼有人工煤气的城市170个，有天然气城市55个，国家计划到2000年城市人口平均气化率
18、达到6070。目前大约有12亿居民、约（30004000）万户使用燃气，按这些燃气用户的40安装气体报警器计算，需求量就达1200万台以上。而随着城市燃气应用的扩大，用气人口增多，报警器需求量必将迅速增加。国外气体传感器发展很快，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要求提高；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。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计预测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。在国内，气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是：（1）烧结型气敏元件仍是生产的主
19、流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品;（2）在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材料; （3）低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试;（4）国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原
20、电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。目前，煤气报警器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是煤气报警器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）106硫化氢低功耗煤气报警器，美国IST提供了寿命达10年以上的煤气报警器，美国Fir
21、stAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO煤气报警器等。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，发展现场适用的变送器和智能型煤气报警器。如美国GeneralMonitors公司在煤气报警器中嵌入微处理器，使煤气报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”煤气报警器实现了智能化、多功能化。1.3气体传感器发展方向气体传感器的研究涉及面广、难度大，属于多学科交叉的研究内容。要切实提高传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究工作者的协同合作。10气敏材料的开发和根据不同原理进行传感
22、器结构的合理设计一直受到研究人员的关注。未来气体传感器的发展也将围绕这两方面展开工作。具体表现如下:气敏材料的进一步开发一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料性能进行进一步提高；另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术寻找性能更加优越的气敏材料。新型气体传感器的开发和设计根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器。近年来表面声波气体传感器、光学式气体传感器、石英振子式气体传感器等新型传感器的开发成功进一步开阔了设计者的视野。目前仿生气体传感器也在研究中。气体传感器传感机理的进一步研究新的气敏材料和新型传感器层出不穷，很有必要在理论上对它们的传感机理进行深度的研究。只有机理明确了
23、，下一步的工作才会少走弯路。气体传感器的智能化生产和生活日新月异的发展对气体传感器提出了更高的要求，气体传感器智能化是其发展的必由之路。智能气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、神经网络技术、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。仿生气体传感器的迅速发展警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器，结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的电子鼻将是气体传感器发展的重要方向之一。第二章 民用燃气报警器的总体设计2.1 燃气报警器的设计思路本设计主要研究并设计一个基于单片机的煤气报警系统，并实现利用AD转换器对数据的采集、处理和声光
24、的报警控制。控制系统主要是由MCS-51系列单片机、电源电路、AD数据采集电路、传感器电路、复位电路、LED显示与键盘输入及人机接口电路、声光报警电路等部分组成。单片机通过AD转换8路对传感器所得到的信号，进行比较处理。若检测值在安全值内，轮回显示当前室内的测量值和设定值，在安全值外，产生声光报警并控制电磁阀及排气扇工作，直至排除安全隐患为止。系统以CO专用传感器和MCS51单片机为核心，来设计民用燃气报警器装置。并实现：a. 学会应用单片机及各个接口的功能；b. 实现单片机的系统控制及传感器电路的控制；c. 实现各个模块的功能；d. 能够准确检测出室内CO浓度，并实现报警功能；e. 设计时根
25、据国家燃气设计规范；f. 当发生报警时，能够实现切断煤气并实现对室内进行换气。CPUAT89C51LED显示 接口电路报警器电路CO传感器滤波电路放大电路A/D复位电路电源电路排风扇电磁阀继电器2.2 燃气报警器系统框图该系统总体构成包括煤气探测器（主要是一氧化碳传感器）、信号处理电路、声光报警电路、继电器控制电路、复位电路和电源电路等几大模块。把燃气报警器安在室内，通过CO传感器来监测室内CO气体浓度，经过滤波和信号放大得到处理过的信号送入A/D模数转换器，变换成数字量信号再经单片机进行处理，并通过LCD进行显示所得空气中CO气体浓度，同时将此数据于系统设定的值进行比较，绿色灯亮表示未超出设
26、定值，报警器不响。如果超出设定值的上限值但还未达到下限值，就启动报警电路。若室内CO浓度超过设定值的下限值，单片机立即向继电器输出控制信号，打开排气扇并通过电磁阀切断煤气管道，关闭气源，防止煤气进一步泄漏。2.3 系统方案选择 方案一：利用555及外围电路及传感器来设计电路当有害气体达到危险浓度时，时基电路1的2脚电位大于c（），2的3脚输出为低电平，继电器得电吸合，其常开触点闭合，接通机外报警系统。同时扬声器发出“嘀”声，发光。当煤气泄露故障排除后，电路自动复原。调节电位器，可改变报警的灵敏度。但是准确度不高。方案二：通过MCS-51系列单片机作为主控系统，并通过传感器电路把所得信号经A/D
27、转换为数字信号，经单片机处理后显示出来。并经程序设定预定值和报警时间，并同时控制排气扇及电磁阀工作用以解除危害。此电路稳定性好，设计能够达到使用要求。综合考虑，由于单片机设计用途更大，灵活性强，系统更加稳定，所以采用第二个方案。 第三章 民用燃气报警器硬件设计3.1 CO气体简介及传感器选择3.1.1 CO气体检测意义一氧化碳是一种无色无味的气体，由于它与人体内的血红蛋白有高度的亲和力，所以当它被吸入人体后，会争夺体内血液中的氧形成一氧化碳血红蛋白，使动脉壁缺氧、水肿，阻碍血流通畅，使人发生疲倦、气短、恶心和头晕眼花等不良症状，体内吸入过多一氧化碳时甚至会导致人因缺氧而死亡。另据科技日报报道，
28、经医学验证，当空气中一氧化碳浓度达到35ppm时，就会对儿童智商造成损害。同时，一氧化碳也是一种易燃易爆的危险气体，是煤矿井下是否发生自燃火灾的重要标志之一。其在空气中的阀限值（指在空气中允许存在的最低浓度为5010-6，爆炸极限为12.5%74%。因此，不论是在煤矿井下监控系统中增设CO传感器还是对室内及时准确地进行CO浓度监测和报警，都成为保障群众生命安全和国家财产安全的一项必不可少的工作。3.1.2 CO气体电化学检测原理（1）电化学气体传感器：据电化学原理制成的检测气体的装置（2）电化学是研究电解质溶液与电极相界间的电化学反应过程，即化学能和电能之间相互转换的科学。（3）电化学理论指出
29、，在电极和它接触的电解质溶液之间存在着氧化还原反应，并有电子的得失。并且各种物质在电解质溶液中的氧化还原反应均在一定的电极电位下进行。（4）某物质的标准电极电位是指该物质在规定的浓度、温度条件下的电极电位，当电极电位高于该标准电极电位时产生氧化反应，反之，则产生还原反应。 如：CO2/CO氧化还原电对的标准电极电位为-0.12V; O2,H+/H2O氧化还原电对的标准电极电位为+1.23V 下图是定电位CO传感器的构造及原理 （1）气体扩散电极（透气膜电极） 防水透气膜:PTFE(聚四氟乙烯，Poly tetra fluoro ethylene)（特富龙 ）活性层：铂黑PTFE乳液 含有催化剂
30、的多孔膜电极，易于被测气体与电解液在气、固、液三相界面上进行氧化还原反应。 工作电极W 对面电极C 参比电极R（2）透气膜 非均相微孔膜，透气但不透水和离子。空隙率大则灵敏度高，响应时间短，但易漏液（3）电解液：硫酸或硫酸水溶液被测量CO，通过PTFE薄膜扩散到工作电极W，电极W受到恒电位的控制作用，具有一个恒定的电位，CO在W电极上在催化剂的作用下与电解液中的水发生氧化反应，生成CO2和H+，同时释放出电子；W极：在对电极C上,氧在催化剂作用下与氢质子发生还原反应生成水，并得到电子。C极：参比电极：使W和R间保持恒定电位。W和C间的反应电流为i(给定电极上发生化学变化的物质的量与通过的电量成正比 )式中：D-膜扩散系数； F-法拉第常数，它等于一摩尔电子所带电量的绝对值。即 F=6.022x10231.0622x10-19C/mol96485C/mol； A-扩散面积； L-膜厚度； n电子转移数
