1、基于气敏传感器煤气泄漏报警电路设计论文密 级 公 开 学 号 衡水学院毕业论文（设计）基于气敏传感器煤气泄漏报警电路设计论文作者： 指导教师： 系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2015级提交日期： 答辩日期： 毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期：_ 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定
2、。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名：_ 日 期： 日 期：_ 论文题目：基于气敏传感器的煤气泄漏报警电路设计摘 要：因为大都市燃气的普遍利用无疑对调整都市的生态环境和改善民众的居住环境起到了很大的作用。可是煤气的大范围的使用，很多灾难性的事故剧比如烈爆炸、中毒的也是由于一氧化碳泄漏所导致的，这样的现象提高了都市的各种不利的威胁。降低并预防因煤气泄漏而发生的灾难性的事件，使煤气更好的被民众利用到生活中，公司企业
3、及民众应该选择一种有用灵敏的煤气报警器真的是非常有用的，只有这样才能使煤气更好地被民众利用。本论文课题是基于气敏传感器的煤气泄漏报警电路设计，当煤气泄漏到达设定的有害界限时就马上触发报警，煤气报警器在日常生活中有着十分广泛的作用。本装置中有很多模块，如供电模块电路、MQ-5模块电路、报警模块电路等。关键词：单片机;气敏传感器; 自动采集；自动报警 窗体底端TITLE：Design of gas leakage alarm circuit based on gas sensorAbstract: Because of the widespread use of metropolitan gas,
4、 it will undoubtedly play an important role in adjusting the ecological environment of the city and improving the living environment of the people. However, the use of a wide range of gas, a lot of disastrous accidents such as strong explosion, poisoning is also due to carbon monoxide leak caused by
5、, such a phenomenon to improve the citys various adverse threats. Reduce and prohibit the catastrophic event due to a gas leak, the gas are better for people to use to life, companies and people should choose a useful and sensitive gas alarm is really very useful, the only way to make better use of
6、gas by the people.This paper is based on the gas sensor of the gas leakage alarm circuit design, the gas leakage alarm circuit is used when the gas leakage to a certain harmful concentration, immediately alarm, the alarm plays a very broad role in daily life. Many kinds of circuits are used in this
7、design, such as power circuit, gas sensitive detection circuit, electronic switch circuit, alarm circuit, etc.Key words: Single Chip Microcomputer; Gas Sensor; Automatic Collection; Automatic Alarm1 绪论1.1研究现状和发展前景现今在使用方面，最普遍的是识别可燃性气体的气敏元件传感器，气敏传感器又被称作“气体传感器”是指利用各类型的化学、物理的效应把气体组成、浓度按一定规则转换成电信号输出的气敏传感
8、器，可以说在化学传感器中是最活跃的一种，已被大众用于检测气体的泄漏和气体监控事故的发生。在实业工厂和居民家庭都应用十分广泛。20世纪30年代科学家就已经知道金属氧化物是具有气敏效应，而半导体气敏元器件是在50年代末60年代初期研制成功的，最早研制的ZnO薄膜元件，这个元器件是利用ZnO薄膜电阻接触的可燃性气体浓度增加而降低的，从而实现对可燃性气体检测。后来发现在SnO2中添加Pt或Pd等珍贵的金属做增感剂能提升其灵敏度。日本气体传感器经过几十年的不断创新，其制造工艺与产品程度已提高到很高的水平，由日本费加罗技术研究公司大规模出产的SnO2系列气敏传感器达二十多种规格，广泛用于十多种气体的检测。
9、英国电气阀门公司出产的催化燃料型气敏传感器，德国DraegerwerkAC出产的医用薄膜型气敏传感器，瑞士CerbertlsLImited出产的火灾预警用气敏传感器等，都是大家所熟知的。20世纪70年代期间我国开始研发金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，而且在普通居民家中使用煤气报警器。近年来国内的气敏传感器技术突飞猛进的发展，全国有几十多所高等学府和研究所创新开发很多种类型的气敏传感器，在做工和工艺方面引进表面掺杂、外表面覆膜以及修改制作外表面的催化反应层和修隔离层等技艺；除此之外开发的石英晶体、AL2O3气敏材料和有机半导体也开始用于气敏材料。大众对气敏传感器的认识非常
10、模糊，对气敏传感器的开发也落后与在生活上的应用，影响了气敏传感器的深入发展。今后，对气敏传感器机理的研究必将引起大众的广泛关注。希望以后更应加对强气敏传感器的实际应用性的开发与研究，比如在检测家庭煤气泄漏的应用时，可以避免现在多发的居民煤气泄漏事故。1.2研究意义人们对气敏机理的认识较为模糊，对气敏机理的研究工作也落后与实际应用，影响了气敏技术的进一步发展。今后，对薄膜型气体传感器机理的研究必将引起人们的关注。最后，更应加强气敏传感器的实际应用研究，例如在检测家庭煤气泄漏的应用，以避免目前多发的居民煤气泄漏事故。人们面对煤气泄漏而造成的事故威胁，需要一个有效的解决办法。据有关专家介绍，使用煤气
11、报警器是检测煤气的重要手段之一。煤气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是煤气中毒事件的根源，如采用煤气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试同样得出结论，煤气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止煤气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。为此设计出家用煤气泄漏报警装置。2系统的硬件设计本装置可以检测被测环境煤气的浓度值，基本组成部分有：信号气体检测模块、显示器模块、单片机最小系统。MQ-5传感器与模拟放大电
12、路组成了煤气信号采样电路。有毒气体检测电路可经过数字模拟电路发送的模拟指令使可送入单片机的指令并且由单片机识别。进行处理单片机的数字信号，转化改变后的数值大于或者等于给定值的时候一定要及时开启警报装置鸣响报警，如若不然则是平常状态。可依据高分贝声音提醒增加给灯光声音提醒，光的闪烁的变化可以使用户注意在混乱的环境中弥补高分贝声音提醒的缺陷。这样的鸣响报警设备大大提高了功能。气体传感器和单片机是两个基本核心，如果气体泄漏该装置会根据程序预先设定的的阀值来判断周围环境空气中煤气浓度是否有危害，所以我们应该选择性价比高且只对煤气敏感的传感器。单片机芯片选择，要其灵活性以及性价比上考虑。硬件设计部分，M
13、Q-5将非电量信号转换成电量信号，内部输出电压值非常稳定，且环境对其影响非常小，大大减少了误差。传感器对气体敏感，数模转换后输送给单片机，最后到显示器，如煤气在被测空间中的含量超出最大安全值，那么该装置将进行高分贝声音提醒。其原理框图如图2-1所示。 图2-1 原理框图2.1 单片机的选择与最小系统2.1.1单片机型号选择在程序启动之后，会进行依次的执行代码，中途会进入不同的中断。煤气浓度检测的中断程序，是对煤气在空气中含量的实时监测。开启并进入中断之后，数据经行初始数据口的定义，写入并计算煤气浓度值，最后显示煤气的浓度数据。2.1.2单片机的最小系统单片机在工作时需要从最初的状态开始从而使核
14、心控制区域也从最初始状态开始工作。AT89S52的初始工作指令自RST引入到Schmidt trigger中。该器件的核心控制区能够将装置初始化的条件是，装置的工作状态和振荡器相对稳定。该装置的需要的电压是5V，晶振两边连接电容再接地，初始状态的电路由正极接电容再接地。如图2-2所示，如图2-3所示，通过USB接口提供电源。图2-2 单片机的复位电路图2-3 电源模块2.2气敏传感器件的选型与设计电路2.2.1气敏传感器的选型该装置的测量对象为测试环境空气中煤气的浓度。应该考虑平稳性、等优点来选择传感器。本系统选用MQ-5传感器，MQ-5传感器，具有易敏感性，对多种可燃气体敏感、选择功能强、使
15、用时间长、运行平稳，周围环境的对该装置的影响忽略不计等特点。MQ-5的电阻率的改变可以由信号输出电路明确体现出来，电阻上的电压值导出从而得到MQ-5的电阻率改变。电阻率和电压值的相关公式：RSRL =（vc-vrl）/ VRL。MQ-5前5分钟需要加热，这样就是其最佳的温度，在最佳温度下MQ-5的灵敏度就是最好状态。2.2.2 MQ-5传感器的设计电路本设计气敏传感器采用MQ-5，在可燃气体或烟雾中MQ-5气敏传感器的电阻会有相应的变化，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。气敏元件共有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提
16、供加热电流。直流电压直接供传感器MQ5的加热丝H-H工作，H两端接到电源的两端起预热的作用，检测烟雾之前要通过加热丝给传感器MQ-5预热一定时间。2.3 A/D转换ADC0832电路A/D转换电路在本设计中采用的是数模转换常用芯片ADC0832，烟雾传感器的输出端接到ADC0832的CH0。经烟雾传感器MQ-5所检测的电压信号为模拟信号，无法直接被单片机所识别，所以在经过放大电路后对信号进行A/D装换，将模拟信号转化为数字信号输入单片机。ADC0832电路图如图2-4所示。图2-4 A/D 转换电路2.4显示器的选型与电路设计2.4.1显示器的选型液晶显示模块与计算机的接口电路有两种方式，它与
17、单片机的接口方法分为直接访问方式和间接控制方式。直接访问方式是把液晶模块当作存储器或I/O设备直接接在单片机的总线上，单片机以访问存储器或I/O设备的方式操作液晶显示模块的工作。间接控制方式只是利用它的I/O口来实现与显示模块的联系，而不使用单片机的数据系统。这种访问方式既不占用存储器空间，接口电路又与时序无关，其时序彻底地靠软件编程实现。如表2-1为LCD1602接口功能表。引脚号引脚名电平输入输出引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极（+5V）3VL液晶显示偏压信号4RS0/1输入数据/命令选择端，0：输入指令，1：输入数据5R/W0/1输入读/写选择端，0：想LCD写入指令或数据，1：从
18、LCD读取信息6D00/1输入/输出数据总线（最低位）7D20/1输入/输出数据总线8D30/1输入/输出数据总线9D40/1输入/输出数据总线10D70/1输入/输出数据总线（最高位）11BLA-VCCLCD背光电源正极12BLK接地LCD背光电源负极表2-1 LCD1602接口功能表2.3.2 LCD显示器的电路设计数据采集进来并被成功地由模拟量转化为数字量后，就被传送到系统的显示模块，让人们更直接地观察到相关数据。在本系统中，显示部分选用1602LCD液晶显示。单片机P0口控制LCD液晶显示，其中P0接4.7k欧姆的上拉电阻8个管脚后分别与控制LCD显示的D0-D7连接。具体电路连接方式
19、如图2-5所示。图2-5 LCD 显示部分2.5 报警器电路由AT89S52实现声音报警控制。蜂鸣器为无源蜂鸣器，低电平时发出声音，当室内煤气浓度超过设定的限定值时，单片机将P3.7置为低电平，三极管导通，扬声器发出蜂鸣报警，直到有工作人员将电路断开，或烟雾、温度降到限值以下。蜂鸣器负极接地，正极接三极管输出，其电路原理图如图2-6所示。图2-6声音报警电路2.6按键电路设计报警添加两个按键的电路设计，如图2-7所示。单片机P3.6和P3.7后按钮连接到地面。按K1就可以把预定煤气浓度调大，按K2就可以调小。图2-7 按键部分3煤气泄漏检测报警系统的软件部分3.1主要编程思想软件部分也是该系统
20、最重要的一部分，硬件只是实现模块的有机链接，软件编程部分才是系统的大脑支配。经过编写，运行，调试，软件部分基本可以实现所需要的大部分功能。程序流程图如图3-1所示，软件设计包含AD采样程序、数据处理程序、数码管显示程序、按键扫描程序、系统报警程序程序流程图如图3-1所示。 N Y图3-1 程序设计流程图AT89S52单片机对ADC0832传送的气体浓度信号进行处理，将浓度值与报警限设定值相比较，判断是否报警。对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到数码管显示器显示出来。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体
21、浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。在程序设计上我采用的是C语言编程。C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。C语言拥有功能丰富的库函数，运算速度快、编译效率高，有良好的可移植性，可以直接对系统硬件实现控制。C语言是一种结构化的程序设计语言，它支持目前程序设计中被广泛采用的由顶向下的结构化程序设计。此外，C语言程序还具有完善的模块程序结构，从而为软件设计中采用的模块化程序设计方法提供了有力的保障。因此，使用C语言进行程序设计已成为软件开发的一个主流。3.2 煤气检测传感器驱动分析3.2.1检测驱动程序流程程序启动之后，会进行依次的执行代码，中途会进入不
22、同的中断。煤气浓度检测的中断程序，是对煤气在空气中含量的实时监测。开启并进入中断之后，数据经行初始数据口的定义，写入并计算煤气浓度值，然后写入并计算煤气浓值，最后显示煤气的浓度数据。程序流程如图3-2所示。图3-2 检测驱动程序流程图3.2.2 系统误差的调试气敏传感器或多或少会有误差，这都是在所难免的，最大的问题是如何实现把误差最小化。气敏传感器本身决定硬件误差。基于所需要的气敏传感器的有害气体浓度范围，精确度大小，气敏传感器反应速度等一系列的问题，最终选定了MQ-5。编程方法造成软件误差。被测环境的煤气含量时时刻刻都在发生这变化，降低了被测环境的煤气含量精确度。因此，在设计中应该充分考虑，
23、经行反复的运行和调试，让检测误差缩到最小。3.3液晶显示屏驱动程序分析3.3.1显示驱动程序思路LCD1602的引脚口较多，编程相对来说有一定的难度。主要是数字显示部分及常用的字符编程。程序开始运行时，单片机内部发送起始信号，让液晶屏显示进入初始化，根据命令码设置初始状态，也就是数字显示所处液晶屏的相对的位置。然后处理显示屏中内容的编辑、字体大小、屏幕的亮度等一系列的情况，全部设置完毕并校验无误后发送字符串进行显示。LCD1602先复位，初始化后，显示屏上正常的煤气浓度。之后进行数据的处理，如果显示模块处于忙碌的状态就进行写数据，只有当显示模块出于非忙的状态时，才进行数据的读写。然后显示在显示
24、屏上，并进行不断的更新数据流。程序流程如上图3-3所示。3.3.2显示程序流程图3-3 显示程序流程图4 系统测试部分本设计的调试需要分模块。该系统的调试是基于数字电压表的设计。然后调整数码管显示，首先，通过按键设置报警门限，最后将气体浓度和键值一起组成报警阈值调整部分然后添加声光报警，通过实验测试，形成了整个系统。在硬件设计的基础上下载程序。最大的高分贝声音提醒限值为18ppm，可以通过按键调整限值大小。将实验物对着本装置的MQ-5，LCD1602上的数值会不断增大，当数值达到限定值时，声光报警就会启动。经过软件和各个模块的测试和调试，系统基本上能达到所要求的功能，达到预期的要求。在测试过程
25、中，没有黑屏或气体浓度表现出较大偏差。与其他测量结果相比，误差不大。经过严格的测试，系统没有出现其他异常情况。结语本论文是在对气体传感器和报警技术进行深入研究的基础上，通过比较，最后合理地确定系统的设计方案，并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和详细设计。整个系统最终实现了预期的目标。本系统通过设计一个以AT89S52单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、浓度显示、报警限设置、精确数据显示等功能。是一种结构简单、性能稳定以及使用方便的智能化的煤气报警器。本报警器的电路结构设计的很简单，易于维护。能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。本设计的程序以C语言编写，充分利
26、用了芯片的资源，提高了测量精度和代码执行效率，减小了代码容量，本论文研制的报警器的基础上，可以进行适当的功能扩展，使一氧化碳警器的功能更加的完善，安全性更加的高，通过现场标定及测试，满足了检测的基本要求，达到了预期的设计效果。通过本次设计也实实在在的明白了理论与实践相结合的重要性，从理论中去验证结论，用时间去检验真理，而且这个设计充分锻炼了我们动手动脑的能力，真真实实的做到了手脑结合，并看到了自己的优缺点，也同时培了我们不少的优良作风。这次设计令我感触良多，也使我收获了许多，在我大学生涯即将结束的时候画了浓墨重彩的一笔。参考文献1 孙冰,田丰,汪鹏,高金雍.纳米薄膜气敏技术发展与展望J.技术与
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30、009,23(2):157-161.致谢首先，要感谢我的指导老师侯晓云老师，在我论文撰写的整个过程中，起到了指路明灯和知识加油站的作用。一开始，我对论文的撰写思路杂乱无章，我非常烦恼，在侯晓云的帮助下，理顺了思路，一路走了下来。她自己的工作也很繁重，但她还是积极的督促着我们，不厌其烦的辅导我们，大学期间，感谢侯老师对我的关爱、爱护和教导，并让我受益匪浅。她作为老师，点拨迷津，让人如沐春风；作为师长，对我们体贴入微，让我们感念至深。能师从侯老师，我为自己感到自豪。在这里，衷心的说一句：谢谢。然后，本次的设计的顺利结束，也是离不开老师对本人的帮助。在完成的过程中，同学们积极地搜集相关资料，在他们的帮助下，毕业设计逐步完成。在此我由衷感谢我的母校。是它，给了我一个宽阔的学习平台；是它，让我不断吸取新知，充实自己；是它，让我的梦想进一步得以实现。最后，真心的感激我的老师和同学们。在今后生活中，我会记住你们的恩情，不断的提升自己，完善自己，努力成为你们的骄傲。附录仿真电路图
