煤气监控器硬件设计.docx
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煤气监控器硬件设计
煤气监控器硬件设计
摘要
家用煤气泄漏报警器是非常重要的燃气安全设备,它是安全使用城市燃气的最后一道保护。
燃气泄漏报警器通过气体传感器探测周围环境中的低浓度可燃气体,通过采样电路,将探测信号用模拟量或数字量传递给控制器或控制电路,当可燃气体浓度超过控制器或控制电路中设定的值时,控制器通过执行器或执行电路发出报警信号或执行关闭燃气阀门等动作。
可燃气体报警器的探测可燃气体的传感器主要有氧化物半导体型、催化燃烧型、热线型气体传感器,还有少量的其他类型,如化学电池类传感器。
这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附,在传感器表面产生化学反应或电化学反应,造成传感器的电物理特性的改变。
燃气泄漏报警器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。
燃气报警系统采用了PIC16F676为系统的CPU,通过单片机系统设计实现对家用燃气的控制功能,由MQ216电化学燃气传感器对燃气进行检测,如果出现燃气泄露的异常情况,燃气浓度达到一定的危险值时,则会出现相应的蜂鸣器鸣叫(声)、报警灯LED2红灯亮(光)报警,同时驱动两个继电器后所接的12V的风扇排除燃气,或驱动所接的机械手,去调节燃气出气阀的通断,或者还可以接其他的12V的装置做出相应的动作。
整个系统的硬件电路设计合理,性能安全可靠。
关键词:
气敏元件,燃气泄漏,监控器,元件灵敏度
GASMONITORINGANDHARDWAREDESIGN
ABSTRACT
Inthecurrentsociety,alotofcoalgasalarmshaveappeared,andtheseproductsaremostlytolettingoutcorrespondingalarmsmadeofcoalgas,itisfamily.Butwiththedevelopmentofsociety,coalgasalarmdeveloptoo.Microcomputercontroltechnology,sensorsintheindustrialcontrol,mechatronics,smartinstrumentation,communications,householdappliances,etc.hasbeenwidelyapplied,significantlyimprovedthetechnologicallevelofequipmentanddegreeofautomation.Thusthestructureoftheseprinciplesandweneedtounderstandandgraspthegood.
OalgaswarningsystemadoptPIC16F676computerCPUofsystem,Designarealizationthroughasinglesliceofmachinesystemtothecontrolfunctionofhousehold-usecoalgas.TheMQ216electricitychemistrycarbonmonoxideairspreadsafeelingmachinetocarryonanexaminationtothecoalgasandcomparesdensityvalueandenactmentdensityvaluegainingtogetdeviation,theprocessingthatpassestothedeviationsignalacquirescontrolsignalandregulatecoalgastogiveventtoangertheofvalvebreak.FourcoalgasdensitycorrespondinganalogquantityofunitutilizeA/Dpersonwhochangesfigureinto,andhasjoinedkeyin,carryofthewholesystemisreasonableindesign,performanceissafeandreliable.
KEYWORDS:
Gassensor,Gasleak,Monitor,Elementsensitivity
目 录
前 言
随着人们的生活水平的提高和我国燃气的变革及西气东输工程的进行,燃气或天燃气已成为多数家庭的燃料。
然而煤气或天然气大多味道不太明显,泄漏时不容易察觉。
因此每年全国会发生很多起煤气中毒事件,特别是冬季高发期,煤气中毒事件更为严重。
当一个相对环境中煤气浓度超过爆炸极限时,如果遇到火源就有极大可能发生煤气爆炸,给人民群众身体健康,生命安全和财产造成严重影响。
为此我们开发研制了智能燃气报警系统,来减少或者杜绝这些事故的发生。
计算机的普及和信息技术的迅猛发展,人们己不满足于传统的居住环境,对家庭及住宅小区提出了更高的要求,智能化被引入家庭,并迅速在世界各地发展起来。
人们对居住环境要求的日见增高,体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛,煤气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。
单片机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。
为此我们开发研制了智能煤气报警系统。
在社会信息化进程日益发展的今天,信息技术应用己渗透到人类生存、活动的各个领域,在建筑领域,人们的现代生活、工作对居住要求舒适健康、安全可靠、高效便利。
这时候气体燃料的应用也越来越广泛。
目前家用燃气,液化器、天然气作为气体燃料,已用与家庭旅馆,深入人民的生活之中。
气体燃料的应用和普及,伴之而来的是气体泄漏造成的中毒、爆炸、火灾等事故也时有发生。
其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤为严重。
众多周知由于CO与血液中的血红素的结合能力是氧的240倍,因此,当它进入人体血液循环系统后,就会大量取代氧而与血红素结合,抑制血液中氧气的释放,从而导致发生头痛、耳鸣、呕吐、血压降低等不同程度的症状发生。
如果CO中毒严重,轻者于康复过程中可能会头昏眼花、丧失记忆或引起视觉及神经上的障碍,严重者会导致脑部受损甚至发生死亡。
这就对燃气自动报警的器的设计更加迫切。
为了预防一氧化碳的泄漏,人们采用了各种措施。
家用智能燃气报警器是为了预防气体中毒的一种家用的自动报警器,也是一种高灵敏度的气体探测器,一般都是应用高灵敏度的气敏元件作气电转换元件,并配以电路和声光报警部分组成。
当泄漏的气体达到危险极限值时报警器就会发生鸣响和声光报警。
第1章概述
1.1课题研究的背景
随着我国燃气的变革及西气东输工程的进行,煤气或天燃气已成为多数家庭的燃料。
每年,因煤气泄露造成的煤气中毒事故中,因使用热水器不当或产品本身的质量问题,造成的煤气中毒事故,全国均有不少事例。
有甚者,因室内煤气浓度过高,引起煤气爆炸的事故也不少见。
家用煤气有时会因各种原因发生泄漏,煤气的主要成分是甲烷,甲烷是一种可燃性气体,遇到明火会发生燃烧甚至爆炸,所以如果在煤气泄漏时打电话,使用家用电器的话,煤气遇到电火花可能会发生爆炸事故。
人呆在煤气泄漏的空间内,甲烷的不完全燃烧可能会生成一氧化碳,人体吸入有毒气体一氧化碳后,一氧化碳将会迅速与血液中的红细胞结合导致人体中毒昏迷,如果长时间吸入泄露的煤气甚至会发生中毒死亡。
一氧化碳中毒属内科急症,如不及时发现及治疗,将会危及生命。
近年来,我国部分地区非职业性一氧化碳中毒事件时有发生。
特别是冬春季高发。
近年来发生煤气中毒事件不胜枚举。
如:
1.2008年新华社上海6月30日下午4时公安局110指挥中心接报:
上海金山区一居民小区内发生一起煤气中毒事件,导致5人死亡,1人受伤。
据警方调查,现场共有三男三女,其中三男二女已经死亡。
2.2009年1月8上海沪西兰溪路21弄居民楼一家三口8日被发现煤气中毒死亡。
近十天来,上海已有11位市民死于煤气中毒。
3.香港中通社消息,上完夜班的罗先生2009年1月7日上午9时许回到位于卢湾区鲁班路721弄鲁班大楼的家中,发现父母、妻子及12岁的女儿躺在房间里不省人事。
急救人员赶到现场,确认四人均已身亡。
4.据新华社上海2009年1月11日电 11日上午10时许,上海市普陀区石泉路135弄石泉苑小区1栋一出租房内1男1女被发现在屋内中毒身亡,屋内其余2人被送往普陀区人民医院抢救,尚未脱离生命危险。
5.上视新闻综合频道消息 2009年2月12日下午1点左右,本市接连发生两起煤气中毒事故。
控江三村134号内一对70多岁的老夫妻双双身亡。
6.延安中路955弄35号303室内也上演险情:
三名租住于此处的外籍青年在家中废气中毒,所幸抢救及时脱离了危险。
记者在医院看到,三名伤者两女一男,年龄在25岁上下。
两名女子来自菲律宾,男子系马来西亚籍。
7.2009-2-23日7点左右,闸北区延长路149号的一家拉面馆前聚集了大群围观市民,他们都在焦急地等着救护车。
在店门口的空地上,躺着两名男子和两个小孩,4人均已昏迷,其中一人还口吐白沫。
8.2009-2-23 8点左右,广西北路396号的阿牛嫂桂林米粉店内,共有6名员工先后出现煤气中毒症状,本市闸北和黄浦区各发生了一起餐馆煤气中毒事故,也有10人被先后送往闸北区中心医院。
目前,伤者经过高压氧舱治疗后,均脱离了生命危险。
1.2课题研究的目的
人们面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁,就真的没有一个彻底的解决办法吗?
据有关专家介绍,使用燃气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。
燃气专家指出,燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事响应的根源,如采有用燃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,燃气报警器防止一氧化碳中毒事故发生的有效率达95%以上。
为此我们开发研制了智能煤气报警系统。
1.3国内外研究现状及发展动态
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,以防燃气继续泄漏。
在应用方面,目前最广泛的是可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,从工厂企业到居民家庭,应用十分广泛。
仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例,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。
美国目前已有6个州立法,规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。
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、防止中毒报警防护系统等。
结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等;工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。
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。
可燃气体传感器的发展也成为气体检测系统的代表性标志。
近年来,由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高,因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。
随着先进科学技术的应用,气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。
深入研究和把握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用,理解各类气体传感器的工作原理和作用机理,正确选择各类传感器的敏感材料,灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等,使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。
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,据有关统计猜测,美国1996年—2002年气体传感器年均增长率为(27~30)%。
目前,气体传感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,这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了检测(0.1~10)×10-6硫化氢低功耗气体传感器,美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器,美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。
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传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感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”传感器实现了智能化、多功能化。
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。
1.4系统设计基本内容
针对经常发生的煤气泄漏中毒事件,采用煤气、甲烷、乙烷及一氧化碳等气体传感器、单片机、电磁阀和蜂鸣器,设计一套有毒气体检测、报警电路,显示室内空气质量(分优、良、中、好、差五级),用单片机模块分路控制继电器、发光二极管和蜂鸣器。
报警系统由硬件和软件两大部分组成。
其中硬件部分由各报警感应器、感应器控制器、主控器等设备组成。
软件部分主要是报警系统控制程序。
气敏传感器用来检测空气中煤气的浓度,当空气中煤气含量超过允许标准浓度后,感应器所获得的感应信号均被感应器控制器所接收,再由感应器控制器对各感应信号进行相应识别和处理,并将处理后的感应信号通过串口送至主控器,由主控器对其采取相应的警报动作。
报警信号加至报警声响电路的控制端后,报警声响电路被触发,发出报警声,同时关闭总气阀。
本课题在硬件设计方面主要研究组成家用煤气泄漏报警控制系统的单片机芯片、气体传感器总线的使用方法,同时研究电路设计思路、电路组成,包括控制芯片、气体传感器、单片机、显示电路等的选用和设计,最后给出结构框图、电路原理图。
系统软件设计方面的分析设计包括主机和从机程序设计分析等。
本文主要侧重于系统的硬件设计。
1.5报警器的总体规划
本燃气报警系统的整框图如图1-1所示。
图1-1燃气报警系统的整体框图
此燃气报警系统的整体框图由几大模块组成,分别是由变压器、整流电路、滤波电路等组成的电源模块;接MQ216传感器的燃气探测电路模块;接蜂鸣器的声音报警电路模块;PIC16F676单片机的主控制电路模块;发光二极管的发光报警电路模块;由两个继电器驱动,可接风扇或机械手或智能报警电话等的电路模块。
各模块的相应接法如图中所示。
本燃气报警系统是一种新型的电子安全报警系统,该系统的设计是将电子探测和智能控制相结合,从而形成燃气报警系统。
系统总体构成包括燃气探测器(主要是MQ216燃气传感器)、语音报警系统、复位电路和电源电路等几大模块。
系统组成如图1-1所示。
该燃气报警器可以安装于居民住宅,用于对居民住宅探测智能住宅关于燃气的泄漏,并对从探测器采集来的信号进行处理。
当出现异常情况时,通过报警系统告知人们并进行相应的处理(如驱动排风扇运作排出燃气,驱动电话线路自动报警,驱动机械手作相应动作等)。
这里面还有声光报警:
当出现异常情况的时候会听到蜂鸣器鸣响,同时有绿灯熄灭,红灯亮;当正常工作的时候,红灯不亮,绿灯亮。
第2章系统主要模块的选用与设计
微处理器的出现极大地促进了生产力的发展,提高了人们生活的质量实现了工业的现代化和自动化。
Internet技术的飞速发展,使得基于分组交换技术的通信性能、通信质量和可靠性得到稳步提高。
基于8位和16位单片机的嵌入式设备(如仪器仪表、数据采集和显示、过程控制、工业自动化等)的实时应用、测控系统正在走向网络智能化。
这就要求企业从现场控制层到管理层能实现全方位的无缝信息集成,实现远程维护、智能诊断以及远程管理功能,提供一个开放的基础构架,并具有高可靠性、分散控制、集中监视和管理的功能。
2.1系统实现方案与器件选择
现在市场上的煤气监控器种类非常多,区别主要是内部芯片不同。
本课题的设计是基于单片机PIC16F676模块的设计。
其他模块还有由变压器、整流电路、滤波电路等组成的电源模块,MQ216传感器的燃气探测电路模块,蜂鸣器声音报警电路模块,发光二极管的发光报警电路模块,两个继电器驱动,可接风扇或机械手或智能报警电话等模块。
2.2模块介绍
本系统采用的单片机是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.
PIC单片机是一个小的计算机。
它有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制允行。
然而,处理能力—存储器容量却很有限,这取决于PIC的类型。
但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右,存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。
时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。
但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力,它还随处理装置的体系结构改变。
如果是同样的体系结构,时钟频率较高的处理能力会较强。
因为PIC单片机可以把计算部分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。
所以她工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求,而不必去更换不同的IC。
这样电路才有可能做的很小巧。
2.2.1PIC16F676模块
1.高性能RISCCPU
(1)只需学习35条指令
除程序分支指令外,其余所有指令均为单周期指令。
(2)工作速度
DC-20MHz振荡器/时钟输入
DC-200ns指令周期
(3)中断能力
(4)8级深硬件堆栈
(5)直接寻址,间接寻址,相对寻址等寻址模式
2.单片机性能特性
(1)可选择内部和外部振荡器
内部高精度4MHz振荡器,出厂时精度校准为
1%
可使用晶振和谐振器作为外部振荡器
电压典型值为3.0V时,从休眠模式唤醒只需5us
(2)省电休眠模式
(3)宽工作电压范围:
2.0至5.5V
(4)工业级和扩展级温度范围
(5)低功耗的上电复位(POR)
(6)上电定时器(PWRT)和振荡器起振定时器(OST)
(7)欠压检测(BOD)
(8)带有独立振荡器的看门狗定时器(WDT)以保证可靠运行
(9)复用MCLR/输入引脚
(10)引脚电平变化可触发中断
(11)独立的可编程弱上拉功能
(12)可编程代码保护
(13)高持久性的FLASH/EEPROM单元
FLASH可经受100000次写操作
EEPROM可经受1000000次写操作
FLASH/数据EEPROM的数据保存期超过40年
3.低功耗特性
(1)待机电流:
1nA@2.0V,典型值
(2)运行电流:
8.5uA@32KHz,2.0V,典型值
100uA@1MHz2.0V,典型值
(3)看门狗定时器电流:
300nA@2.0V,典型值
(4)Timer1振荡器电流:
4uA@32KHz,2.0V,典型值
4.外设特性
(1)12个具备独立方向控制功能的I/O引脚
(2)高拉/灌电流能力,可直接驱动LED
(3)模拟比较器模块:
一个模拟比较器
可编程的片内比较器基准电压(CVREF)模块
与器件输入引脚复用的可编程输入
可对比较器输出进行外部访问
(4)模数转换器模块(PIC16F676):
10位分辨率
可编程的8通道输入
基准电压输入
(5)Timer0:
带8位可编程预分频器的8位定时器/计数器
(6)增强功能的Timer1:
带预分频器的16位定时器/计数器
外部门控输入模式如果选择INTOSC方式,在LP模式中可以选择OSC1和OSC2作为Timer1的振荡器
(7)通过两个引脚可进行在线串行编程
此单片机是14引脚闪存8位CMOS其结构图,如图2-1
图2-1PIC16676结构图
在本燃气报警系统中用到的单片机功能比较简单,多种单片机都可实现本系统中要实现的功能。
在本系统中选用PIC16F676这款单片机。
一款单片机无论是软件还是硬件功能多么的强大,当它嵌入到被控系统中,都是通过引脚上的信息吞吐来实现控制功能和体现自身存在价值的。
因此,需要我们对单片机的每一根引脚所能发挥的作用有一个全面的了解。
PIC16F676这种型号的单片机采用双列直插和表面贴装等3种14引脚封装形式:
PDIP14、SOIC14和TSSOP14。
引脚排列如图2-2所示。
从图2-2中可以看出,PIC16F676单片机多数的引脚都具备第二功能,甚至第三功能。
原因是,该系列单片机是目前世界上片内集成了外围设备模块最多的单片机品种之一。
为了单片机增加功能而又不增大体积,即片内外围模块的数量增加了许多,而芯片引出脚又不增加,就只能采取引脚功能高度复用的方式。
14脚的PIC16F676单片机结构框图如图2-2所示,各个引脚的功能表2-1所示。
对于熟练掌握PIC系列单片机的开发者来说,引脚功能丰富会给单片机应用项目的设计和研制带来极大的灵活性。
但是对于初次认识PIC系列单片机的初学者来说,引脚功能过多会给学习和应用带来一定的难度,不知从何入手。
有此次燃气报警系统设计中,对单片机的应用比较简单,所以仅需了解它的基本功能就行了。
图2-2引脚示意图
表2-1引脚功能表
名称
功能
输入类型
输出类型
说明
RA0/AN0/
CIN+/ICSPDAT
RA0
TTL
CMOS
双向I/O,带可编程上拉和电平变化中断功能
AN0
AN
---
A/D通道0输入
CIN+
A
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