可燃气体探测控制系统

PINGDINGSHAN UNIVERSITY

毕业设计

题 目: 可燃气体探测控制系统

院(系专业年级: 电气工程及其自动化2012级专升本

姓 名: 李 斌

学 号: 123220121

指导教师: 赵志敏 副教授

2014年4月08日

原 创 性 声 明

本人郑重声明：本人所呈交的毕业设计，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。毕业设计中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

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论文作者签名： 日 期：

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平顶山学院2014届本科生毕业设计 可燃气体探测控制系统 李斌

可燃气体探测控制系统

摘 要

本设计主要阐述了可燃气体探测控制系统的软硬件设计，开发设计了一种基于89C2051的可燃气体报警器。为了提高系统的灵敏度和准确性，系统采用一种十分稳定的半导体烧结型传感器MQ-412。该报警器对可燃气体进行实时控制，当可燃气体的浓度超过允许值时，控制电路进行报警, 设计的可燃气体监测报警器具有性能稳定、测量准确等优点。可以实时、准确检测可燃性气体，并且还可以长时间可靠无误的报警，具有很广泛的应用前景。

关键词：报警器；传感器； 89C2051；蜂鸣器

Combustible gas detection control system

Abstract

This paper mainly expounds the combustible gas detection control system hardware and software design. Development and design of a 89C2051 based combustible gas alarm, in order to improve the system sensitivity and accuracy, the system adopts a very stable semiconductor sintered type sensor MQ-412. The alarm of flammable gases are controlled in real time, when the gas concentration exceeds the allowable value, the control circuit design of alarm, combustible gas monitoring alarm has the advantages of stable performance, accurate. The alarm can be real-time, accurate detection of combustible gas, and can reliably for a long time without false alarm, has very wide application prospect.

Key words: alarm; sensor; single chip 89C2051; buzzer

目录

1 绪论 ............................................................................................................................ 1

1.1 选题的背景和发展现状 ........................................................................................ 1

1.2 设计任务 ................................................................................................................ 1

2 系统总体方案 ............................................................................................................ 3

2.1 常用的气体传感器探测技术 ................................................................................ 3

2.2 气体传感器的基本原理和方法的比较 ................................................................ 3

2.2.1 半导体气体传感器 ......................................................................................... 3

2.2.2 电化学气体传感器 ......................................................................................... 4

2.2.3 催化燃烧式气体传感器 ................................................................................. 4

2.2.4 红外线气体传感器 ......................................................................................... 5

2.2. 5 光电离型气体传感器（PID ） . ..................................................................... 5

2.2.6 传感器的选择 ................................................................................................. 6

2.3 方案的选择 ............................................................................................................ 6

2.4设计使用的气体传感器工作原理 . ........................................................................ 7

2.5智能可燃气体探测控制器系统工作原理 . ............................................................ 8

3 硬件系统 .................................................................................................................... 9

3.1开关电源 . ................................................................................................................ 9

3.2采样电路 . .............................................................................................................. 10

3.3手动按钮控制 . ....................................................................................................... 11

3.4 继电器控制电路 .................................................................................................. 12

3.5 报警电路 .............................................................................................................. 12

3.6 LED 报警电路 . ................................................................................................... 13

3.7 故障检测 .............................................................................................................. 13

4 元器件的选择 .......................................................................................................... 15

4.1电源部分 . .............................................................................................................. 15

4.2声光报警 . .............................................................................................................. 15

4.3继电器输出控制电路 . .......................................................................................... 16

4.4气敏元件选择 . ...................................................................................................... 16

4.5浓度采样电路元件选择 . ...................................................................................... 17

4.6 检测故障元件选择 .............................................................................................. 17

5 软件设计 .................................................................................................................. 18

5.1 软件设计流程图 .................................................................................................. 18

5.2 软件设计要求 ...................................................................................................... 18

5.3 软件程序设计 ...................................................................................................... 19

5.3.1 子程序 ........................................................................................................... 19

5.3.2 中断 ............................................................................................................... 19

5.3.3短暂恢复程序 ....................................................................................................... 20

6 总结 .......................................................................................................................... 20

附录 ................................................................................................................................ 21

参考文献 ........................................................................................................................ 22

致谢 ................................................................................................................................ 23

1 绪论

1.1 选题的背景和发展现状

可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油挥发气体、酒精蒸发气、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分。是易燃、易爆、有毒、有害的气体。因此。在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或设备密封质量不好，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极大地损失。

为了防止这类事故的发生，装设可燃气体浓度检测报警装置是非常必要的， 可以及时发现事故隐患，尽早采取补救措施。

报警器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指报警器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，报警器技术难以为继。

在国家的支持下，我国的报警器技术及其产业取得了长足进步。2005年，一种基于视频的运动分析监测技术的入侵探测技术开始在我国出现，由于其具有使用方便、监测面广、设备简单等特点，逐渐受到市场和用户的欢迎。国内已经有许多研究单位或机构对此技术进行了研究，并取得了很多的研究成果。

学术交流方面，固定每两年召开一次的由敏感元器件与报警器分会发起主办的“‘STC ’全国敏感元件与报警器学术会议”已延续至今，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与报警器学术团体联合组织委员会”。

1.2 设计任务

1

在工业生产和日常生活中，经常使用H2、CO 等多种可燃气体。为确保生命和财产安全，在使用可燃气体的场合，必须安装可燃气体探测报警器，以防止发生意外。本设计是在传统的可燃气体报警器基础上进行技术改造的，因此，吸收了原产品的技术优点，增添了新的功能。

传统的可燃气体报警器采用分立式元件构成，使用中刚通电时，气敏元件处于不稳定状态，无论有无可燃气源都会发出报警声，输出控制频繁操作，造成现场安装调试比较麻烦。同时，因缺少对气敏元件传感器预热时间的控制，缺少气敏元件传感器本身短路或断路故障的检测，缺少有明显区别的声、光报警，不能符合可燃气体产品的新标准，必须研制新产品。可燃气体探测控制系统就是在此基础上进行研制的。

可燃气体探测控制系统主要实现功能：

1、对可燃气体进行测量和探测可燃气体弄苏达到报警设定值时，应能报警。

2、能设定可燃气体浓度报警值，范围在（1％～25％LEL ）查阅国家推荐标准GT/T12474-90《空气中可燃气体爆炸极限测定方法》爆炸极限大于4%LEL。

3、探测器的报警动作值与可燃气体浓度报警设定值之差不应超过±3%LEL。

4、常工作：绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。

5、可燃气体浓度超范围报警：

（1）、在报警范围内，实行声、光（红色指示灯）报警。

（2）、从报警区移到干净空气区，30秒内应正常显示。

6、故障报警：传感器断路、短路时应发出与可燃气体浓度超范围报警明显区别的声、光（黄色指示灯）报警。

7、声、光设置手动自检功能。

8、浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。

2

2 系统总体方案

2.1 常用的气体传感器探测技术

目前，有多种不同的技术可用于检测气体。

国外从30年代开始研究开发气体传感器。过去气体传感器主要用于煤气、液化石油气、天然气以及矿井中的瓦斯气体的检测与报警，目前需要检测的气体种类由原来的还原性气体(H2， C4H10， CH4等) 扩展到毒性气体(CO ，NO2， H2S ， NO ， NH3， PH3等) 。气体传感器种类繁多，从原理上可以分为三大类：

(1) 利用物理化学性质的气体传感器:如半导体、催化燃烧等。

(2) 利用物理性质的气体传感器:如热导、光干涉、红外吸收等。

(3) 利用电化学性质的气体传感器:如电流型、电势型等。

2.2 气体传感器的基本原理和方法的比较

2.2.1 半导体气体传感器

半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，利用待测气体与半导体表面接触时，发生氧化和还原反应而导致的以载流子运动为特征的电导率或伏安特性变化来检测气体的。由于传感器成品在不同温度范围内显示出不同的气体反应特性，因此传感器采用的加热元件来调节温度，该加热器有专用电路进行调节和控制。

半导体气敏元件有N 型和P 型之分。N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小，P 型阻值随气体浓度的增大而增大。SnO2属于N 型半导体，在200~300℃它吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减小，从而使其电阻值增加。当遇到能提供电子的可燃气体时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面。氧脱附放出电子，可燃气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体带电子密度增加，阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物半导体又会自动回复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始值状态。

半导体型气体传感器反应十分灵敏，价格便宜，应用电路简单；能够检测的

3

气体范围非常广，可用于检测150多种不同的气体；预期寿命很长，通常可达十年或以上；既能够检测低浓度ppm 水平的气体，也能够检测高浓度的气体。缺点是易于受到干扰气体的影响，易于受到环境温度、湿度的影响，需进行温湿度补偿；选择性比较差。传感器的输出非线性，因此标定比较困难。

2.2.2 电化学气体传感器

最早的电化学气体传感器可以追溯到20世纪50年代，当时用于氧气检测。电化学气体传感器通过与目标气体发生反应并生产与气体浓度成正比的电信号来工作的。典型的化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，两者之间由一个薄电解层隔开，

气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理，这些反应由针对目标气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间连接的电阻器，与电气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动，测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。参考电极的作用是为了保持传感电极上的固定电压值，为改善传感器性能。

电化学传感器通常对目标气体具有较高的选择性，对气体的响应迅速，对工作电源的要求很低，在可用的所有气体监测传感器类型中，它的功耗是最低的，且不受潮湿影响。但是，电化学传感器只适用于监测低浓度ppm 范围，除应用于氧气外，一般用于有毒气体的监测。其预期寿命为一至三年，可能远远达不到这个寿命。电化学传感器更换的费用很高，尤其是在使用的仪器数量很多时。

2.2.3 催化燃烧式气体传感器

此类传感器主要用于检测可燃气体，对不燃烧气体不敏感，但其具有光谱特性，它们的使用已有50年以上的历史。最初这类传感器用于监控采矿场中的气体，在此之前采矿厂都是使用金丝雀来监测可燃气体。催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理。催化燃烧式气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面 4

及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。

催化燃烧传感器稳定、可靠、精确、耐用，并具有很长的使用寿命，输出呈线性，相对较为便宜。但其敏感性会随时间而减弱；当暴露于过高浓度、过高热量及在传感器表面发生各种氧化反应时，传感器最终可能发生退化，有时会改变传感器的零点和跨距偏移；催化剂中毒会导致传感器丧失敏感性并最终对目标气体完全无反应；催化传感器会燃烧所检测的气体，因此传感器材料会在反应过程中被消耗和更改，最终导致传感器烧毁。电化学和催化燃烧传感器需要定期标定，通常为三个月一次；传感器在使用1到3年后通常需要等换。

2.2.4 红外线气体传感器

红外气体传感器是红外线为介质的测量系统，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来工作的，可以将电磁辐射能量或温度变化转化为电信号。由于气体分子对红外区的吸收与选择均是唯一的，利用气体分子的吸收特性可以确定气体分子，并存档以供气体分析和鉴定之用。然后可以将这些曲线库存入仪器内的存储器中。当仪器扫描到给定气体时，会将扫描产生的曲线与储存的曲线进行比较以鉴定飞气体分子。红外检测器有多种类型，每种类型的检测器均具有不通的特性。

红外式传感器是目前为止最精确的气体探测技术，反应灵敏，寿命至少4年，后期维护费用远远低于其他技术。但是，结构复杂，成本高，能够检测的气体范围有限，且需定期进行标定。

2.2. 5 光电离型气体传感器（PID ）

光电离型气体传感器由紫外灯光源和离子室等主要部分构成，在离子室有正负电极，形成电场。待测气体分子受到紫外光辐射而电离，生成正负离子，在电极间形成电流，经放大输出信号。

5

光电离技术具有灵敏度高、无中毒问题、安全可靠、不会受到高浓度气体的伤害等优点。缺点是选择性差，需要经常标定以确保准确性。

2.2.6 传感器的选择

经果对比上述可燃气体传感器的应用特性，发现半导体可燃气体传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体可燃气体传感器作为报警器可燃气体信息采集部分核心的。本设计根据要求及成本考虑采用半导体烧结型SnO2和Fe2O3气敏传感器。

2.3 方案的选择

1. 方案一

由于可燃气监测报警器主要包括模数转换输入模块、主处理模块、显示模块、报警模块等部分。主要做以下设计：

(1) A/D转换器控制程序，要控制A/D转换器能按照要求的时间分别对可燃气监测传感器测得的结果进行数据的转换并传送给单片机。

(2) 数码管与单片机的接口电路控制程序，用数码管显示测得的浓度值。

(3) 发光二极管，蜂鸣器的控制程序，当超过设定浓度，进行声光报警.

(4) 电路正常工作时绿灯闪烁。

分析：此设计比较全面、完善，而且电路简单实用，设计到的模块比较简单，利用高灵敏度的传感器。但是设计成本比较高实现的功能比较少。

2. 方案二

鉴于此系统所要实现的功能，提出如下方案并进行分析。

采用单个传感器检测可燃气体浓度，将检测到的浓度结果通过浓度采集电路转化成电压信号，若电压超过一定的限度，报警电路启动，利用MCS-51单片机控制声音报警。

分析：此设计十分简单，也十分实用。但是对可燃气体浓度的采集不是很精确，只是符合生活必须。

3. 方案三

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以MCS-51系列单片机A T89C2051为核心，不通过A/D转换器，采用一般的整流放大，采样等电路直接与单片机相连，设计思想简单，可燃气体探测控制系统主要功能以及技术要求包括：

（1）对可燃气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。

（2）能设定可燃气体浓度报警值，范围在1%-25%。

（3）探测器的报警动作值与可燃气体浓度报警设定值之差不应超过±3%LEL

（4）正常工作：绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。

（5）可燃气体浓度超标范围报警应满足如下条件：

①在报警范围内，实行声、光（红色指示灯）报警。

②从报警区移到干净空气区，30秒内应正常显示。

（6）故障报警：传感器断路、短路时应发出与可燃气体浓度超标时有明显区别的声、光（黄色指示灯）报警。

（7）声、光设置手动自检功能。

（8）浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。

分析：此设计的电路功能齐全，本着设计简单、调试方便、安装灵活、安全可靠，节约成本的原则，完成该设计。

根据以上的对比，方案三设计思想简单，节约成本等优点，因此选择此方案。

2.4设计使用的气体传感器工作原理

目前，使用最广泛的是烧结型SnO2和Fe2O3气敏传感器。烧结时埋下加热丝和测定电极制成管芯。工作时，加热丝通电加热，测量丝用于测量器件的阻值。

使用该气敏元件测量气体成分含量的原理是：

当被测可燃气体通过气敏元件的表面时，会发生热化学反应（无焰燃烧），燃烧后的SnO2等金属氧化物中的氧与还原性气体结合，使金属氧化物的阻值发生变化，而且其大小与被测气体浓度成一定比例。通过测量这一变化，就可知空气中可燃性气体浓度的大小。

本设计是基于可燃性气体传感器的单片机检测和控制。根据设计要求，选择可燃气体气敏元件MQ-412作为本设计用气体传感器，可检测天然气、煤气、液化气、氢气等多种可燃性气体。

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该传感器具有长期的稳定性，对可燃性气体有较高的灵敏度、良好的抗温性、良好的重复性；测量范围宽，为100~10000PPM；对可燃性气体响应时间＜10秒，从可燃性气体区移到洁净区域恢复时间＜30秒；加热电压为5V ，测量电压范围为5~10V；在洁净空气中的测量电阻大于50K Ω；测量可燃性气体浓度和测量端电阻成线形变化。传感器结构和测量电路如图1所示，Vb 为加热电压，Va 为测量电压。

图2-1 传感器结构和测量电路图

2.5智能可燃气体探测控制器系统工作原理

根据可燃性气体传感器工作原理，按照传感器测量电路图，将可燃性气体浓度转换为电压信号，供浓度采样电路和报警电路使用。

根据本设计检测要求，考虑经济因素，不采用模/数转换器，而采用可燃气体浓度测量值与可燃气体浓度超范围的电压设定值进行比较的方法。洁净空气中可燃性气体传感器测量电阻大于50K Ω，在可燃性气体浓度中可燃性气体传感器测量电阻变化较大，其值可变至几K Ω。因而，在测量电压为+5V时，可燃性气体传感器测量输出电压也可从0.3V 变化到4.5V 以上。

根据本设计的要求，实际测量的可燃性气体浓度电压范围在0.3V~3.5V之间，考虑余量，设计可燃性气体的浓度电压范围限制在0.3V~4.0V之间。设计中，采用运算放大器作为可燃性气体浓度测量值和设定可燃性气体超限浓度电压基准的比较器，比较器输出连到单片机的输入端。可燃性气体传感器测量电压为+5V时，设定可燃性气体浓度超限电压基准范围在0.3V~4.0V之间。若可燃性气体浓度大于电压设定值时，则单片机检测到气敏元件有浓度超限发生，单片机发出声、光报警，关闭气源阀门。

在进行气敏元件断路故障检测时，可燃性气体传感器输出端电压接近0V ，为低电平；气敏元件短路的故障检测时，可燃性气体传感器输出端电压接近+5V

，为 8

高电平。因此，采用运算放大器作为可燃性气体输出和故障设定电压值的电压比较器。短路比较器的电压基准值设定为+0.3V，断路比较器的电压基准值设定为+4.9V，比较器输出连到单片机的输入端。当单片机检测到气敏元件有故障发生时，发出故障声、光报警。此处声、光报警与可燃性气体浓度超范围报警有明显区别。手动自检功能通过不互锁按钮实现，常开按钮输出连到单片机的输入端，通过检测常开按钮的电平变化来检测按钮的闭合和松开。

因为输出控制不频繁操作，所以选择继电器输出控制电磁阀来实现气源阀门的关闭，从而达到确保生命和财产安全的目的。

3 硬件系统

硬件结构主要有交流电源开关电路、电源整流电源稳压等组成。

交流电源通过滤波电路滤波及稳压电路稳压，给传感器采样电路提供稳定的采样电压，然后把浓度比较及故障比较的信号送入单片机，通过单片机这个大脑然后控制声光报警。

图3-1系统硬件连接框图

3.1开关电源

由于本设计要求体积小，功率不大，考虑重量及抗干扰因素，电源设计采用普通自激式开关电源，单电源+5V供电。由L1、R1~R7、V1~V2、C1~C5、T 等组

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成开关电路， 并由二极管D1、C6、C18构成整流滤波电路，最后经过LM7805稳压和电容滤波，输出+5V电压。如图3-2所示。

图3-2 开关电路

3.2采样电路

采用MQ-412型半导体气敏元件，作为可燃气体浓度测量的传感器。从经济角度出发，加热电压、传感器回路电压均有+5V电压供给。测量电路由二极管D2、半导体气敏元件M1、电位器RW 、R14、R15、R19、C14、C15等元件组成。二极管D2起一个降压和测量隔离作用。可燃气体浓度的电压比较值，利用的是电压叠加的原理。+5V电压经R14、R15、R19、RW 分压后，叠加可燃气体传感器输出的电压一起提供给比较器3脚。调节电位器RW 可以调节电压的初始值，从而达到改变可燃气体浓度的设定值。在洁净空气中保证比较器3脚的电压值为0.3V 左右。

比较器2脚为比较电压的基准。由R16、RT 、R17、R18分压提供，C13起稳定工作点电压的作用。该标准基准电压为2.2V 。

当可燃气体浓度增大时，气敏元件的阻值变小，运放U3A 输入端3脚的电压升高，与2脚电压进行比较，其结果由U3A 1脚输出。R14、R15对小信号进行整形、放大。U3B 、R16~R18、RT 、C13对放大信号进行比较。大于比较电压，输出+5V电压，为高电平；小于比较电压，输出低电平。输出连接到单片机的输入脚，供单片机判断。单片机输入脚等于高电平，可燃气体浓度不超范围；等于低电平， 10

可燃气体浓度超范围，发出浓度超限声、光报警，关闭气源阀门。

图3-3 浓度采样电路

3.3手动按钮控制

如图3-4所示：由不互锁按钮K 、R9、C17构成。在可燃气体浓度测量正常范围内，按一下，自检可燃气体浓度超范围故障，发出声、光报警，关闭气源阀门。再按一下，自检恢复正常绿灯闪烁。长时间按住3秒钟，自检发光二极管和蜂鸣器工作状态，不关闭气源阀门：

（1）正常显示，绿灯闪烁，计时5秒。

（2）可燃气体浓度超范围发出声光报警计时5秒。

（3）气敏元件断路和短路故障发出声、光报警，计时5秒

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+5V

图3-4 手动按钮控制

3.4 继电器控制电路

继电器输出电路由V3、V4、D6、R11、R13和继电器组成。当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚输出低电平，三极管V3、V4导通，继电器吸合，1、3脚连通，+8V电压加到电磁阀两端，电磁阀动作，关闭气源。二极管D6起续流作用，保护三极管不被继电器反电势击穿。二极管D11起续流作用。

图3-5 继电器控制电路

3.5 报警电路

报警电路由R12、V5、S2组成。三极管V5工作在饱和状态，起功率放大作用。

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当可燃气体浓度小于浓度设定值（正常工作）时，单片机对应引脚输出高电平，不报警；当检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚输出低电平，三极管V5导通，执行报警。

当气敏元件发生短路或断路故障时，单片机对应引脚输出低电平，三极管V5导通，发出故障报警。浓度超限报警和故障报警两种报警声有明显区别，分别由

图3-6报警电路图

3.6 LED 报警电路

由于对发光颜色有不同要求，所以选择LED 双色（红、绿）共阳极发光二极管作为光源。绿色指示灯闪烁点亮，表明智能可燃气体探测控制器正常工作。

检测可燃气体浓度大于浓度设定值时，单片机对应引脚输出低电平，红灯常亮，发出声、光报警。当气敏元件发生短路或断路故障时，单片机对应引脚全部输出低电平，黄灯（红灯和绿灯合成）常亮，发出有明显区别的声、光报警。

图3-7光报警电路

来自单片机输出

来自单片机输出

来自单片机输出

3.7 故障检测

气敏元件发生短路时，气敏元件输出直接连到+5V,

为高电平。气敏元件发生

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断路时，气敏元件输出接近0V ，为低电平。而正常工作及可燃气体浓度超过浓度设定值的气敏元件输出范围为(0.3V~4.0V) 。所以设定气敏元件短路的基准。电压值为4.9V ，设定气敏元件断路的基准电压值为0.3V 。气敏元件输出小于0.3V ，为气敏元件断路故障。气敏元件输出大于4.9V ，为气敏元件短路故障。由电阻R20~R21 、R23~R24、双运放U4构成故障检测电路。

R23

R24断路检测

断路检测

图3-8 故障检测电路 表3-1 工作过程

类型 正常工作 短路与断路故障 浓度超限 按自检按钮单数 按自检按钮双数 长按3秒钟自检：

指示灯 绿灯闪烁 黄灯常亮 红灯常亮 红灯常亮 绿灯闪烁 绿灯闪烁5秒 红灯常亮5秒 黄灯常亮5秒

继电器 不动作 不动作 动作 动作 不动作 不动作

蜂鸣器 不报警 急促报警 缓慢报警 缓慢报警 不报警 不报警 缓慢报警 急促报警

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4 元器件的选择

4.1电源部分

本设计是在传统的可燃气体报警器基础上进行技术革新的，因此采用原有的开关电源。

本设计单片机部分负载电流约100毫安，气敏元件负载电流约150毫安，LM7805输入电压为+8V，考虑余量，设总的工作电流为300毫安，则总的功率约3W ，LM7805的功耗为（300毫安×3V ）1W 。因此，LM7805必须加散热器。

开关电源以效率高、电压适应范围宽而得到广泛应用。开关电源的稳压原理均采用脉冲调宽式的稳压方式，即通过自动改变开关功率管的关闭和导通时间的比例，或通过改变振荡器输出脉冲的占空比来达到稳压的目的。本设计采用原设计中成熟的开关电源电路。电路中加入了吸收电路（由电容和二极管并联组成）、电感、压敏电阻等以提高电源的抗干扰和耐冲击性能。

电路中，整流二极管流过的电流约300毫安，直流电压约300V ，整个开关电路工作频率只有几十KHz ，本着经济的原则，选用市场上通用的IN4007整流二极管、开关功率管E13003等元器件。触发二极管选用DB3。考虑功耗，R3、R4、R6、R7选用0.5W 的电阻，其余电阻选用0.25W 。

主要器件的选择：

整流二极管：1N4007（1A/1000V）； 开关功率管：E13003（3A/1000V）。 触发二极管：DB3； C1、C2电容：CBB-400-100N-I ：电容其滤波作用。

4.2声光报警

单片机AT89C2051的P1口、P3口低电平时的吸收电流可达20mA ，不需要外接驱动电路，可直接驱动发光二极管。所以选用LED 双色（红、绿）共阳极发光二极管BT311057，经限流电阻直接连到单片机引脚。单片机高电平时，发光二极管不亮；低电平时点亮发光二极管。发光二极管的发光亮度强弱由流过它的电流决定，通常2mA 以上就能保证发光二极管可靠发光，它的正常工作电流为8~10mA，发光二极管的压降为1.5V 。所以，选择发光二极管的正常工作电流为10mA ，则它

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的限流电阻可由以下公式计算：RL=（5-1.5）V/10mA=350Ω，取限流电阻为360Ω。

蜂鸣器用来作为报警指示，选用直流型FM12-5V 型号。蜂鸣器工作电压为+5V，工作电流在20mA 以上。单片机的驱动电流不够，不能直接驱动，必须外接功率驱动。因此，选用PNP 型三极管9012作为蜂鸣器的功率驱动，与基极相连的电阻取2K 阻值，保证三极管工作在饱和状态。

4.3继电器输出控制电路

继电器是感性元件，驱动电流较大，单片机不能直接驱动，必须经过电路的转换。继电器选用SRS-05DC-SL 型号，用直流+5V供电。三极管选用常用的PNP 型9012、NPN 型9013作为继电器的功率开关。继电器的常开触电一端接7805稳压电源的输入端+8V，另一端接电磁阀。单片机对应引脚输出低电平，三极管V3、V4导通，继电器常开触点吸合，供给外界电磁阀直流+8V电压。接着，电磁阀动作，电磁阀常开触点闭合，关闭气源。二极管D6选用IN4007型号，在电路中起续流作用，保护三极管不被继电器反电势击穿。电磁阀是感性元件，驱动电流较大，电磁阀选用ExiBIIBT3型号，采用直流+8V电压供电；D11选用IN4007型号，在电路中起续流作用。

4.4气敏元件选择

目前，使用最广泛的是烧结型SnO2和Fe2O3气敏传感器。烧结时埋下加热丝和测定电极，制成管芯。工作时，加热丝通电加热，测量丝用于测量器件的阻值。加热电压为+5V，测量电压范围为（5~10V）。

本设计是基于可燃性气体传感器的单片机检测和控制。根据设计要求，选择可燃气体气敏元件MQ-412作为本设计用气体传感器，可检测天然气、煤气、液化气、氢气等多种可燃性气体。加热电压为+5V，通电电流为150mA ，由7805输出直接提供；测量电压选+5V。

该传感器具有长期的稳定性，对可燃性气体有较高的灵敏度、良好的抗温性、良好的重复性；测量范围宽，为100~10000PPM；对可燃性气体响应时间＜10秒，从可燃性气体区移到洁净区域恢复时间＜30秒；加热电压为5V ，测量电压范围为5~10V；在洁净空气中的测量电阻大于50K Ω；测量可燃性气体浓度和测量端电阻成线形变化。

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4.5浓度采样电路元件选择

本设计对运放精度要求不高，可选用双运放TL062作为浓度电压比较器。测量电路由二极管D2、半导体气敏元件M1、电位器RW 、R14、R15、R19、C14、C15等元件组成。二极管D2起一个降压和测量隔离作用。

比较器2脚的电压基准，由+5V电压经R16、RT 、R17、R18分压提供，C13起稳定工作点电压的作用，RT 为热敏电阻。选择合适的参数，使该标准基准电压为2.2V 。

可燃气体浓度的电压比较值，利用的是电压叠加的原理。+5V电压经R14、R15、R19、RW 分压后，叠加可燃气体传感器输出的电压一起提供给比较器3脚。调节电位器RW 可以调节电压的初始值，从而达到改变可燃气体浓度的设定值。在洁净空气中比较器3脚的电压值为0.3V 左右，在测量浓度范围内，比较器3脚的电压值小于4.0V 。

主要器件的选择：

热敏电阻RT ：RM-12K ；电阻R16、R18：RJ-0.25-10K ； 双运放：TL062； 电阻R17：RJ-0.25-6.8K ； 电阻R19：RJ-0.25-1K ； 电阻R14：RJ-0.25-2K ； 电容C14：16V-220uf ； 电阻R15：RJ-0.25-330K ； 电位器RW ：W-203 ； 二极管 D2：IN4007 ； 电容C13：16V-10uf 。

4.6 检测故障元件选择

气敏元件发生短路时，气敏元件检测点直接连到+5V，为高电平。气敏元件发生断路时，气敏元件输出接近0V ，为低电平。而正常工作及可燃气体浓度超过浓度设定值的气敏元件输出范围为(0.3V~4.0V) 。根据这一设计要求，选择双运放TL062作为短路和断路的电压比较器。断路比较器基准电压为0.5V ，短路比较器基准电压为4.9V 。TL062 （A ）作断路比较器。2脚为基准电压输入。基准电压由+5V经电阻分压提供，取R20为10K ，R21为1K ，则断路电压基准为5/（10+1）］≈0.5V 。3脚为断路检测输入点。TL062 （B ）作短路比较器。6脚为基准电压输入。基准电压由+5V经电阻分压提供，取R23为1K ，R24为47K ，则短路电压基准为［5/（47+1）］×47≈4.9V 。5脚为短路检测输入点。主要器件的选择：电阻R20、R23：RJ-0.25-1K ；电阻R21：RJ-0.25-10K ；电阻R24：RJ-0.25-47K ；双运放：TL062。

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5 软件设计

5.1 软件设计流程图

图5-1软件设计流程图

5.2 软件设计要求

（1）气敏元件开始工作时，在没有遇到可燃性气体时，其电阻值也会增加，经过5min 左右，其电阻值下降到一个稳定值，这时才可以使用。所以，程序有一个预热过程，预热时间为5min 。

（2）按钮检测中采用软件延时方法执行按键的去抖动。

（3）电磁阀的驱动电压取之于开关变压器二次侧整流的输出。采用脉冲驱动方式。脉冲时间为20ms 。

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（4）正常工作绿灯闪烁时间定义如下：秒循环显示。1秒钟内，绿灯点亮600ms ，熄灭400ms 。

（5）可燃气体浓度超限：红灯常亮。秒循环显示。1秒钟内，蜂鸣器报警750ms ，不报警250ms 。

（6）故障报警：黄灯常亮。200毫秒循环。200毫秒钟内蜂鸣器报警100ms ，不报警100ms 。

5.3 软件程序设计

5.3.1 子程序

整个程序延时地方较多，因此设立10ms 、200ms 延时子程序 DELAY10MS ：MOV R7，#10 ；延时10ms DELAY10_1：MOV R6，#10 DELAY10_2：NOP NOP NOP

DJNZ R6，DELAY10_2 DJNZ R7，DELAY10_1 RET

DELAY200MS ：MOV R7，#200 ；延时200ms DELAY4_1：MOV R6，#200 DELAY4_2：NOP NOP NOP

DJNZ R6，DELAY4_2 DJNZ R7，DELAY4_1 RET

5.3.2 中断

程序选用了一个T0定时中断。中断一次定时时间为5毫秒。设计中断是为了保

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证计时的精确。定时中断中对计时的误差进行了修正，修正程序如下：

CLR TR0 MOV A ，TL0 ADD A ，#80H MOV TL0，A MOV A ，TH0 ADDC A ，#0ECH MOV TH0，A SETB TR0

5.3.3短暂恢复程序

程序中设计了短暂断电（电网干扰）恢复程序，保证短暂断电后程序能正常运行。掉电判断利用了单片机内部的RAM 单元。在程序开始运行时，预置一些数据，只要单片机不断电，该数据不会改变；短时间断电（单片机电压仍存在），该数据也不会改变。只有真正断电后再重新运行程序时，断电保护单元数据处于不确定状态，与设定值不符，程序才从头运行。

6 总结

随着燃气使用率不断增加，对于燃气泄漏的检测越来越引起大家的重视，在探测系统可根据可燃气体检测浓度惊醒声光报警，并控制相应设备惊醒工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以说未来可燃气体探测系统会有更大的发展空间。

本设计采用可燃气体浓度测量值与可燃气体浓度超范围的电压设定值进行比较的方法。将比较的结果输入到MCS-51系列的单片机AT89C2051，然后通过单片机控制各个电路的运行。为了提高系统的灵敏度和准确性，系统采用一种十分稳定的半导体烧结型传感器MQ-412。该报警器对可燃气体进行实时控制，当可燃气体的浓度超过允许值时，控制电路进行报警。设计的可燃气体监测报警器具有性能稳定、测量准确等优点。可以实时、准确检测可燃性气体，并且还可以长时间可靠无误的报警，调试方便、安装灵活、安全可靠、节约成本。

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附录

可燃气体检测控制系统硬件结构图

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参考文献

（1）胡宴如. 模拟电子技术–3版. 北京：高等教育出版社，2008. （2）郭安周. 数字电子技术. 郑州：黄河水利出版社，2005. （3）董作霖. 电子线路CAD . 郑州：河南科学技术出版社，2010. （4）周征. 传感器原理与检测技术. 北京：清华大学出版社，2007. （5）梅丽凤. 单片机原理及应用. 北京：清华大学出版社，2008. （6）刘 洋. 可燃气体探测器工作原理. 北京：中国电力出版社，2007.

（7）杨 波. 空气中可燃气体爆炸极限测定方法. 北京：北京理工大学出版社 ，

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2009.

致谢

毕业的日子一天天的临近，毕业设计的写作终于划上了句号，大学最后的时光就在这样的忙碌和充实中度过了。

这次毕业设计在赵老师的帮助下进行的，遇到不懂的地方老师总是能够悉心的教导、耐心的讲解。这次毕业设计也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法让我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。

首先，我要感谢很多在我完成论文的过程中给予过我关怀帮助的人。然后要谢谢与我一起并肩作战的好朋友好同学们，在我做毕业设计期间他们一直在我身边陪伴我, 帮我查资料, 找资料。总之，谢谢所有关心、爱护过我的人。

通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，所以在以后的工作、生活中我都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质以适应这个瞬息万变的社会需求。

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