可燃气体报警器的设计与制作

可燃气体报警器的设计与制作 林瑜静 于思佳 朱鑫垚 （大庆师范学院 机电工程学院 一四级自动化一班） 摘 要： 设计了一种可燃气体报警器，介绍了报警器的工作原理及其软、硬件的设计。该报警器以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用 89C51 单片机进行控制，能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。 关键词： 51 单片机；气体检测传感器；探测报警器； 该报警器具有下述功能： (1)当被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时报警器应能发出声、光报警信号。 (2)报警器在传感元件断路或短路时应发出报警信号，有明显区别的声、光故障信号。 (3)报警器应对声、光报警装置设置手动自检功能。 (4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器发出报警信号时，应能启动输出控制功能。 (5)报警器的供电电压必须非常稳定，否则，将会影响报警的正常工作。 1 硬件设计 1.1 系统的结构 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 该系统组成如图1所示。它由传感器检测电路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分等组成[1]。检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过A／D转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。当泄漏气体的浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭，并可以通过RS-485总线与上位机进行通信(将实时数据发送给上位机用户)。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护的目的。 图1 报警器系统框图 1.2 可燃气体检测电路 1.2.1 气敏传感器(探头) 选用的气敏传感器型号为MC-112，它是一种催化燃烧式传感器。这种传感器主要用于检测可燃性气体，它是由4只感应电阻构成惠斯登检测桥路。当含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃性气体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到检测可燃气体浓度的目的。 1.2.2 气体检测电路的设计 气体检测电路原理如图2所示，由气敏传感器(探头)MC-112和电阻R W和电阻R 2、R 3组成平衡电桥检测电路，电压信号分别从电阻RW和探头的中点取出，被取出的电压信号被加到运放LM358的2(-)脚反相输入端和3(+)脚同相输入端；此时被取出的电压信号应相等。在气敏传感器通电的情况下，在未检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应电阻不会发生任何反应和变化，这样从探头中点取出的电压信号也不会发生变化。当在输入端加上+5 V电压时，经过3个二极管(IN4001)，每个二极管的压降约为0.7 V，最后在探头两端的电压约为2.7～2.9 V，此时运放反相端2(-)的电压为1.4 V左右，同相端3(+)的电压也应为1.4 V左右；未探测到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的输入信号电压差几乎为零，那么此时差动放大器的输出端1，通过调节R W 使输出电压信号也接近于零。当气敏传感器探测到一定浓度的可燃性气体泄漏时，在传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动运算放大器同相端3(+)的电位V 3+高于反相端2(-)的电位V 2-，经差动运算放大器放大后输出的差模电压信号为3.5 V左右，由公式(1)可算出差动运算放大器输出端的电压值。可燃性气体的浓度变化时所对应输出电压的变化：气体浓度↑→V 3+↑→(V 3+-V 2- )↑→V o↑，由差动运算放大器的反相输入端和同相输入端输入信号分别为V 2-和V 3+时输出电压为[2]：            Vo=-400V2-/1+(1＋400/1)[100/(1+100)]V3+≈400(V3+-V2-)        图2气体检测电路原理图 1.2.3 主控单元电路                    主控单元电路如图3所示[3]，微处理器采用AT89C51。A/D转换芯片采用ADC0809，ADC0809的时钟信号CLK由89C51的ALE信号提供。系统晶振采用4 MHz，图中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脉冲宽度大于250 ns，满足ADC0809对ALE引脚信号的要求。检测到的气体浓度信号即电压信号经放大、滤波后送到ADC0809的模拟量输入端IN0。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5 V时，ADC0809输出数值为255(FF H)，因此单片机最大数值分辨率为 0.019 6 V，测试时电压数值的变化一般以0.02 V的电压幅度变化。如果要获得更高的精度，应采用12位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完全满足要求。根据所测得的电压值基本上要比标准值偏大0.01～0.02 V，可以通过校正ADC0809的基准电压来解决，因为该系统设计时直接用+5 V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外，也可用软件编程来校正测量值。ADC0809的直流输入阻抗为1 MΩ，能满足一般的电压测试需要，另外经测试ADC0809可直接在2～5 MHz的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。        图3主控单元电路图 1.3 声光报警及继电器控制电路                1.3.1 声光报警电路                                声光报警电路如图4所示，工作指示灯为绿灯闪烁，其工作状态的控制由P1.1来完成。通过软件的设置，从P1.1输出一方波来控制三极管VT1的通断，从而控制工作指示灯的闪烁。当泄漏气体的浓度达到某一值时，由软件将P1.3置1，此时三极管VT3导通，红色报警灯亮，同时蜂鸣器发出报警声。红灯和蜂鸣器构成报警部分。在电路通过软件置位P1.2=1时，黄灯亮表明电路出现故障。 图4 声光报警电路图 继电器控制电路如图5所示。该电路由继电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当泄漏气体浓度达到一定值时，通过软件将P1.4、P1.5置1，此时三极管VT4、VT5均导通，继电器K1、K2工作，其常开触点闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路接通，将气体管道关闭。当气体浓度下降到某一值时，也可以通过软件将P1.4、P1.5清零，此时三极管VT4、VT5均截止，继电器K1、K2停止工作，常开触点断开。关闭排风扇和电磁阀电路，排风扇停止工作，气体管道打开。指示灯：应采用发光二极管，应以颜色标记。红色表示报警信号，黄色表示故障信号，绿色表示电源工作正常。所有指示灯应清晰地标注功能，在一般环境光线下，指示灯在距其正前方3 m处应清晰可见。电磁继电器：接点宜采用双接点结构。继电器应用封闭式，不得由一接点同时控制探测器内部及外部电路。电子元器件：应进行三防(防潮、防霉、防盐雾)处理。音响器件：在额定电压下，音响器件在距其正前方1 m处的声压 级(A计权)应小于70 dB，不大于115 dB，在85 %额定工作电压条件下，音响器件应能发出声响。开关和按键：开关和按键应坚固、耐用并清晰地标注出其功能。探测器外壳应选用不燃烧材料和难燃烧材料(氧指数≥32)。 可燃气体报警器的设计 图5继电器控制电路 2    软件设计                    对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P1.2=1(黄灯亮，蜂鸣器叫)表示电路出现故障。本系统的软件设计以C语言为基础，可以在执行的开始和过程中，根据气体爆炸下限的不同修改报警临界值，增大了使用的范围[4]。系统主程序流程图如图6所示。开始让气敏元件预热一段时间，时间可以根据气敏元件的不同进行调整(本设计中的探头预热约5 min)，延时用循环程序实现，同时在循环首尾位置分别使P1.1置1、复0，可实现绿灯闪烁。在系统中设置一个按键用P3.2来控制，用来检测报警器报警功能是否正常，若键被按下则置位P1.3=1(红灯亮同时蜂鸣器叫)，表示报警器正常响应时间在 30 s以内。使P1.1始终保持置1，使绿灯常亮，表示电源处于正常的供电状态。从A/D转换器读取转换值与预先设定的电压值进行比较，根据事先建立好的浓度和电压对应的关系：气体浓度不同时所对应的电压值不同，查找出与浓度所对应电压值时的报警点。根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设置报警器报警时对应的最小可燃气体浓度值[5]，若大于或等于此值则置P1.3=1(红灯亮、蜂鸣器叫)，同时置位P1.4=1(打开排风扇)和P1.5=1(关闭电磁阀)，并显示气体浓度达真实值90 %，响应时间30 s以内。设定一个电压值，该电压值高于气体浓度所对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P1.2=1(黄灯亮，蜂鸣器叫)表示电路出现故障。 3  本装置可燃性气体报警器安装与调试的注意事项 由于其成本特低，因此，也可推广到普通家庭，作为燃气洗澡装置和厨房可燃气的泄漏报警器。只要将其安装在燃气装置附近(相距1 m以内效果最好)即可实现自动泄漏报警。安装时，应注意不要将装置安放在通风口处。 4  结语 当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏作相应的报警，即为家庭式。但是随着社会的发展，煤气报警器也在由单一的家庭式发展为小区监控。对某个区域的燃气泄漏进行监控，这是今后的发展趋势。随着人民物质生活水平的提高，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，我国许多城市已制定了一些新建住宅必须安装燃气泄漏报警器的相关规定，该型可燃气体报警器是针对以上问题开发的一种安全装置，该报警器能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以市场前景良好，同时这也为城市居民使用燃气解除了后顾之忧。 参考文献 [1] 杨宁，胡学军.单片机与控制技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005. [2] GB 15322.2-2003 可燃气体探测器——第2部分：测量范围为 0 ～ 100 % LEL 的独立式可燃气体探测器 [S]. [3] 张勇.Protel99se电路设计技术入门与应用[M].北 京：电子工业出版社，2005. [4] 李光飞，李良儿.单片机C程序设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005. [5] GB 15322.5- 2003 可燃气体报警器——第5部分：测量人工煤气的独立式可燃气体探测器[S].