【正文】 第 1 頁(yè) 共 31 頁(yè) 目錄 1 引言 ................................................................... 2 國(guó)外研究進(jìn)展 ..................................................... 2 2 氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ............................................. 4 硬件設(shè)計(jì) ......................................................... 5 軟件設(shè)計(jì) ......................................................... 6 3 具體硬件電路設(shè)計(jì) ....................................................... 7 氣體濃度測(cè)量部分 ................................................. 7 A/D 轉(zhuǎn)換電路 ...................................................... 9 主控制器 ........................................................ 11 顯示電路 ........................................................ 15 聲光報(bào)警電路 .................................................... 16 電源電路 ........................................................ 20 4 軟件設(shè)計(jì) ............................................................. 23 軟件設(shè)計(jì)流程圖 .................................................. 24 各模塊流程圖 .................................................... 25 結(jié) 論 ................................................................... 29 致 謝 ................................................................... 30 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................. 31 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 31 頁(yè) 1 引言 在工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)使用 H CO等多種可燃?xì)怏w。為 了 確保生命和財(cái)產(chǎn) 的 安全必須安裝可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警器，以防止意外 事件的 發(fā)生?？扇?xì)怏w報(bào)警器可以更早的探測(cè)到有毒有害和可燃?xì)怏w的存在，當(dāng)氣體超過了報(bào)警極限后就會(huì)發(fā)出動(dòng)作，將事故控制在事故發(fā)生率最低的情況下。為此 ,在裝置現(xiàn)場(chǎng)易產(chǎn)生可燃?xì)怏w聚集及有關(guān)儲(chǔ)存設(shè)備的附近安裝了可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器 ,以便及時(shí)檢測(cè)可燃?xì)怏w的含量 ,盡早發(fā)現(xiàn)泄漏 ,當(dāng)可燃?xì)鉂舛冗_(dá)到設(shè)定報(bào)警值后 ,發(fā)出報(bào)警信號(hào) ,還可以輸入相關(guān)控制信號(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)控制裝置 ， 起到提前預(yù)防的功效。 工業(yè)可 燃?xì)?體 報(bào)警器能實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)可燃?xì)怏w的泄露情況，一旦 氣體 發(fā)生泄露，即空氣中可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度 時(shí) ，則報(bào)警器 就會(huì)紅燈閃爍，蜂鳴器聲響， 進(jìn)行聲、光報(bào)警， 可以 有效防止事故的發(fā)生，滿足人們對(duì)燃?xì)獍踩男枰?。還可以輸入相關(guān)控制信號(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)控制裝置，避免重大事故發(fā)生。 本 設(shè)計(jì) 在傳統(tǒng)的可燃?xì)怏w報(bào)警器基 礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)改造，吸收原產(chǎn)品技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，增加新的功能。傳統(tǒng)的可燃?xì)怏w報(bào)警器采用分立式元件構(gòu)成，初始通電時(shí)，氣敏元件處于不穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)因缺少氣敏元件預(yù)熱時(shí)間控制，缺少氣敏元件自身短路、斷路故障的檢測(cè)，產(chǎn)品常常不符合可燃?xì)怏w產(chǎn)品的新標(biāo)準(zhǔn)。因此開展該項(xiàng)研究具有重要的技術(shù)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義 [1]。 國(guó)外研究進(jìn)展 國(guó)外對(duì)可燃?xì)怏w傳感器的研究和開發(fā)始于上個(gè)世紀(jì) 30年代，且發(fā)展迅速，發(fā)展到現(xiàn)在 ， 可燃?xì)怏w傳感器在可測(cè)氣體種類、測(cè)量范圍、穩(wěn)定性、精度和壽命等方面性能均有明顯的提高，尤其在穩(wěn)定性、精度和壽命方面有 了很大的進(jìn)步?？扇?xì)怏w傳感器性能的提高、電子技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警器向著更加可靠化、更加 多功能化，智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。目前有代表性的是法國(guó) OLDHAM 公司的 MX21，德國(guó) Drager 公司的 Multiwarn，日本理研株式會(huì)社 GX8 GX11 GX9 GX82 系列，美國(guó) GasTech 公司的 GT、 SAFETMTE 等。美國(guó)工業(yè)科學(xué)公司 (ISC)生產(chǎn)的一種氣體監(jiān)控儀可以實(shí)現(xiàn)多種氣體檢測(cè)。該儀器在需要改變測(cè)量氣體的種類時(shí)，只需更換傳感器，儀器軟件便可自動(dòng)識(shí) 別該傳感器種類來監(jiān)測(cè)特定的氣體。美國(guó)國(guó)際傳感器技術(shù) (IST)公司應(yīng)用一種帶微程序控制單元的“ MegaCas”傳感器，可檢測(cè) 100種可燃性氣體，通過其傳感器“氣體檢索”功能掃描，自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)氣體種類的判斷。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè) 可燃 氣體探測(cè)技術(shù)在國(guó)外已有幾十年的歷史，在 好多 工業(yè) 化 發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并得到廣泛應(yīng)用。如德國(guó)、日本、英國(guó)、美國(guó)等均已發(fā)展成為品種系列齊全、技術(shù)綜合發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)?？扇?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)的敏感元件是氣敏傳感器， 而 氣敏傳感器是一種 可以 把空氣中特定 氣體 檢驗(yàn)出來，并將它轉(zhuǎn)化成 對(duì)應(yīng) 電信號(hào)的器件， 并 提供有關(guān)待測(cè)氣體存在與否及其濃度大小的信息 。它 是可燃?xì)怏w探測(cè)器產(chǎn)品中的關(guān)鍵因素，然而傳感器的使用壽命又是整個(gè)產(chǎn)品的最薄弱環(huán)節(jié) 。 氣體探測(cè)器的主要任務(wù)是采集氣體傳感器輸出的濃度信息，并對(duì)信息進(jìn)行處理，氣體探測(cè)器是決定氣體探測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性的關(guān)鍵。氣敏元件和氣體探測(cè)器的發(fā)展水平代表了一個(gè)國(guó)家氣體探測(cè)技術(shù)的發(fā)展水平 [2]。 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 氣體傳感器的快速發(fā)展使得國(guó)內(nèi)氣體探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品表現(xiàn)為新舊并存。從國(guó)內(nèi)發(fā)展情況來看，可燃性氣體探測(cè)器產(chǎn)品正向著功耗低、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好、技術(shù)水平先進(jìn)、數(shù)字化總線制、多功 能、集成化、智能化程度高的方向發(fā)展。我國(guó)對(duì)于濕度、溫度、紅外等各類傳感器的研究和開發(fā)也已有多年的歷史 ,并取得了很大的成就 , 但對(duì)于可燃?xì)怏w報(bào)警器及其相應(yīng)的氣敏傳感器的研究工作在近十年才開展的，可燃?xì)怏w報(bào)警器有更大的發(fā)展空間，可以從以下幾個(gè)方面開展： [3] (1）近年來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其性價(jià)比有了很大的提高。在可燃?xì)怏w報(bào)警器中的應(yīng)用也越來越多。單片機(jī)的引入不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)氣體濃度值、報(bào)警點(diǎn)的設(shè)置，聲光報(bào)警，開機(jī)指示等基本功能，而且可以使其實(shí)現(xiàn)的功能有更進(jìn)一步的發(fā)展。 (2)智能化是當(dāng)今儀器儀表的發(fā)展方向，可 燃?xì)鈭?bào)警器在智能化也有了很大的發(fā)展，它 使用高性能的微處理器，利用微處理器的運(yùn)算和邏輯判斷功能，按照一定的算法消除由于漂移，增益變化和干擾因素引起的誤差，提高儀器的測(cè)量精度。 (3)提高儀器的自動(dòng)化測(cè)量水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零，自動(dòng)校準(zhǔn)，自動(dòng)增益調(diào)整，自動(dòng)診斷等功能。 (4)氣體種類自動(dòng)識(shí)別功能。通過將氣體敏感元件的重要數(shù)據(jù)如氣體種類、特性、測(cè)量范圍、編號(hào)等信息寫入 E2PROM，與敏感元件制成一體作為探頭，將其插入儀表后，由儀表根據(jù)存儲(chǔ)值自動(dòng)識(shí)別氣體種類。便于生產(chǎn)廠家批量化生產(chǎn)，根據(jù)不用用戶的需求來確定是哪種可燃 氣體的報(bào)警器。 (5)背景氣體干擾的抑制。實(shí)際中，背景氣體的存在是無法避免的，現(xiàn)在儀表中已實(shí)現(xiàn)了程序控制，通過開發(fā)軟件和研究敏感元件的特性來抑制背景氣體干擾。在法國(guó)的 MX21 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè) 儀器中，已在多種有害氣體元件上實(shí)現(xiàn)了有害氣體之間的交叉干擾抑制。 2 氣體探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的總體 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)由四部分組成：氣體濃度檢測(cè)部分、氣體濃度控制部分、報(bào)警部分和顯示部分。以氣敏傳感器作為檢測(cè)元件，以 MCS51 系列的單片機(jī) AT89C2051 為控制核心，并輔以相應(yīng)的外圍電路來實(shí)現(xiàn)。 設(shè)計(jì)方案如下： 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖 1所 示。它由氣體濃度檢測(cè)電路、 A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、 LCD液晶屏顯示和聲光報(bào)警電路等組成 [4]。濃度檢測(cè)電路把泄漏氣體濃度的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后根據(jù)氣體濃度和電壓信號(hào)之間的關(guān)系，再將檢測(cè)到的模擬信號(hào)通過 A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閷?duì)應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸入到單片機(jī)，最后由單片機(jī)驅(qū)動(dòng) LCD液晶屏顯示和 LED信號(hào)顯示燈及蜂鳴器完成聲光報(bào)警過程。當(dāng)泄漏氣體的濃度達(dá)到一定值時(shí)，可以啟動(dòng)通風(fēng)換氣設(shè)備進(jìn)行排氣，同時(shí)通過電磁閥將氣體管道關(guān)閉，并將數(shù)據(jù)通過 LCD顯示出來。當(dāng)泄漏氣體的濃度降低到安全點(diǎn)后，關(guān)閉通風(fēng)換氣設(shè)備，停止報(bào)警，將氣體管 道打開，達(dá)到安全保護(hù)的目的。該電路主要由濃度采樣電路、繼電器控制電路、報(bào)警電路設(shè)計(jì)、 LCD顯示電路組成 [5]。 ← ← 圖 11 報(bào)警器系統(tǒng)框圖 單片機(jī)控制 片 機(jī) 控 制 A/D 轉(zhuǎn)換電路 繼電器 檢測(cè)電路 LCD顯示 電源 排風(fēng)扇 聲光報(bào)警電路 電磁閥 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè) 硬件設(shè)計(jì) 1. 氣體濃度 測(cè)量部分 本 設(shè)計(jì)采用 MC112氣敏元件作為氣體傳感器的氣敏元件。該傳感器的特點(diǎn)是： 橋路輸出電壓呈線性 ， 響應(yīng)速度快 ， 具有良好的重復(fù)性、選擇性 ， 元件工作穩(wěn)定、可靠 ，靈敏度好，測(cè)量范圍為 0~100％ LEL，符合設(shè)計(jì)要求。 2. A/D轉(zhuǎn)換部分 擬采用 深圳市芯品源科技有限公司 生產(chǎn)的 ADC0809型 A/D轉(zhuǎn)換器。 ADC0809是一種逐次比較式 8路模擬輸入、 8 位數(shù)字量輸出的 A/D轉(zhuǎn)換 器。 它內(nèi)部集成了時(shí)鐘電路、基準(zhǔn)電壓電路，具有采樣 /保持速度快、功耗低、串行口輸出等特點(diǎn)。 3. 主控制器 擬采用 深圳市力帆電子有限公司 生產(chǎn)的 AT89C51單片機(jī)作為主控制器。 AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS8位 單片機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀 程序存儲(chǔ)器 和 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 Atmel公司 的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng) ，片內(nèi)置通用 8位 中央處理器 和 Flash存儲(chǔ)單元 。AT89C51單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 4. 顯示電路 擬采用 深圳市太和唐健科技有限公司生產(chǎn) 的 LCD顯示 器。 LCD1602是字符型液晶，顯示字母和數(shù)字比較方便，控制簡(jiǎn)單，成本較低 。 5. 聲光 報(bào)警電路 擬采用分貝蜂鳴器提供 達(dá)到 設(shè)定之后警報(bào)工作 ，并且信號(hào)燈亮 。正常工作時(shí)綠燈亮，蜂鳴器不響；當(dāng)超過設(shè)定的濃度 值時(shí)紅燈亮，蜂鳴器響，此時(shí)排風(fēng)扇也開始工作，電磁閥關(guān)閉。 6. 控制電路 擬采用繼電器作為主要控制元件，通過繼電器 的開和關(guān) 可以實(shí)現(xiàn)直流信號(hào)控制交流負(fù)載的功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的控制。 7. 電源 本設(shè)計(jì)采用 +5v電壓，單經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓的直流電壓。其中電源變壓器采用降壓變壓器，整流電路采用單相橋式整流電路，濾本科