【正文】 用于烴類裂解制乙烯或蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣，可作為工業(yè)、民用、內(nèi)燃機燃料。液化石油氣是一種易燃物質(zhì)，空氣中含量達到一定濃度范圍時，遇明火即爆炸。人所賴以生存的空氣中有大約 20%的氧氣，如果人的生活空間是封閉空間，氧氣稀薄，人會因氧氣不足，導致窒息、昏迷，有心腦血管疾病的人將會危及生命。天然氣的另一危險是當空氣中的天然氣含量達到一定含量時，遇到明火就會產(chǎn)生爆炸，危及人的生命。為防止中毒事件發(fā)生，現(xiàn)提出利用單片機系統(tǒng)進行有效的預防措施。基于此現(xiàn)實，本設計宗旨是為家庭用戶設計一種能夠?qū)μ烊粴猓夯瘹夂?、煤氣泄漏的裝置，從于減少不必要的事故，進于保證人民的生命健康，減少不必要的損失?？扇夹詺怏w泄漏報警器可發(fā)出聲光報警，或伴有數(shù)字顯示，或聯(lián)動外部設備。 、國內(nèi)外情況及其發(fā)展趨勢 當前應用最廣泛的可燃性氣體泄漏報警器與氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，僅用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，不少發(fā)達國家已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應的報警器。因此，國外燃氣報警器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計猜測，美國在 1996 年—2022 年就煤氣報警器的年均增長率為 27％～30％。可燃性氣體泄漏報警器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為，一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結(jié)合，這也是燃氣泄漏報警器一直追求的目標；二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，3 / 52多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型可燃性氣體泄漏氣報警器。2 天然氣泄漏報警系統(tǒng)的方案設計 方案的選擇方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅(qū)動蜂鳴器報警。方案二，可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調(diào)節(jié)得到固定的電壓值，當?shù)玫娇扇夹詺怏w信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅(qū)動三極管導通報警電路。方案三，通過 51 系列單片機作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模擬信號通過 A/D 信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且讀取和顯示出來。綜合考慮，由于使用單片機設計靈活性更強、用途更寬廣，所以本設計采用方案三。2. 正常工作：綠燈閃爍，蜂鳴器不報警。，應能啟動輸出控制功能。氣體傳感器作為燃氣泄漏報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。 氣體傳感器介紹 （1）.半導氣體傳感器這種類型的傳感器在氣體傳感器中約占 60%，根據(jù)其機理分為電導型和非電導型，電導型中又分為表面型和容積控制型.（2）.固體電解質(zhì)氣體傳感器　 固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料做氣敏元件。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，僅次于金屬氧化物半導體氣體傳感器。 開發(fā)新的氣體傳感器，特別是開發(fā)和完善智能氣體傳感系統(tǒng)，使之可以在氣體泄漏事故中起到報警、檢測、識別、智能決策等方面的作用。（3）.接觸燒式氣體傳感器接觸燃燒式氣體傳感器 可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式兩種。這種傳感器只能測量可燃氣體，對不燃性氣體不敏感。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸下限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石油化工廠、造船廠、5 / 52礦井隧道、浴室、廚房等處的可燃性氣體的監(jiān)測和報警。高分子氣體傳感器根據(jù)氣敏特性主要可分為下列幾種：　　　　l)高分子電阻式氣體傳感器　　該類傳感器是通過測量高分子氣敏材料的電阻來測量氣體的體積分數(shù)，目前的材料主要有歐菁聚合物、LB 膜、聚毗咯等。但這種氣體傳感器要通過電聚合過程來激活，這既耗費時間，又會引起各批次產(chǎn)品之間的性能差異。3)聲表面波(SAW)式氣體傳感器SAW 氣體傳感器制作在壓電材料的襯底上，一端的表面為輸入傳感器，另一端為輸出傳感器。被吸附的分子增加了傳感器的質(zhì)量，使得聲波在材料表面上的傳播速度或頻率發(fā)生變化，通過測量聲波的速度或頻率來測量氣體體積分數(shù)。其優(yōu)勢在于選擇性高、靈敏度高、在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定、對濕度響應低和良好的可重復性。此外，SAW 傳感器采用半導體平面工藝，易于將敏感器與相配的電子器件結(jié)合在一起，實現(xiàn)微型化、集成化，從而降低測量成本。典型的電化學傳感器由傳感電極（或工作電極）和反電極組成，并由一個薄電解層隔開。采用這種方法可以允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應，以形6 / 52成充分的電信號，同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。這些反應由針對被測氣體而設計的電極材料進行催化。測量該電流即可確定氣體濃度。（6）.熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導率的函數(shù)，而對于一種給定的氣體，熱傳導率是它固有的物理特性。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應快等優(yōu)點。光學系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)不同可分為透射式和反射式兩類。熱敏元件應用最多的是熱敏電阻。光電檢測元件常用的是光敏元件，通常由硫化鉛、硒化鉛、砷化銦、砷化銻、碲鎘汞三元合金、鍺及硅摻雜等材料制成。例如采用紅外線傳感器遠距離測量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位，及時對疾病進行診斷治療（見熱像儀） ；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對地球云層進行監(jiān)視，可實現(xiàn)大范圍的天氣預報；采用紅外線傳感器可檢測飛機上正在運行的發(fā)動機 的過熱情況等。天燃氣泄漏報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃氣體泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器。阻緩是當在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。 半導體氣敏傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。 經(jīng)過對比上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體氣敏傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。而在眾多半導體氣敏傳感器中，本設計選用 MQ2 型氣敏傳感器，這種型號的傳感器具備一般半導體氣敏傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 首先，氣體傳感器送來的氣體濃度對應的電壓信號送入 AT89C51 單片機；然后，在 AT89C51 單片機內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、氣體濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應的十進制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報警限，當氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會閃亮，當氣體濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。另外由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為了保證其可靠性，在輸出5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本。利用 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報警電路，開發(fā)了可用于家庭或小型單位天然氣泄漏報警器。氣9 / 52敏傳感器是將現(xiàn)場氣體濃度非電信號轉(zhuǎn)化為電信號；轉(zhuǎn)換電路是將完成將氣體傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。天然氣泄漏報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 ：氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換器 AT89C51單片機燈光報警聲音報警氣體 濃度圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 氣體檢測報警器的功能聲光報警功能 當氣體濃度取值處在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。 時鐘溫度傳感器復位10 / 523 天然氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設計 主控電路的設計 半導體氣敏傳感器（1）半導體的基本介紹半導體傳感器是一種采用半導體氣敏為主要使用材料的傳感裝置，它利用與其氣體接觸時使半導體的導電率等物理性質(zhì)發(fā)生變化來檢測待測氣體的成分和濃度。（2）半導體的分類半導體氣敏傳感器有多種分類方法，主要一種是將其分為兩類—電導控制型氣敏傳感器和電壓控制氣敏傳感器。半導體氣敏傳感器包括硫化氫氣敏傳感器和一氧化碳氣敏傳感器兩個敏感器件。一氧化碳氣敏傳感器是利用以二氧化錫為基體的鉑－銻－二氧化錫敏感材料制成的表面電阻控制型敏感器件,當空氣中有微量的一氧化碳存在時,器件的電阻急劇下降。響應時間均≤0 秒。（3）半導體氣敏傳感器的原理當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)時，氣體接觸半導體表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由擴散，失去運動能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處。具有負離子吸附傾向的氣體，如 O2和 NON,等被稱為氧化型氣體或電子接收型氣體。具有正離子吸附傾向的氣體有 HCO,碳氫化合物和醇類等，被稱為還原型氣體或電子供給型氣體半導體氣敏傳感器的參數(shù)1）工作電壓：5VDC2）靜態(tài)功耗：≤15mW3）工作溫度：－10℃~50℃4）相對濕度：≤95%5）初期穩(wěn)定時間：≤3min.6）檢測濃度范圍：0~2022ppm（一氧化碳）（4）MQ2 的相關(guān)參數(shù)本次的設計采用的MQ2氣體傳感器，MQ2氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO 2)。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值Ro 表示傳感器在1000ppm不同氣體中的電阻值（2）溫/濕度的影響：圖 傳感器典型的溫度、濕度特性曲線圖中縱坐標是傳感器的電阻比（Rs/Ro） 。 ACorDC20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH13 / 52 B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性敏感體功耗（Ps）值：Ps=Vc 2Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（Rs）值：Rs=(Vc/V RL1)RL（4）結(jié)構(gòu)，外形MQ2 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 4 所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型 Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感層,測量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。RL 負載電阻 可調(diào)RH 加熱電阻 31Ω177。2℃ Vc:177。5% V H: 177。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。元器件選擇電源采用輸入 AC：220V 50Hz，輸出 DC：穩(wěn)壓 5V 的電源變壓器；煙霧傳感器 MQ－2；一個 50K 的電位器；一個 1 K 的電阻；一個三腳的開關(guān)；晶體管采 部件 材料1 氣體敏感層 二氧化錫2 電極 金（Au）3 測量電極引線 鉑（Pt）4 加熱器 鎳鉻合金（NiCr ）5 陶瓷管 三氧化二鋁6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼（ SUB316）7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（NiCu ）8 基座 膠木或尼龍9 針狀管腳 鍍鎳銅材（NiCu ）圖 15 / 52用 9013 型號；繼電器采用 JRC－4100F 5V 的型號；通電指示燈采用 的淡綠發(fā)光二極管；風扇 FAN 為 5V 的單轉(zhuǎn)向小型風扇。電路采用交流供電，220V 交流市電從插頭引入電路，經(jīng)電源變壓器降壓后變?yōu)橹绷?，直流電壓直接供傳感?MQ－2 的加熱絲 HH 工作，加熱絲給傳感器 MQ－2 預熱一定時間后，才能正常檢測煙霧。當MQ－2 所處的環(huán)境煙霧在允許范圍內(nèi)時，其兩端輸出電極 HH 間導電率很低，則加在電極間兩端 H—H 電壓很低，則輸出電壓升高，晶體管 9013 導通，此時加在繼電器 JRC－4100F 兩端的電壓達到它的啟動電壓（５V） ，繼電器跳轉(zhuǎn)，通電指示燈熄滅；風扇 FAN 電路接通，風扇工作，開始吸收煙霧。過濾篩可以拆下來清理或更換，活性炭也可以更換。注：為了使到在煙敏器件電路發(fā)生故障的時候煙灰缸還能工作，我們另外接了一個手動的開關(guān)（如電路圖中的開關(guān) K） ，這樣，當電路發(fā)生故障的時候，我們16 / 52可以手動的開啟電機，一樣能達到抽煙過濾的功能。 單片機的選擇單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞——“智能型” ，如智能型洗衣機，各種警報器中的應用等。在單片機實現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到并進行相應處理。 AT89C51 單片機的介紹描述AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機帶有 4K 字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器（PENROM） 。片內(nèi)含有 8 位中央