瓦斯浓度监控与报警

瓦斯浓度监控与报警摘要：本设计主要是由一个MQ-2传感器采集气体浓度信号，系统建立浓度与电压关系，进行浓度电压转换，电压浓度转换，浓度显示，声光报警构成的报警装置。本系统由ICL7135A/D转换数据，MCU采用STC89C52单片机，完成气体浓度信号的采集显示内容的传输、显示等功能。本设计的瓦斯气体警报器由六个部分组成：传感器电路、LCD显示器、声光报警器、控制电路、A/D转换、串口通信电路和电源模块。对采集的模拟信号转换成数字信号再进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，LCD显示器仅仅显示测得的瓦斯气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时给出声光报警。关键词：传感器ICL7135声光报警串转并出第2页目录1前言..................................................................32方案论证与比较.........................................................32.1方案一............................................................32.2方案二............................................................32.3方案论证与比较....................................................33理论分析与计算.........................................................43.1概述..............................................................43.2参数指标..........................................................43.3模块工作原理......................................................43.3.1气体传感器工作原理..........................................43.3.2ADC0809工作原理............................................53.3.3单片机部分..................................................63.5气体结果测量计算..................................................64系统设计...............................................................74.1电源模块..........................................................74.2通信部分..........................................................84.3LED显示及驱动....................................................84.4A/D采集与单片机最小系统...........................................94.5总体功能设计.......................................................105软件设计..............................................................115.1单片机程序流程图..................................................115.2A/D、单片机数据传输设计............................................126系统调试...............................................................126.1测试仪器..........................................................126.2测试方法..........................................................126.2.1电源测试.....................................................126.2.2传感器工作测试..............................................126.2.3A/D采集与单片机最小系统电路的调试...........................131前言第3页鉴于家用煤气中毒和矿井中瓦斯爆炸时常发生，造成意外伤害的发生。这些不必要的伤害都源于瓦斯中有些瓦斯气体，在无色无味或在浓度较小的气体环境下，很难被人所发现，但可能此时已经构成了安全隐患。瓦斯气体浓度监控与报警仪是一种安全的检测仪器，它只是检测空气中瓦斯气体的含量，如果瓦斯气体超出正常的空气含量威胁到人身安全或财产安全的时候，瓦斯使用煤气或矿井工作中要注意采取并完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。况且有时难免会有人们的疏忽。因此，事故隐患的监控报警，在家庭、矿井等场所瓦斯气体检测报警，是非常必要的。对避免和控制事故具有重要的意义。气体报警器就会自动报警，提醒人们及早的采取措施，避免事故发生。由于瓦斯气体本身的危险性和对人民生产生活造成的巨大危害，因此对瓦斯气体的检测和报警是一项必要的工作。瓦斯气体报警是利用气体传感器技术，将检测到的瓦斯气体浓度和标准值进行比较，当高过一定浓度值时候进行相应的声光报警，提醒正在作业的人员进行相应的处理，组织人员撤离或对该场所通风排气，避免不安全事故的发生，对现在的家庭、作业场地安全起着非常重要的作用。基于种种社会想法，笔者所设计一种低成本的瓦斯性气体报警器设计，能够监控瓦斯气体的浓度，显示测量结果，并对当前的环境状态做出判断，发出报警信息。2方案论证与比较2.1方案一：如框图（采用纯模拟电路）电路输入级为气敏元件，和二极管、三级管构成的电子开关。再用两个三极管构成互补多谐振荡器，他与继电器和发光二级管组成闪光报警器。电位器为报警灵敏度调节，瓦斯气体浓度一定，三极管导通，继电器通断工作，二极管闪烁报警。2.2方案二：电路气敏元件采集浓度信号，使用ICL7135A/D转换起将模拟量转换为数字量，单片机对数据进行计算处理，并通过1602液晶显示器显示气体浓度，通过PC机信号采集电源模块开关电路继电器2继电器1声光报警风扇排气图2-2-1框图1显示系统第4页对气体浓度报警阈值进行设置，对不同的气体浓度进行声光报警。并通过PC机对整个系统进行监控。2.3方案论证与比较：方案一结构小巧，采用电位器可以对报警灵敏度进行调节，但是属于纯模拟电路报警，在调节过程中相对比较困难。方案二采用多级非门驱动LED报警，可对气体浓度进行定量分析，浓度越大点亮的发光二极管越多。从定性到定量，方案二较方案一从设计上有所提高，但由于只是通过LED发光来报警，不能很好的引起使用者的重视。方案三采用以单片机为核心的控制电路，对采集的数字信号进行处理和判断，运用一定的算法计算出待检测气体成分及浓度并送到LCD显示器显示出来。并通过软件控制设定一定的报警阀值，当浓度达到此阀值时有选择的进行声光报警。但是此电路在设计时即有硬件的设计又有软件的设计，较一二方案更为复杂。3理论分析与计算3.1概述该设计中采用半导体气体传感器MQ-2，感应外界瓦斯气体，其以金属氧化物半导体为基础材料，当被测瓦斯气体在该内部半导体表面吸附后，引起其电学特性(例如电导率)发生变化。由于电导率的改变产生不同的阻抗，时而产生不同的模拟电压信号。然后采用4位半并行的A/D转换器ICL7135，将时间和幅值都连续的电压模拟量，经过取样、保持、量化和编码等过程，转换为时间、幅值离散的数字量，同时将转换结束的数字量赋给主控芯片——单片机STC89C52。单片机STC89C52根据外界瓦斯气体与对应变换电压的函数关系，处理数据.并将得到的对应浓度数据交给LED数码管及时显示。当检测气体浓度低于设定报警阀值的时候，LED显示器仅仅显示测得的瓦斯气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阀值时同时还给出声光报警。3.2参数指标MCU报警系统A/D传感器图2-2-2框图2PC机控制第5页检测气体：液化气、天然气、煤气等瓦斯气体模拟输出：0-5V探测范围：300-5000ppm报警浓度：1600ppm响应时间；10s工作电压：AC220V±10%功耗：≤3W使用温度：-10℃-50℃储存温度：-20℃-70℃相对湿度：95%Rh3.3模块工作原理3.3.1气体传感器工作原理气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。即将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置。气体传感器的种类很多，大体可分为半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。该设计中采用的是半导体气体传感器MQ-2，MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。同时，MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。图3-1-1是其结构和外形，MQ-2气敏元件的结构和外形如图3所示(结构A或B),由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。第6页图3-3-1MQ-2的结构和外形3.3.2ICL7135A/D工作原理ICI7135是4位双积分A/D转换芯片,可以转换输出±20000个数字量,有STB选通控制的BCD码输出,与微机接口十分方便.ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换),价格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲).故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数.将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量.图3-3-2-1给出了ICL7135时序,由图可见,当BUSY变高时开始正向积分,反向积分到零时BUSY变低,所以BUSY可以用于控制计数器的启动/停止.图3-3-2-11CL7135时序ICL7135与MCS-51的连接可参照MCLl4433与处理器连接方法,依次读出万位到个位的BCD码.本节采用另外一种方法,重点推荐采用计数法进行A/D转换的方法.ICL7135与MCS-51连接如图3-3-2-2所示.第7页图3-3-2-21CL7135与MCS51连接3.3.3单片机部分STC89C52是由Intel公司生产的MCS-51系列的高性能8位单片机。特别适用于实时控制、智能仪表、主从结构的多机系统等领域