气体传感器

摘要随着国民经济的发展，及时、准确地对易燃、易爆、有毒气体进行监测、预报和自动控制已成为煤炭、石油、化工、电力等部门亟待解决的问题。近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的煤气报警器实为必要之举。本次课程设计的题目是室内环境测量方案，我们小组设计的是室内煤气和天然气泄漏报警装置，煤气泄漏报警装置是用于当煤气泄漏达到一定危害浓度时就立即发出报警,并自动关闭。目录第1章绪论.........................................................11.1该课题研究的背景和意义.......................................11.1.1课题研究的背景.........................................11.1.2课题研究的意义.........................................21.2本课题的主要研究内容、要求与拟解决主要问题...................21.3国内外研究情况及其发展.......................................21.3.1可燃性气体泄漏报警器种类与结构.........................21.3.2国内外情况及其发展趋势.................................2第2章系统设计....................................................42.1设计思路.....................................................42.2气敏传感器工作原理..........................................42.3系统模块设计................................................62.3.1气体浓度检测模块.......................................62.3.2主控制模块.............................................62.3.2声光报警模块..........................................7第3章硬件电路设计.................................................93.1电源电路....................................................93.2气体检测电路................................................93.3单片机模块的设计...........................................103.4声光报警和排气装置电路.....................................113.5电子开关电路................................................123.6单元模块的联接..............................................13第4章程序设计....................................................144.1主函数程序设计.............................................14第5章结论.......................................................18致谢...............................................................19参考文献...........................................................20西安建筑科技大学课程设计（论文）第1页共20页第1章绪论1.1该课题研究的背景和意义1.1.1课题研究的背景人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。英文名称liquefiedpetroleumgas，简称LPG。是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命。西安建筑科技大学课程设计（论文）第2页共20页1.1.2课题研究的意义人们面对可燃性气体泄漏而危及生命健康情况，有没有一个彻底的解决办法？据有关专家介绍，可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。为防止中毒事件发生，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。所以怎样预防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。基于此现实，本设计宗旨是为家庭用户设计一种能够对天然气，液化气和、煤气泄漏的装置，从于减少不必要的事故，进于保证人民的生命健康，减少不必要的损失。1.2本课题的主要研究内容、要求与拟解决主要问题本课题研究内容是利用单片机设计一个天然气和液化气报警系统，该系统采用的MQ-2气敏传感器，该传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，可同时检测甲烷、丙烷、丁烷，氢气四种气体在室内的含量，当这些气体在室内达到一定要求浓度（安全值）时，该装置能够发出声光报警，提醒人们注意有燃气气泄漏，及时采取措施。该系统的硬件模块设计合理，性能可靠。整个程序的思路清晰，考虑全面。1.3国内外研究情况及其发展1.3.1可燃性气体泄漏报警器种类与结构可燃性气体泄漏报警器，多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。1.3.2国内外情况及其发展趋势当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另西安建筑科技大学课程设计（论文）第3页共20页一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在1996年—2002年就煤气报警器的年均增长率为27％～30％。在这些方面，国内应该增强安全意识增强。可燃性气体泄漏报警器的发展趋势集中表现为，一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是燃气泄漏报警器一直追求的目标；二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型可燃性气体泄漏气报警器。如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。西安建筑科技大学课程设计（论文）第4页共20页第2章系统设计2.1设计思路本课题研究内容是利用单片机设计一个天然气和液化气报警系统，该系统采用的MQ-2气敏传感器，该传感器对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，可同时检测甲烷、丙烷、丁烷，氢气四种气体在室内的含量，当这些气体在室内达到一定要求浓度（安全值）时，该装置能够发出声光报警，提醒人们注意有燃气气泄漏，及时采取措施，即关闭煤气装置开关，同时打开排气装置。设计原理是通过气体信号处理模块将的有无相应燃气气泄漏状态处理成高低电平信号，将该信号输入到单片机，通过单片机编程控制报警电路的工作状态。设计框图如图2-1所示。图2-1设计思路框图2.2气敏传感器工作原理气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁多，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气-电转换的传感器种类很多。它主要用于工业上的天然气、煤气，石油化工等部门的51单片机声光报警排气装置气体检测自动关闭装置西安建筑科技大学课程设计（论文）第5页共20页易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。气敏传感器是暴露在各种成分的气体中使用的，由于检测现场温度、湿度的变化很大，又存在大量粉尘和油雾等，所以其工作条件较恶劣，而且气体对传感器元件的材料会产生化学反应物，附着在元件表面，往往会使其性能变差。因此，对气敏元件有以下要求：能长期稳定工作，重复性好，响应速度快，共存物质产生的影响小等。在这个设计中先把煤气。天然气气体传感器以以属于电阻式传感器，传感器型号为MQ-2。MQ-2能够同时检测煤气和天然气两种气体，与分别用两种气体传感器检测相比，明显降低了设计成本。半导体一氧化碳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）。采用高低温循环检测方式低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温时吸附的杂散气体。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。MQ-2气体传感器对一氧化碳的灵敏度高，这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。A.标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压≤15VACorDCVH加热电压5.0V±0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻31Ω±3Ω室温PH加热功耗≤900mWB.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10℃-50℃Tas储存温度-20℃-70℃RH相对湿度小于95%RH西