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。

第1章绪论......................................................... 1

1.1该课题研究的背景和意义....................................... 1

1.1.1课题研究的背景 ......................................... 1

1.1.2课题研究的意义 ......................................... 2

1.2本课题的主要研究内容、要求与拟解决主要问题................... 2

1.3国内外研究情况及其发展....................................... 2

1.3.1可燃性气体泄漏报警器种类与结构 ......................... 2

1.3.2国内外情况及其发展趋势 ................................. 2

第2章系统设计.................................................... 4

2.1设计思路..................................................... 4

2.2 气敏传感器工作原理 .......................................... 4

2.3 系统模块设计 ................................................ 6

2.3.1 气体浓度检测模块....................................... 6

2.3.2主控制模块 ............................................. 6

2.3.2 声光报警模块.......................................... 7

第3章硬件电路设计................................................. 9

3.1 电源电路 .................................................... 9

3.2 气体检测电路 ................................................ 9

3.3 单片机模块的设计 ........................................... 10

3.4 声光报警和排气装置电路 ..................................... 11

3.5电子开关电路................................................ 12

3.6单元模块的联接.............................................. 13

第4章程序设计.................................................... 14

4.1 主函数程序设计 ............................................. 14

第5章结论....................................................... 18

致谢............................................................... 19

参考文献........................................................... 20

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liquefied petroleum gas，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。

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

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。

第2章系统设计

2.1设计思路

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

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

B. 环境条件

符号

Tao

Tas

RH 参数名称使用温度储存温度相对湿度技术条件 -10℃-50℃ -20℃-70℃ 小于 95%RH 备注参数名称回路电压加热电压负载电阻加热电阻加热功耗技术条件 ≤15V 备注 AC or DC 5.0V±0.2 V AC or DC 可调 31Ω±3Ω ≤900mW 室温

O2 氧气浓度 21%(标准条件)

氧气浓度会影响灵敏度

特性

MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构 A or 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。

最小值大于２％

图2-2 元件的结构和外形

2.3 系统模块设计

2.3.1 气体浓度检测模块

传感器是能把实测物理量或化学量转化为与之有确定对应关系的电信号输出的装置。传感器主要是由敏感元件、传感元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分，如下图3.1.1所示。敏感元件：敏感元件指能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。是传感器中能直接感受被测量的部分。

传感元件：又称为转换器，一般情况下，不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转化为电量输出的元件。

传感器按工作原理可分为：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、光电式传感器、压电式传感器等。

2.3.2主控制模块

主控制模块即单片机模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个功能模块，完成天然气检测报警关闭阀门及排气装置功能。

AT 89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图2-3所示 AT89C51外形及引脚排列。

图2-3 AT89C51引脚图

AT89C51单片机有40个引脚（如图2.2），按照引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

2.3.2 声光报警模块

声光报警模块主要由蜂鸣器在气体浓度过大，超过安全值时，蜂鸣器工作，提供报警服务。在这个时候，用户可以自行关闭煤气，并通过对房间通风来解决。报警电路由555时基电路A2、发光二极管VH、扬声器B及阻容元件等组成，A2

等组成音频振荡器。

555定时器电路是一个中规模的集成电路，可以由TTL电路或CMOS电路构成。它是一种能产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路。只要在外部配上几个适当的电阻元件，就可以构成单稳态触发器。多谐振荡器以及施密特触发器等脉冲产生与整形电路，在工业自动控制，定时，仿声和防盗报警等方面有广泛的应用。

555定时电路结构如下图所示。

第3章硬件电路设计

3.1 电源电路

电源电路由变压器T1、整流桥VC、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）构成，其电路结构图如图3-1所示。

该电路的工作原理是220V市电经变压器T1降压、整流桥VC整流、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）稳压后，提供12V直流电源。

图3-1 电源电路结构图

3.2 气体检测电路

图 3-2传感器工作原理图

（1）气体检测模块电路

MQ-2气体传感器两信号输出端为电阻信号，由附录A中的MQ-2灵敏度特殊性可得Rs阻值范围为2-20KΩ，所以仿真时MQ-2气体传感器由20KΩ滑动变阻

器代替。当没有煤气、天然气泄漏时，Rs的阻值应该在20KΩ左右，此时该气体检测模块的输出端为高电平，此时LED发光。当有煤气、天然气泄漏时，Rs的阻值应该在2KΩ左右，此时该气体检测模块的输出端为低电平，此时LED熄灭。

图3-3气体检测模块原理图

（2）气体检测模块调试

按照电路图在面板上搭接气体检测模块电路，该模块输出通过100KΩ限流电阻接LED正端，该LED负责拼接接地。当MQ-2传感器端不加气体时，此时LED点亮，说明此时输出为高电平；当MQ-2传感器端加气体时，此时LED熄灭，说明此时输出为低电平。刚上电时就在MQ-2端加气体，此时LED不熄灭，原因是RC延时电路起作用，防止误报现象的发生。

3.3 单片机模块的设计

单片机模块，完成功能是与各个功能模块连接，并通过软件编程控制各个功能模块，完成煤气、天然气检测报警及温度显示功能。

3.4 声光报警和排气装置电路

西安建筑科技大学课程设计（论文）

图3-4 主控制模块原理图

“嘀”的声音，VH发光。当煤气泄露故障排除后，电路自动恢复。

A2等组成音频振荡器，其电路结构图如图3-5所示。电路工作时，扬声器发出

报警电路由555时基电路A2、发光二极管VH、扬声器B及阻容元件等组成，

3.5电子开关电路

电子开关电路由JEC-2施密特集成电路A1和三极管VT3组成，其电路结构图如图3.3所示。该电路的工作原理是当B-B端（即A1的7脚）为低电平时，2脚输出为高电平，555时基电路A2 不工作。此时VT3因反偏而截止。当7脚为高电平时，A1电路反转，2脚输出为低电平，A2电路被接通，VT3导通，继电器KA得电吸合，其常开触点闭合，接通负离子发生器的电源，使它投入工作。

图3-6 电子开关电路结构图

3.6单元模块的联接

（1）电源电路与气敏检测电路之间的联接

在设计中，电源电路是由变压器T1、整流桥VC、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）构成，该电路的作用是将220V的市电经变压器T1降压、整流桥VC整流、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）稳压后，为整个电路提供12V直流电源，而气敏检测电路负责检测煤气浓度及将其转化为电信号。

（2）气敏检测电路与电子开关电路之间的联接。

在整体电路中，气敏检测电路由气敏元件MQ-2、电位器RP1、电位器RP2、电阻R5和指示灯H组成，其作用是负责检测煤气浓度及将其转化为电信号，而电子开关电路由JEC-2施密特集成电路A1和三极管VT3组成，其作用是接收气敏探测电路传输出的信号并将其转化为各种控制信号，再传输给其它电路元件，在整个电路中起到了枢纽的作用。

（3）电子开关电路与报警和排气电路之间的联接。

电子开关电路与报警和排气电路之间的联接主要是通过由电子开关电路产生的各种控制信号来实现。电子开关电路的作用就是接收气敏探测电路传输出的信号并将其转化为各种控制信号，而其中的一个信号就是用来供报警电路使用。

第4章程序设计

4.1 主函数程序设计

程序开始，定时器初始化，检测空气中天然气的浓度是否达到报警值，如果达到报警值，调用报警子程序，报警。如果没有达到报警值，则LED置1，处于熄灭状态，返回检测，重新循环。

图4-1 主程序流程图

主程序：

ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H LJMP RD

ORG 000BH LJMP TIMO ORG 0023H LJMP SOUT ORG 0100H

MAIN : MOV SP,#50H

CLR P1,6 CLR P1,5 CLR P1,7 MOV 29H,#00H MOV 28H,#00H MOV 21H,#00H MOV 22H,#64H MOV 23H,#0A0H SJMP KEY SETB IT0 SETB EX0 SETB ET0 SETB ES SETB EA MOV TCON,#90H MOV TMOD,#21H MOV TL0,#A0H MOV TH0,#15H MOV DPTR,#0FE00H MOV A,#01H MOVX @DPTR,A SETB TR0 LCALL DISP

LCALL CONT SJMP NEXT RET

数据采集程序:

ORG 0000H LJMP START ORG 0013H LJMP PINT0

START: MOV R0，#50H

MOV R2，#08H MOV DPTR，#0FEF8H SETB IT0 SETB EX0 SETB EA MOV @DPTR，A

PINT0： MOVC A,@DPTR ；中断子程序

MOV @R0，A NC DPTR INC R0 DJNE R2，NEXT CLR EX0 SJMP FIN0

NEXT: MOVX @DPTR,A FIN0： RETI

END

A/D转换程序

将读数依次放在片外数据存储器A0H-A7H单元。其主程序和中断服务程序如下：主程序：

MAIN: MOV R0，#0A0H ；数据暂存区首地址

MOV R2，#08H ；8路计数初值 SETB IT1 ；脉冲触发方式 SETB EA ；开总中断 SETB EX1 ；开外部中断1 MOV DPTR,#7FFBH ；指向0809首地址 MOVX @DPTR,A ；启动A/D转换

HERE: SJMP HERE 中断服务程序：

MOVX A,@DPTR MOVX @R0，A INC DPT INC R0 DJNZ R2，DONE RETI

DONE: MOVX @DPTR,A

RETI

；等待中断；读数；存数；更新通道R ；更新暂存单元

第5章结论

这次课程设计历时一个星期多左右，通过这一个星期的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。

这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，大家就分配好了各自的任务，大家有的绘制原理图，进行仿真实验，有的积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的的课程制作，可是平心而论，也耗费了我们不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！

通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐，和团队人员这十几天的一起工作的日子，让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的实习，我感觉我和同学们之间的距离更加近了。这个工程确实很累，但当我们仿真实验成功的时候，我们的心中就不免兴奋，不免激动。以前种种艰辛这时就变成了最甜美的回忆！

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

致谢

本论文是在宋老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。宋老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向宋老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢在一起愉快的度过课程设计小组的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

在报告即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到报告的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!

最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢！

参考文献

[1] 常健生.检测与转换技术[M].机械工业出版社.2001

[2] 陈岭丽，冯志华.检测技术和系统[M]．北京：清华大学出版社，2005.

[3] 周润景徐宏伟丁莉.单片机电路设计、分析与制作[M]. 北京：机械工业出版社.2010

[4] 蓝和慧宁武闫晓金.全国大学生电子设计竟赛单片机应用技能[M].北京：电子工业出版社.2009

[5] 赵宝军，吴冬艳.一氧化碳报警器的研究[J].中华临床与卫生，2004：122-122

[6] 何希才，薛永毅.传感器及其应用实例[M]．北京：机械工业出版社，2004.

[7] 陈正义.单片机控制实习[M]．北京：人民邮电出版社，2006.

[8] 陈小忠，黄宁，赵小侠.单片机接口技术实用子程序北京：人民邮电出版社，2005.

[9] 沙占友.集成化智能传感器原理及应用[M]．北京：电子工业出版社，2004.1：

198-222.

[10] 杨家国谢维成.单片机原理与应用技术C51程序设计[M].北京：清华大学

出版社.2009

摘要