可燃气体报警

1、长春工业大学毕业设计摘 要对于可燃气体得检测不得不从家庭方面考虑，在人们日常生活中存在很多可燃性气体，人们总是从各个方面对其进行使用，但是居于这些气体的性质，它们又会给人们的日常生活带来很大的隐患，无论是家庭还是厂房都大量使用或生产着可燃性气体，例如CO、甲烷等等，对于家庭，大多对气体泄露检测方面存在着很大漏洞。由于煤气泄漏具有巨大的危害性，需要对煤气泄漏进行实时的精确监控。根据设计要求，设计了一种可燃气体监控系统，该系统以单片机控制技术，采用巡回检测的方法，对一氧化碳（CO）进行实时监控，具有报警设定、声光报警、现场浓度动态显示、向上位机通讯等功能。由于本设计以AT89C52单片机为核心，较

2、为合理地分配了软硬件，充分利用了软件编程技巧及系统运行速度快等优点，并有力兼顾了系统的性能，使系统精确度、灵敏度和稳定性均达到设计要求，且造价低，操作方便。本系统的软件编写采用的是汇编语言，整个程序的思路清晰，考虑全面。可以在执行的开始和过程中，修改报警临界值，增大了使用的地域和领域；在报警时可以指出哪个单元气体泄漏并且发出声光报警。关键词：气敏传感器；单片机；检测；声光报警； AbstractIn the current society, a lot of CO gas alarms have appeared, and these products are mostly to lettin

3、g out sound-light corresponding alarms made of the leakage CO gas. That is a simple style. But with the development of society, CO gas alarm also developed from a single sound-light one to an intelligent one. Because of the gigantic harmfulness of gas leakage. It is important to measure the gas leak

4、age accurately. The intelligent gas monitoring and controller system is designed with single-chip computer technology and cycle check method. It can monitor CO intense real-time. When CO concentration is higher than allowed value, it can not only provide with the function of setting up alarm limit,

5、sound and light alarm, dynamic display of the connection error, checking and adjustment automatically, But also shut off gas pipe valve, alarm toward systemic computer and open the valve through press button automatically. And it can solve the problem through external fan and electromagnetically ope

6、rated valve to avoid accident. Since this design is distributed, relatively reasonably with 89 C5 2s as core, software and hardware has used software programming skill and the systematic rapid etc. advantage of traversal speed fully, and strong have considered both systematic performance. So thesyst

7、emisaccuracy; Sensitivity and stability meet the demand of design. The cost of building is lower and operation is simpler. What the software of this system is written and adopted is an assembler language, the train of thought of the whole procedure is clear, it is overall to consider. Can revise the

8、 warning critical value, has increased the region and field to use in beginning and course of carrying out.Keywords:gassensor;single-chipcomputer;soundandlightalarm; 目录1.绪论11.1 本课题的研究意义11.2可燃性气体报警仪国内外发展情况31.3本论文研究内容42方案论证52.1系统的主要功能52.2设计的原理框图52.3单片机的选择52.4传感器的选择82.4.1 CO传感器的种类与特点92.4.2 几种主要CO传感器103

9、.硬件设计153.1单片机的最小系统设计153.2信号输入单元电路的设计163.3按键显示单元设计193.4报警单元设计233.5通讯电路设计243.6系统电源电路设计254系统软件设计274.1主程序设计274.2数据采集程序设计314.3人机接口单元软件设计334.4报警单元软件设计344.5单片机与PC机串口通信软件设计35结论37致谢38参考文献39附录41411.绪论1.1 本课题的研究意义从可燃性气体发展的整体角度来说，在石油化工生产过程中、实验室实验、教学设施、住宅等不可避免地存在着各种易燃易爆气体和有毒气体，这些气体一旦泄漏并积聚在周围环境中,将可能酿成火灾、爆炸或人身中毒等恶

10、性事故。为了防患于未然,应采用性能可靠的气体检测器，连续监控工艺装置或储运设施环境中可燃气体和有毒气体的泄漏情况，及时发出报警以保证生产和人身安全。当前在石化行业HSE质量体系越来越受到重视，石油化工行业标准石油化工可燃和有毒气体检测报警设计规范即将上升为国家标准。在设计检测器时应充分考虑其安装位置的合理性，为以后的使用、维护、检定提供方便。根据检测现场的空气可能环流现象及空气流动的上升趋势，以及厂房的空气自然流动情况、通风通道等来综合推测，当发生大量泄漏时，根据可燃气体或有毒气体在平面上自然扩散的趋势方向，确定平面位置;再根据泄漏气体的密度并结合空气流动的方向，确定空间位置。报警器是否灵敏可

11、靠关系到人身财产安全,因此报警器属于强制检定的计量器具。目前大多数报警器用户都使用汽油或液化气等超过以上高浓度的易挥发可燃气体对报警器进行检测, 若报警即判断报警器正常。这样做虽然省缺了购买可燃气体标准物质的麻烦和费用, 但实际上达不到保证安全的目的, 从而形成重大安全隐患, 有时还会造成报警器检测元件中毒。如果使用标准气体检测报警器, 就能保证人身安全, 同时杜绝报警器检测探头中毒现象。一、可燃气体检测报警器的构成和应用，可燃气体检测报警器由探测器与报警仪表构成, 主要用于监测可燃气体产生、使用、储存的室内外危险场所的泄漏情况。当被测场所空气中存在可燃气体时, 探测器将感知信号并传输到报警仪

12、表, 仪表即显示出可燃气体爆炸下限的百分比浓度值。当可燃气体浓度超过报警设定值时发出声光报警信号提示,值班人员采取安全措施, 避免燃爆事故的发生。二、固定安装式检测报警器的特点固定安装式检测报警器一经安装就位, 它的监测范围就已确定。当需要监测一个三维空间且规模较大的工业生产装置时, 仅有的少数几个监测点很难确保监测效果。因此，对于布点的疏密程度、上下高度以及与可能泄漏点的距离等都要考虑。报警器的布点安装不仅涉及到投资的合理性和可接受程度, 还涉及到投资的切实效果和安全生产。三、可燃气体检测报警器安装经验根据多年来积累的工作经验,笔者认为具体安装应用时应考虑以下几点：1.首先弄清所要监测的车间

13、装置有哪些可能的泄漏点, 并推算它们的泄漏压力, 单位时间的可能泄漏量、泄漏方向等, 并画出棋格形分布图, 根据推测的严重程度分成A、B、C三个等级。2.根据所在场所的主导方向、空气可能的环流现象以及车间空气自然流动的趋势, 推测当发生大量泄漏时, 可燃气体在平面上的自然扩散趋势方向图。3.再根据泄漏气体的密度(大于或小于空气), 并结合空气流动的上升趋势综合成泄漏流的立体流动趋势图。4.根据形成的本监测范围可燃气体泄漏的立体流动概念, 就可在其流动的下游位置作出初始设点方案。5.然后, 再研究泄漏点的点泄漏状态: 可能是微泄漏也可能是喷射状泄漏。如果是微泄漏, 则设点的位置就要靠近泄漏点。如

14、果是喷射状泄漏, 则稍远离泄漏点。综合上述情况, 拟定出最终设点方案。这样,需要购置的数量和品种即可从所画的最终棋格图中估算出来。6.对于一个大中型有可燃气体泄漏的车间, 有关规定建议每相距 ( 1020)m设一个检测点。7.对于无人值班的小型且不是连续运转的泵房, 需注意发生可燃气体泄漏的可能性。特别是在北方地区冬季门窗关闭的情况下, 可燃气泄漏将很快达到爆炸下限浓度。一般在主导风向的下游位置, 安装一台检测器, 如厂房面积大于200m2, 则宜增加一个监测点。8.对于有氢气泄漏的场所, 如大型发电机组、炼油厂的加氢装置、电化厂的电解车间、盐酸合成炉厂房、存放有氢气钢瓶的仓库、有气相色谱分析

15、仪的化验室等场所, 将检测器安装在泄漏点的上方平面。9.对气体密度大于空气的诸如烷烃类(甲烷沼气、民用煤气除外)、烯烃类(乙烯除外)、液化石油、汽油、煤油等, 将检测器安装在低于泄漏点的下方平面上, 并注意周围环境的特点。例如, 室内通风不流畅部位、地槽地沟易积聚可燃气体的地方、现场通往控制室的地下电缆沟、有密封盖板的污水沟槽等, 都是经常性或在生产不正常的情况下容易积聚可燃气的场所, 应将这些场所当作不可忽视的安全监测点。10.喷漆涂敷作业场所、大型的印刷机附近, 以及相关作业场所, 都属于开放式可燃气体扩散逸出场所。如果缺乏良好的通风条件, 也很容易使某个部位的空气中的可燃气体的含量接近或

16、达到爆炸下限浓度值, 这些都是不可忽视的安全监测点。目前，从社会发展形式看，对气体的检测报警越来越重要,而气体检测装置也都脱影而出，但是很多装置都存在着某方面的弊端，例如,，装置本身的使用耐久度、装置的灵敏度、报警明显度、设备的性价比、还有最大的弊端就是装置本身容易出现问题是否能及时发现和处理等等，这些是很值得考虑的。眼前，无论是公司、企业、或是家庭对装置的购买使用都会考虑装置寿命和性价比，所以理想的气体检测报警装置就首先必须满足这两点.1.2可燃性气体报警仪国内外发展情况无锡格林通安全装备有限公司是美国通用检测器国际公司在中国惟一一家合作生产工业安全设备的公司，它专业生产的气体浓度探测传感器

17、已广泛使用于石化企业，其中S4000C可燃性气体探测传感器是代表产品。S4000C是探测可燃性气体和蒸气的智能传感器，探测器探测到的可燃性气体浓度经线性变换成毫伏信号，通过电缆传输给控制器。可燃气体报警器主要用于非矿井作业环境空气中可燃气体爆炸下限以下简称以下浓度的测定和报警，是石油、化工、储运、消防与人防等工矿企业防爆场所必备的安全检测仪器, 也可作为化工设备、管道接头及阀门的检漏工具。某厂气焊车间安装了台日本理研株式会社生产的型固定式可燃气体检测报警器, 曾经直接使用气焊对准报警器的探头进行检测, 使两个探头发严重中毒, 导致报警器报废。由于使用气体不当使报警器检测元件中毒现象普遍存在。尤

18、其是国产检测元件, 更易出现灵敏度降低或线性严重偏离的现象, 导致报警器示值误差增大, 甚至报警器报废。标准气体是由国家技术监督局批准发布并由具有相应标准物质制造计量器具许可证的单位提供的对报警器进行检测, 原则上应该采用与被测气体相同的标准气体。对通用报警器可采用异丁烷标准气体或说明书上规定的气体。仪器出厂时多数采用异丁烷标准气体作量程标定, 也有的采用甲烷等标准气体作量程标定, 一般在仪器说明书或面板上标明量程标定用气体的名称。标准气体的浓度单位通常以摩尔分数表示, 有时用标准状态下的体积分数表示, 其浓度值应换算成相应的LEL的百分数。不同的可燃气体, 在空气中的爆炸下限是不相同的, 异

19、丁烷与甲烷在空气中的爆炸下限分别为1.8%和5%。计量检定机构依法对报警器执行强制检定, 按照JJG693-90可燃气体检测报警器检定规程, 选用10% 30% 60% LEL 3、种浓度的标准气体, 如果报警器的用户每月进行定期检测维护, 可以只选用40%LEL的标准气体, 检查报警器是否报警以及示值误差的大小。如果仪器能够报警, 且示值误差在正负10%以内, 即可认为报警器完好。国外的设备具有国际先进的水平，使用简单，自动化程度高，国内有些检测仪器就是采用了外国的先进技术，这主要是由于国内在这方面起步比较晚，但是在近几年来已经有了很突破的发展。总的来说，技术的的高低可以决定设备使用的方便和

20、安全度。可燃性报警装置不仅具有报警限设定、声光报警、控制输出功能，而且具有时钟、气体浓度显示、故障自诊断功能。报警仪应可以在较宽的温度范围下工作，这样就可以被家庭、公司等多方面使用。对于化工厂，特别是PVC生产部门早期使用的可燃性气体检测报警仪存在易中毒失败、透气帽腐蚀堵塞，受风、雨、尘、聚合物等众多问题及其影响。所以对可燃气体报警仪的设计要求中不但要考虑技术原理，还要从研制报警仪本身所用材料着手，那样就会避免很多因为气体腐蚀性造成报警仪失效的问题。无论是对家庭还是公司企业来说，最重要的还包括可燃性报警仪的价格，价格合理，对于公司企业才能谈经济效益，这样家庭也很容易接受。总之，具有先进的的科学

21、技术、操作简单显示清楚、具有长时间的使用能力、能达到广大使用者的理想价格的检测报警装置才是未来报警系统的发展方向。1.3本论文研究内容测量浓度范围：0100LEL；测量精度：0.5级； 在安全值内，能显示当前值和设定值；在安全值外， 能够产生声光报警；具有看门狗定时器的功能；能够显示通道数及当前温度值；所有设定值，掉电不丢失；通讯功能。 2方案论证2.1系统的主要功能本可燃性气体报警仪主要针对的是CO气体的检测，实现对CO气体泄漏的实时监控；实时跟踪显示现场CO气体浓度；具有声光自动报警功能；根据报警状况自动向当时工作人员发出警示，使其人员马上疏散，同时向监控人员提供当时的危险气体浓度的数据。

22、2.2设计的原理框图根据设计要求，可燃性气体报警仪的电路原理框图如图2.1所示图2.1 电路原理框图2.3单片机的选择在微型计算机的大家族中，新发展的单片机微型近年来特别引人注目，单片微型计算机简称单片机，它是超大规模集成电路发展的产物，将微处理器、I/O接口和存储器三者都集成在一个芯片上。就其组成而言，一块单片机就是一个计算机系统，因而是有许多独特的优点，如体积小、可靠性高等。由于它在控制领域中的应用非常广泛，是目前发展比较活跃的机种。典型的单片机含有两种类型的存储器RAM 和 ROM，以及至少两个I/O接口，某些8048系列单片机内部还有单片机内部还有A/D转换器，因此，可直接与模拟器和过

23、程控制装置进行连接。单片机的出现，为工业自动化控制、智能化仪器仪表、家用电器以及高级玩具等方面开辟了广阔的道路，其应用特点有：1.体积小、成本低、它能方便地装入各种智能化控制设备和仪器中，达到电、仪一体化；2.面向控制，能有针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务；3.抗干扰能力强，适应温度范围宽，即使在各种恶劣环境中，也能可靠地工作，这是其它机种所无法比拟的；4.可以方便地实现多机和分布式控制，从而大大提高整个控制系统的效率机器可靠性。可见，对于运算不太复杂，数据量不大的应用系统，往往用一块单片机就可以满足控制或测量要求，从而使得硬件电路十分简单，造价低廉。当前单片机正向大容量、高性能和专用化

24、方面发展，其应用领域正在进一步扩大我们在应用单片机时，应考虑在满足性能要求的前提下，注意合理选用适当级别的通用单片机，避免浪费资源。鉴于单片机的一系列优点，本设计决定选用单片机作为系统的主机，单片机与其它机种相比有如下优点：1.体积小、价格低廉 由于单片机是把CPU、存贮器及I/O接口集成在一个芯片上， 因而体积比 Intel 8080要小得多，其性能十分优异，此外，由于单片机的集成度高，所以具有较高的性能/价格比,而且随着单片机的发展，这方面的优势将越来越突出。2.便于产品的小型化、智能化 由单片机体积小，功能强，用它不仅能代替常规的控制逻辑，而且还具有计算和处理应用于智能化仪器，家电，自控

25、装置，计算机外部设备和机器人等。3.研制周期短、可靠性高一般微型机用于过程控制和智能化仪器周期比较长，需要二次开发，因而单片机大大缩短了研制周期。此外，由于单片机都集成在一个芯片之上，所以省出了大量的外部连线，简化了印刷电路板的设计和加工，因而减少了外部干扰，使其可靠性极大提高。自从单片机问世以来，世界上个大微机器件生产厂纷纷推出各自系列的单片机产品，其中美国Intel公司的产品品种多，系列器件全，且器件之间兼容性强，应用资料丰富，被广泛应用，我国应用的单片机，大多数是该公司产品，本设计决定采用该公司的MSC51系列单片机。MSC51系列单片机是Intel公司在MCS48系列单片机基础上推出的

26、较新产品，是目前市场上性能/价格比较高的理想8位机，我们学习并掌握我们学习并掌握MCS51系列单片机，对于设计调试，安装和维修智能化电子产品也有一定的指导意义和参考价值。我们知道，MCS51系列单片机的典型产品是8051，该系列还有8031和8751，本设计决定选用AT89C52.这是因为：8031/8051/8751Intel公司早期的产品。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线将其照射擦除，之后才可写入，写入到外接程序存储器的程序代码没

27、有什么保密性可言。8051片内有4K ROM,无须外接存储器和373，更能体现“单片”的简练，但是你编的程序你无法写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本上一样，但8751片内有4K的EPROM,用户自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EP同样需要紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准，后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统

28、完全兼容，决大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换，我们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。在众多51系列单片机中，ATMEL公司的AT89C52比较好用，而且可以应用于一些较复杂的程序应用场合，因它不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMEL AT89Cx做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短，写入单片机的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。ATMEL公司生产的还有AT89C2051，AT89C1051等品

29、种，这些芯片在AT89C51基础上将一些功能精简掉后形成的精简版。AT89C2051去掉了P0 口和P2口，内部的程序FLASH存储器也小到2K，相应的价格也低一些，特别适合在一些智能玩具。对2051和1051来说，虽然减掉了一些资源，但他们片内都集成了一个精密比较器，别小看这小小的比较器，它为我们测量一些模拟信号提供了极大的方便，在外加几个电阻和电容的情况下，就可以测量电压，温度等，我们日常需要的量，这对很多日用电器的设计是很宝贵的资源。ATMEL的51、2051、1051均有多种封装，如AT89C51有PDIP、PLCC和TQFP/TQFP等封装；2051/1051有PDIP和SOIC封装

30、等。由于51系列单片机的内核都一样，所以在51系列单片机教材方面目前仍然沿用Intel MCS 8051单片机的书籍，开发软件和工具也是一样，我们统称为8051开发系统环境，如我们在网站介绍的汇编程序ASM51、Keil c51、MedWin 等均是针对51系列内核单片机的开发软件。但对AT89C52来说，在实际电路中可以直接互换8051/8751，替换8031只是第31管脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚却需接地（GND）,单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89C51因内部有程序存储器，31脚接高电平（VCC）,单片机启动后直接在内部读取指令，也就是51

31、芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取，其它无须改动。另外，AT89C52替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器和373芯片。2.4传感器的选择传感器在气体检测中起到了开始举足轻重的作用，传感器种类选择和传感器应安装的位置至观重要。传感器的特点：一般说来，这类传感器均在可燃性气体浓度为0100%内有较好的线性稳定性；不容易受到背景气体(如CO2等)的干扰；较容易实现对环境温度的补偿；响应时间短,精度高。上面提到的甲烷传感器，明显地具有这些特点。传感器的传感元件要具有耐冲击能力和抗“中毒”能力，测可燃性气体的

32、传感器具有这种特殊能力，基于工作环境而言的。例如容器泄漏可燃性气体时有的是缓慢外泄，有的是喷射性外泄,如果喷射性外泄就在传感器附近，这时传感元件接触到可燃性气体的浓度就大大地超过最低爆炸极限浓度，即传感器受到高浓度可燃性气体的冲击。对于高质量的传感器能在冲击过后，较好地恢复在其量程范围内的灵敏度，但有的传感器元件受冲击过后出现催化性能锐减的现象，而丧失反应灵敏度。还有的传感元件在被检测的可燃性气体的混合物中接触含有硫化氢或卤族元素化合物，致使传感元件丧失催化活性而灵敏度衰减，这种现象被称作传感元件“中毒”。因此我们必须选择抗“中毒”的元件来做传感器。可燃性气体检测传感器的标定为了保证检测仪表能

33、灵敏、准确地检测出可燃性气体的浓度，必须定期对仪表进行标定校核。为此应该注意做好以下几方面的工作： (1)标定的周期和标校人员的资格。国家计量检定规程规定“标定周期为一年”“、仪表(器)经常非正常震动或对示值有怀疑以及更换主要元件后随时送检。各仪表制造商，在产品使用说明书中，均指出了其仪表的标定周期，但就是同一类型的仪器，各厂家有不一样标定周期。根据有关资料规定及本人的经验，标定周期对在煤矿井下使用的可燃性气体传感器的标定以每3个月标定一次为好，而在地面化工产品生产场所的可燃性气体检测传感器每6个月校定一次为宜。标校人员的资格，必须是经过有关单位的专门培训,并经当地的计量部门考核合格后，发给合

34、格证书的人员，才能持证上岗对传感器进行定期标定和校核。(2)标定方法：一般情况，仪表制造商对其制造的产品的标定校核均有详细的说明。通用的方法是：将标准气体由钢瓶流出,经过减压阀，然后通过专用的标定罩，把标准气体提供给传感器进行标定。有的标定人员为了更好地控制标准气体的流量，在减压阀的后面加上转子流量计，对传感器进行定量供气，这样可以避免因手动控制不准确而浪费标准气的现象产生。在井下标定传感器要注意的是，在标定前必须要用便携式仪器测试环境气体中可燃性气体的浓度是否在规程规定的安全范围内，否则不能进行标定，以免发生安全事故。(3) 可燃性气体检测传感器的布置方式传感器必须安放在可燃性气体容易泄漏或

35、释放扩散的地方,这样才能使得传感器元件与被测气体容易接触。然而,究竟如何来布置传感器,传感器布置的位置和数量多少为好?其前提是既要考虑安全性，又要考虑经济性，但必须要以安全性为主。传感器几点原则：区域性布置与重点部位布置相结合的原则。所谓区域性布置是指井下有甲烷涌出的采掘工作面、采区巷道,在地面能泄漏出有可燃性气体的化工产品生产的封闭与半封闭厂房内,需要监测的塔、罐、机泵等工艺设备群体可按10 m左右布置一个或多个比率来设置传感器的数量。所谓重点布置是指有可燃性气体释放的采掘工作面上、下帮、上隅角,回风巷的入口处;化工厂的生产车间工艺设备旁,机泵管道上的采样口、灌装口、储罐的排水口等释放源的附

36、近。让气体跟传感器紧密接触的原则。可根据被测气体的比重来确定安设位置，若被测气体的比重比空气轻，则应安放在上方。如采掘工作面的上隅角，甲烷容易积聚，必须安放甲烷传感器。对流动空气，必须将传感器安放在下风侧。在生产车间的分析室，控制室和防火防爆区的变配电室内，要安放一定数量的传感器。检测系统制造商的使用说明书要求必须安装的传感器。以地面化工厂压缩机房为例，说明在现场布置传感器的方法，设备数量较集中时，按区域性进行控制，避免布置在紧靠机泵密封端或阀门放水口，以免频繁报警.2.4.1 CO传感器的种类与特点目前达到实用化水准的CO传感器主要分为金属氧化物半导体型、电化学固体电解质型和电化学固体高分子

37、电解质型等三种类型。其它，如触媒燃烧型、场效应晶体管型及石英晶体谐振型等则使用较少。上列各种CO传感器的特性如表2.1所示。表2.1 各种CO传感器的优缺点比较6种 类 优 点 缺 点触媒燃烧型 输出信号与气体体积分数呈线性关系；受温度、湿度影响小，适合用于较高气体体积分数的检测。选择性差；易被污染而老化；受风速影响大。反应速度较半导体型慢。金属氧化物半导体型对敌体积分数气体信号输出变化大、灵敏度高；使用寿命长；检测电路简单；响应速度快。 输出信号与气体体积分数为线性关系；不适用在高体积分数气体检测；选择性不佳。固体电解质型选择性好；可测量较低体积分数气体；测试准确度高。需高温工作；易被污染而

38、老化。场效应晶体管型稳定性好；耐高温；耐强酸。灵敏度较差；选择性较差。石英晶体振动型灵敏度高；可测量较低体积分数分布；测试准确度高。选择性较差；易受温度影响；易受湿度影响。固体高分子电解质型可在高温下工作；灵敏度高；相应速度慢。体积较大；易受污染。2.4.2 几种主要CO传感器 金属氧化物半导体型CO传感器金属氧化物半导体型气体传感器由于其耐热性、耐蚀性强，材料成本低廉，元件制作工艺简单，再加上具有易于与微处理电路组合及制成的气体监测系统制作成便携式监测器等优点，因此广泛应用于监测家庭、工厂生产环境中有毒气体及可燃性、爆炸性气体场合。金属氧化物半导体传感器的结构如图2.2 所示。图2.2 金属

39、氧化物传感器的结构该结构包括陶瓷基体、敏感材料层、加热器及测量电极等。其中敏感材料采用金属氧化物粉体构成，如SnO2、 Fe2O3、 In2O3、 WO3、 Ag2O 等。金属氧化物半导体传感器已广泛应用于CO的探测方面，并主要以SnO2材料为主。其工作原理是当加热器将感测材料升到高温，氧会被吸附在感测材料表面，然后从感测材料的导带捕获两个电子而形成氧离子，造成感测材料的电阻值上升，而当还原性气如CO吸附在感测材料的导带，便造成电阻值下降。再根据电阻值的变化与气体体积分数的函数关系，即可对气体体积分数进行有效检测。这种类型的传感器易受其他还原性气体如H2、NO、挥发性有机物等的干扰。为了提高选

40、择性，常采取掺入金属如铑（Rh）、钌（Ru）或氧化物如氧化钍(ThO2)氧化锑（SbO3）及氧化铋（BiO3）等方法；或者利用厚膜技术制备SnO2敏感层；利用薄膜技术制备SnO2敏感层等。另外，也有学者采用氧化钼（MoO3）为敏感材料，再掺杂其他金属触媒来提高对CO的选择性。 电化学固体电解质型CO传感器据有关资料调查表明，目前在石化生产系统中使用最普遍的CO传感器是电化学传感器。在CO自动监测系统中，有三分之二为电化学传感器，而便携式检测仪则几乎全部为电化学式。传统的电化学式CO传感器使用液态电解液，其感测原理与所介绍的固体电解质型与固态高分子电解液型类似，但容易造成电解液漏液而需进行补充，

41、且电解液常为强酸，漏液后造成的后果十分严重，因此目前正研究以固体电解质取代液体电解液。固体电解质型传感器主要以无机盐类如ZrO2、Y2O3、KAg4I5、K2CO3、LaF3等为固体电解质，加上阴、阳极材料组合而成（见图2.3所示）。 图2.3 固体电解质型传感器纯的固体电解质可以传导离子，但却无法传导电子，且纯的固体电解质在室温下电导率极低，因此常需要高温工作环境，这可采用内建加热器来实现。固体电解质ZrO2主要用于氧传感器，但也可将其用于CO的检测，其工作原理仍为电化学电位式。电化学电位式传感器是利用正负两极的气体体积分数差而产生平衡电位差E，若设已知一电极侧的气体体积分数为X1，而另一电

42、极侧的气体体积分数为未知体积分数X2，便利用能斯特方程式的关系，求得X2。由于无机盐类固体电解质在低温下的电导率极低，所以需要高温工作环境；且利用电位差原理，对于微小温度的变化并不灵敏，此外也易受其他气体干扰，因此并不适合在复杂场所检测一氧化碳。 电化学固态高分子电解质型CO传感器电化学固态高分子电解质传感器的感测原理与固体电解质型类似，但是以高分子中的官能基来传导离子，且在室温下工作。一般所使用的固态高分子电解Nafion、FEO(Polyethylene Oxide)、Dow Sulfonicacid、Dow Carboxylic-acid等。由于高分子可按照设计需要通过化学反应的方法（如

43、枝接、嵌入、交联、聚合等）进行改性，加工性好与其它技术（如微电子芯片、晶体管、石英晶体等）兼容性好，且可常温工作等。因此该类传感器是目前受关注研究的重点之一。该类CO传感器可分为电位式与电流式两种，目前研究重点以后者为主。电化学电流式CO传感器的工作原理是在电极表面加上一多孔性材料，以限制气体扩散到电极表面的速率，使反应易于得到传质控制，并在两电极之间施加电压，使扩散到电极表面的气体反应而形成电流。当所施加的电压增大到使气体在电极上的反应速率受限于气体扩散到电极表面的速率时，这时，气体在电极表面的浓度为零。即使再增加电压也不能增加气体反应速率，此时的电流称为极限电流或界限电流（limiting

44、 current）。图2.4 高分子固体电解质传感器结构示意图电化学高分子固体电解质型CO传感器主要以Pt或Au作催化触媒电极，以Nation或PEO为固体电解质（见图2.4所示）。在阳极上进行CO的氧化反应为CO + H2O CO2 + 2H+ （2-1） 氢离子进行高分子电解质的传导后，在阴极上进行还原反应 （2-2）此外，还存在CO + 1/2O2 CO2于是CO被O2氧化而形成CO2，通过测得I值，就可测知CO气体的体积分数。电极制备方法与排列形式可有多种不同的方式，按照金属触媒淀积到高分子薄膜上的方式大体可分为四种：热压法、溅射法、化学镀和电化学淀积法。当用单一金属触媒作为淀积材料时

45、，其灵敏度、选择性、稳定性均不甚理想，且往往容易受到CO的毒化。因此,可采取单一金属触媒上加入第二、第三种材料，制成合金或是表面修饰电极，以改进上述不足之处。目前在铂或金上用以改性的材料有锡、钌、钯、铋、铊、镉、铅和钼等。感测灵敏度有明显增加。其长期工作稳定性还有待进一步改进。 触媒燃烧型CO传感器这是一种结构简单的气体传感器，能检测爆炸点以下高体积分数的可燃性气体，且输出信号与气体体积分数成线性关系，是一种非常适合于可燃性气体检测（如氢气、天然气、液化石油气、酒精等可燃且挥发的有机溶剂）的传感器。触媒燃烧型传感器的结构如图2.5所示。图2.5 触媒燃烧型CO传感器的结构主要由两部分组成，一为

46、感测元件，一为温度补偿元件。在敏感元件的两端施加电压，并以200400mA的电流使传感器保持使气体能在催化剂表面燃烧的工作温度（300400oC），通入可燃性气体，气体接触到传感器表面的触媒层而产生氧化反应放出热量。可燃性物质的氧化反应在触媒的催化作用下反应速率激增，使Pt丝的温度增加，即引起电阻升高，电流下降，使元件电桥的输出端电压上升，且电压的大小与感测气体的浓度成正比。利用此关系可达到检测CO气体浓度的目的。 场效应晶体管CO传感器图2.6 场效应晶体管CO传感器场效应晶体管CO传感器可分为结型场效应晶体管（J_FET）与绝缘栅极晶体管（FET）或称金属_氧化物_ 硅场效应晶体管（MOS

47、FET），见图2.6所示。三者都可制成P或N通路，但J-FET仅有孔穴型，MOS-FET 则有增强型与孔穴型。其工作原理实际在半导体（如SiO2）层上淀积一层绝缘物质（常用高分子材料），当外加一电场在栅极时，则可控制通路中所通过的电流大小。根据以上原理，若有气体吸附在绝缘层上，并且在绝缘层下的附近半导体产生一电子堆集成空穴区时，则会影响到电子通路中的阻力在适当电路设计下如果维持电流不变，则栅极电压的变化与气体浓度成一函数关系，便可达到检测气体体积分数的目的。 石英晶体型CO传感器图2.7 石英晶体谐振型传感器的结构石英晶体型谐振传感器是利用石英晶体的振动频率与吸附于石英表面上的气体质量有关，达

48、到准确检测气体体积分数的目的（见图2.7所示）。其关系式为 (2-3) 式中f为频率变化量（Hz）；Cf为质量敏感度（cm2/gHz）；A为晶体的截面积（cm2）；f0为晶体的谐振频率（Hz）；m为质量变化（g）。若在石英晶体上淀积一层敏感性物质，则吸附在敏感材料表面上的吸附量与空气中待测的气体浓度有关。利用此方式可以通过测定谐振频率的变化来量测待测气体的浓度。由于工业和社会的进步，工厂排放的废气、烟道氧、汽车排放废气、内燃机等的排放对空气造成的污染日益严重，再加上国家环保政策的贯彻落实以及人们环保意识的不断增强，使得世界各国都纷纷致力于防止空气污染的产生。空气中并不会因CO的存在而使酸雨现象

49、变严重，但CO会直接影响人体的健康，因而对CO体积分数的检测是评价空气品质好坏的重要指标之一。目前实用化的CO传感器的发展方向是微小型化、集成化、智能化和多功能化，并且要求长期工作稳定性、易维修性方面有越来越高要求。CO传感器在工业、生物、医疗卫生、环境监测和日常生活等方面有广泛的应用市场。3.硬件设计3.1单片机的最小系统设计单片机的最小系统设计包括晶振电路和复位电路设计。为了防止系统程序跑飞，系统准确复位，选择集成的芯片X5045。 一、X5045的概述 X5045是一种集看门狗、电压监控和串行EEPROM 三种功能于一身的可编程电路，这种组合设计减少了电路对电路板空间的需求。 1. X5

50、045芯片功能：X5045中的看门狗对系统提供了保护功能。当系统发生故障而超过设置时间时，电路中的看门狗将通过RESET信号向CPU 作出反应。X5045提供了三个时间值供用户选择使用。它所具有的电压监控功能还可以保护系统免受低电压的影响，当电源电压降到允许范围以下时，系统将复位，直到电源电压返回到稳定值为止。其管脚如图3.1所示。它共有8个引脚，各引脚的功能如下:图3.1 X5045的管脚 CS ：电路选择端，低电平有效； SO ：串行数据输出端； SI ：串行数据输入端； SCK：串行时钟输入端； WP ：写保护输入端，低电平有效； RESET ：复位输出端； VCC ：电源端； VSS

51、：接地端。上电复位：向X5045加电时会激活其内部的上电复位电路，从而使RESET 引脚有效。该信号可避免系统微处理器在电压不足或振荡器未稳定的情况下工作。当VCC 超过器件的Vtrip门限值时，电路将在200ms（典型）延时后释放RESET 以允许系统开始工作。低电压监视：工作时， X5045对VCC 电平进行监测，若电源电压跌落至预的情况下工作。当RESET 被确认后，该RESET 信号将一直保持有效，直到电压置的最小Vtrip以下时，系统即确认RESET，从而避免微处理器在电源失效或断开跌到低于1V 。而当VCC 返回并超过Vtrip达200ms时，系统重新开始工作。看门狗定时器：看门狗

52、定时器的作用是通过监视WDI输入来监视微处理器是否激活。由于微处理器必须周期性的触发CS/WDI引脚以避免RESET 信号激活而使电路复位，所以CS/WDI引脚必须在看门狗超时时间终止之前受到由高至低信号的触发。SPI串行存储器：器件存储器部分是带块锁保护的CMOS串行EEPROM 阵列，阵列的内部组织是x8 位。X5045可提供最少为1000,000次擦写和100年的数据保存期，并具有串行外围接口（SPI）和软件协议的特点，允许工作在简单的四总线上。X5045主要是通过一个8 位的指令寄存器来控制器件的工作，其指令代码通过SI输入端写入寄存器。时钟和数据时序当CS变低以后，SI线上的输入数据

53、在SCK 的第一个上升沿时被锁存。而SO 线上的数据则由SCK的下降沿输出。用户可以停止时钟，然后再启动它, 以便在它停止的地方恢复操作。在整个工作期间，CS必须为低。系统的复位是直接通过看门狗来实现的，当单片机不能正常工作时，与X5045连接的信号端通过X5045使单片机进行复位。系统的晶振设计为单片机系统提供时钟信号的。选择12MHz的晶振。单片机最小系统设计电路图如图3.2所示此设计电路采取了实时时钟芯片，存储当前时刻之前发生的10个历史报警记录，包括报警发生的通道、性质和发生时间，它可以对时、分、秒、年、月、日等进行准确计时，具有掉电数据存储功能，以便日后实现对可燃气体的报警监督功能。

54、3.2信号输入单元电路的设计信号输入电路设计关键部分在于室内一氧化碳气体浓度的检测，传感器的类型。本系统考虑到室内一氧化碳含量的大致范围，采用八点单独检测的方法，用来巡回检测八个不同的房间；也可用来巡回检测同一个房间的不同方位。结合国家环境质量标准(GB3095-1996)规定的一氧化碳分级标准，系统检测器件选用高温一氧化碳气体传感器（GS-A1），该传感器属化学传感器，用于家庭及工业上的一氧化碳、氢气、丁烷及有机气体（乙醇等）的检测与报警。对一氧化碳具有很高的灵敏度，稳定性和抗湿性良好，而且具有良好的重复性，加活性碳罩后，可防止乙醇等有机气体的干扰。检测结果经高精度运放器OP07 放大后，送

55、入TLC1543模/数转换芯片进行模数转换，单个传感器检测电路图如图3.3。图3.2单片机最小系统设计的电路图图3.3 一路传感器检测电路单片机只能处理数字信号，因此需要加转换芯片。TLC1543是TI公司的10位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成转换过程，由于是串行输入结构，能节省单片机的1/0接口，具有输入通道多、高速、高分辨率、性价比高、易于和单片机接口等特点，在各种数据采集系统中有着广阔的应用空间一、TLC1543的功能及管脚介绍TLC1543的管脚如图3.5所示。图3.5 TLC1543的管脚图/CS：片选端。该引脚的一个由高到低的变化将复位内部计数器并控制和使能DATA

56、OUT， ADDRESS，1/O ，CLOCK。一个由低到高的变化将在一个设置时间和两个内部时钟下降沿内禁止ADDRESS 和I/O CLOCK。ADDRESS：串行数据输入端。一个四位的串行地址选择下，一个即将被转换的所需模拟或测试电压。串行数据以MSB为前导在1/O CLOCK的前四个上升沿被移入。在四个地址位被读入地址寄存器后，这个输入端对后续的信号无效。DATA OUT：用于A/D转换结果输出的二态串行输出端。DATA OUT在CS为高时处于高阻抗状态，而当/CS为低时处于激活状态。/CS有效，按照前次转换结果的MSB 值将DATA OUT从高阻抗状态转变为相应的逻辑电平。I/O CL

57、OCK的下一个下降沿将根据MSB的下一位将DATA OUT驱动成相应的逻辑电平，剩下的各位依次移出，而LSB在I/O CLOCK的第九个下降沿出现。在I/O CLOCK 的第十个下降沿，DATA OUT 端被驱动为逻辑低电平，因此多余十个时钟时串行接口传送的是一些“零”。EOC：转换结束端。在第十个I/O CLOCK该输出端从逻辑高电平变为低电平并保持低直到转换完成及数据准备输出。GND：地I/O CLOCK：输入/输出时钟端。I/O CLOCK接收串行输入并完成以下四个功能：1.在I/O CLOCK的前四个上升沿，它将四个输入地址位键入地址寄存器。在第四个上升沿之后多路地址有效。2.在I/O