可燃气体报警器的设计与制作

1、可燃气体报警器的设计与制作林瑜静 于思佳 朱鑫垚摘 要： 设计了一种可燃气体报警器，介绍了报警器的工作原理及其软、硬件的设计。该报警器以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用 89C51 单片机进行控制，能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。 关键词： 51 单片机；气体检测传感器；探测报警器；该报警器具有下述功能：(1)当被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时报警器应能发出声、光报警信号。(2)报警器在传感元件断路或短路时应发出报警信号，有明显区别的声、光故障信号。(3)报警器应对声、光报警装置设置手动自检功能。(4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器发

2、出报警信号时，应能启动输出控制功能。(5)报警器的供电电压必须非常稳定，否则，将会影响报警的正常工作。 1 硬件设计1.1 系统的结构分析该系统组成如图1所示。它由传感器检测电路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声光报警部分等组成1。检测电路把泄漏气体浓度的变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并通过AD转换变为数字信号输入单片机，最后由单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣器完成报警过程。当泄漏气体的浓度达到一定值时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过电磁阀将气体管道关闭，并可以通过RS-485总线与上位机进行通信(将实时数据发

3、送给上位机用户)。当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到安全保护的目的。（大庆师范学院 机电工程学院 一四级自动化一班）图1 报警器系统框图1.2 可燃气体检测电路1.2.1 气敏传感器(探头)选用的气敏传感器型号为MC-112，它是一种催化燃烧式传感器。这种传感器主要用于检测可燃性气体，它是由4只感应电阻构成惠斯登检测桥路。当含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃性气体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到检测可燃

4、气体浓度的目的。1.2.2 气体检测电路的设计气体检测电路原理如图2所示，由气敏传感器(探头)MC-112和电阻R W和电阻R 2、R 3组成平衡电桥检测电路，电压信号分别从电阻RW和探头的中点取出，被取出的电压信号被加到运放LM358的2(-)脚反相输入端和3(+)脚同相输入端；此时被取出的电压信号应相等。在气敏传感器通电的情况下，在未检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应电阻不会发生任何反应和变化，这样从探头中点取出的电压信号也不会发生变化。当在输入端加上+5 V电压时，经过3个二极管(IN4001)，每个二极管的压降约为0.7 V，最后在探头两端的电压约为2.72.9 V，此时运放

5、反相端2(-)的电压为1.4 V左右，同相端3(+)的电压也应为1.4 V左右；未探测到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的输入信号电压差几乎为零，那么此时差动放大器的输出端1，通过调节R W 使输出电压信号也接近于零。当气敏传感器探测到一定浓度的可燃性气体泄漏时，在传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动运算放大器同相端3(+)的电位V 3+高于反相端2(-)的电位V 2-，经差动运算放大器放大后输出的差模电压信号为3.5 V左右，由公式(1)可算出差动运算放大器输出端的电压值。可燃性气体的浓度变化时所

6、对应输出电压的变化：气体浓度V 3+(V 3+-V 2- )V o，由差动运算放大器的反相输入端和同相输入端输入信号分别为V 2-和V 3+时输出电压为2：Vo=-400V2-/1+(1400/1)100/(1+100)V3+400(V3+-V2-)图2气体检测电路原理图1.2.3 主控单元电路主控单元电路如图3所示3，微处理器采用AT89C51。A/D转换芯片采用ADC0809，ADC0809的时钟信号CLK由89C51的ALE信号提供。系统晶振采用4 MHz，图中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脉冲宽度大于250 ns，满足ADC0809对ALE引脚信号的要求。检测到的气体

7、浓度信号即电压信号经放大、滤波后送到ADC0809的模拟量输入端IN0。由于单片机为8位处理器，当输入电压为5 V时，ADC0809输出数值为255(FF H)，因此单片机最大数值分辨率为0.019 6 V，测试时电压数值的变化一般以0.02 V的电压幅度变化。如果要获得更高的精度，应采用12位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完全满足要求。根据所测得的电压值基本上要比标准值偏大0.010.02 V，可以通过校正ADC0809的基准电压来解决，因为该系统设计时直接用+5 V的供电电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外，也可用软件编程来校正测量值。ADC0809的直流输入阻抗为1 M，

8、能满足一般的电压测试需要，另外经测试ADC0809可直接在25 MHz的时钟频率下工作，这样可以省去分频器。图3主控单元电路图1.3 声光报警及继电器控制电路1.3.1 声光报警电路声光报警电路如图4所示，工作指示灯为绿灯闪烁，其工作状态的控制由P1.1来完成。通过软件的设置，从P1.1输出一方波来控制三极管VT1的通断，从而控制工作指示灯的闪烁。当泄漏气体的浓度达到某一值时，由软件将P1.3置1，此时三极管VT3导通，红色报警灯亮，同时蜂鸣器发出报警声。红灯和蜂鸣器构成报警部分。在电路通过软件置位P1.2=1时，黄灯亮表明电路出现故障。图4 声光报警电路图继电器控制电路如图5所示。该电路由继

9、电器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当泄漏气体浓度达到一定值时，通过软件将P1.4、P1.5置1，此时三极管VT4、VT5均导通，继电器K1、K2工作，其常开触点闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路接通，将气体管道关闭。当气体浓度下降到某一值时，也可以通过软件将P1.4、P1.5清零，此时三极管VT4、VT5均截止，继电器K1、K2停止工作，常开触点断开。关闭排风扇和电磁阀电路，排风扇停止工作，气体管道打开。指示灯：应采用发光二极管，应以颜色标记。红色表示报警信号，黄色表示故障信号， 3绿色表示电源工作正常。所有指示灯应清晰地标注功能，在一般环境光线下，指示灯在距其正前方3 m处应清晰可见

10、。电磁继电器：接点宜采用双接点结构。继电器应用封闭式，不得由一接点同时控制探测器内部及外部电路。电子元器件：应进行三防(防潮、防霉、防盐雾)处理。音响器件：在额定电压下，音响器件在距其正前方1 m处的声压级(A计权)应小于70 dB，不大于115 dB，在85 %额定工作电压条件下，音响器件应能发出声响。开关和按键：开关和按键应坚固、耐用并清晰地标注出其功能。探测器外壳应选用不燃烧材料和难燃烧材料(氧指数32)。可燃气体报警器的设计图5继电器控制电路2 软件设计对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P1.2=1(黄灯亮，蜂鸣器叫)表示电路出现故障。本系统的软件

11、设计以C语言为基础，可以在执行的开始和过程中，根据气体爆炸下限的不同修改报警临界值，增大了使用的范围4。系统主程序流程图如图6所示。开始让气敏元件预热一段时间，时间可以根据气敏元件的不同进行调整(本设计中的探头预热约5 min)，延时用循环程序实现，同时在循环首尾位置分别使P1.1置1、复0，可实现绿灯闪烁。在系统中设置一个按键用P3.2来控制，用来检测报警器报警功能是否正常，若键被按下则置位P1.3=1(红灯亮同时蜂鸣器叫)，表示报警器正常响应时间在 30 s以内。使P1.1始终保持置1，使绿灯常亮，表示电源处于正常的供电状态。从A/D转换器读取转换值与预先设定的电压值进行比较，根据事先建立

12、好的浓度和电压对应的关系：气体浓度不同时所对应的电压值不同，查找出与浓度所对应电压值时的报警点。根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设置报警器报警时对应的最小可燃气体浓度值5，若大于或等于此值则置P1.3=1(红灯亮、蜂鸣器叫)，同时置位P1.4=1(打开排风扇)和P1.5=1(关闭电磁阀)，并显示气体浓度达真实值90 %，响应时间30 s以内。设定一个电压值，该电压值高于气体浓度所对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表示检测电路出现故障，这时置位P1.2=1(黄灯亮，蜂鸣器叫)表示电路出现故障。3 本装置可燃性气体报警器安装与调试的注意事项由于其成本特低，因此，也可推广到普通家庭，作为燃

13、气洗澡装置和厨房可燃气的泄漏报警器。只要将其安装在燃气装置附近(相距1 m以内效果最好)即可实现自动泄漏报警。安装时，应注意不要将装置安放在通风口处。4 结语当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏作相应的报警，即为家庭式。但是随着社会的发展，煤气报警器也在由单一的家庭式发展为小区监控。对某个区域的燃气泄漏进行监控，这是今后的发展趋势。随着人民物质生活水平的提高，燃气使用率不断增加，对于燃气泄漏的检测越来越引起大家的重视，我国许多城市已制定了一些新建住宅 4必须安装燃气泄漏报警器的相关规定，该型可燃气体报警器是针对以上问题开发的一种安全装置，该报警器能根据可燃气体检测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所以市场前景良好，同时这也为城市居民使用燃气解除了后顾之忧。参考文献1 杨宁，胡学军.单片机与控制技术M.北京：北京航空航天