有害气体检测与报警系统设计

毕业论文(设计)毕业论文题目：有害气体检测与报警系统设计学院：机械与电子工程学院姓名：李迪学号：0861103指导老师：朱兆优有害气体检测与报警系统设计摘要本文设计了一种对环境中ＣＯ浓度进行实时数据采集和处理，并能在浓度超标时报警的电路。该电路通过单片机实现其控制功能。整个报警电路由四大局部组成：采集模块、放大模块、模数转换模块、单片机。报警器的主要工作流程为：用两类传感器〔气体传感器和温度传感器〕将所需的模拟信号采集放大后传送给A/D转换器，再经模数转换后给将数字信号传送至8051单片机，然后通过单片机内部的数据处理，判断是否需要启动蜂鸣器进行报警，预防恶性事故发生。该系统详细介绍了系统实现的硬件、软件、数据库设计以及远程控制结构。该报警器广泛应用于居民家庭和企事业单位，从而大大降低由ＣＯ所引起的中毒、火灾、爆炸等事故的发生率，保障了人们的生命和财产平安，具有重要的实用价值。【关键词】：可燃气体、报警器、单片机、数据采集与记录、浓度测量DesignandimplementationofintelligentflammablegasleakagedetectionalarmsystemAbstractInthisdissertation,anelectriccircuitisdesignedtocollectandprocessthedataofＣＯdensity,andthealarmissentoutwhenthedensitybeyondthecriticalvalue.Thecontrolfunctionoftheelectriccircuitiscomplishedbyamicrocontroller.Thewholeelectriccircuitofalarmiscomposedbyfourparts:dataacquisitionmodule,dataenlargemodule,A/Dmoduleandmicrocontroller.Thetechnologicalprocessofthealarmisasfollows:Theanaloguesignalsarecollectedbytwokindsoftransducers,andthenthesignalsaretransmittedtotheADCafterenlargement.ThedatasignalsaretransmittedbyADCtothe8051microcontroller.Thejudgmentofthebuzzeralarmismadeafterthefataprocessedby8051.Mainworkinthisdissertationis:completingthechoiceofthemachines,thedesignoftheconnectionandthedevelopmentoftheprocedurefordataprocessing,realizingtheautomaticallymonitorＣＯdensity.Asaresultitcanpreventfatalaccidents.ItdesignedwithvisualBasciand8051microcontroller,andthedesignofhardware,software,databaseanddistancecontrollofthissystemareputforward.Theannunciatorcanbewidelyusedinfamiliesandcompanies.Theoccurrenceratesoftheaccidentssuchaspoisoningfire,burst,etcaredeeplyreduced.Tthasanimportantandpraticalvalue.[keywords]:combustiblegas;annunciator;dataprocessing;microcontroller;densitymeasurement;detection;alarm;distancecontrol目录绪论.........................................6本课题的研究背景与意义...................................6研究的背景........................................6研究的意义........................................6报警器的结构与安装.......................................7报警器的构成与应用................................7报警器的布点......................................7报警器的安装......................................8可燃性气体报警仪国内外开展情况...........................9系统的功能模块与硬件结构.....................10系统的功能模块..........................................10系统的硬件结构..........................................11主控机............................................11模拟信号的数据采集................................12模拟信号的放大处理................................12从机及A/D转换电路................................13ADC5G14433与单片机的接口........................14数码显示电路......................................15系统报警系统的组成与程序代码......................18信号调理电路......................................21系统软件的总体设计...........................22系统流程设计............................................22数据库设计..............................................23数据库系统设计....................................23系统的实现........................................23远程温度数据采集控制.........................24结论.........................................25致谢............................................26参考文献........................................271绪论本课题的研究背景与意义研究的背景燃气(人工煤气、天然气、液化石油气)的普及，提高了生产效率、市民的生活质量，但在使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产平安带来了严重的威胁，因此平安使用燃气一直是燃气主管部门工作的重中之重。燃气泄漏报警器能有效监测环境中可燃气体或毒性气体(如CO)的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，并且能自动开启排风扇把燃气排出室外，甚至能通过联动装置自动切断燃气供给防止燃气继续泄漏，起到平安防范的作用。但报警器选用得是否合理，直接关系到其功能的充分发挥。该设计所研究的可燃性气体报警器正是应这种要求而开发的。从可燃性气体开展的整体角度来说，在石油化工生产过程中、实验室实验、教学设施、住宅等不可防止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平安。研究的意义当前在石化行业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标准》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。报警器是否灵敏可靠关系到人身财产平安,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,假设报警即判断报警器 正常。这样做虽然省缺了购置可燃气体标准物质的麻烦和费用,但实际上达不到保证平安的目的,从而形成重大平安隐患,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,就能保证人身平安,同时杜绝报警器检测探头中毒现象。1.2报警器的结构与安装报警器的构成与应用一、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,值班人员采取平安措施,防止燃爆事故的发生。报警器的布点二、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平安生产。报警器的安装三、可燃气体检测报警器安装安装应用时应考虑以下几点：1.首先弄清所要监测的车间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,那么设点的位置就要靠近泄漏点。如果是喷射状泄漏,那么稍远离泄漏点。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(10～20)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,可燃气泄漏将很快到达爆炸下限浓度。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,那么宜增加一个监测点。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无视的平安监测点。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到达爆炸下限浓度值,这些都是不可无视的平安监测点。目前，从社会开展形式看，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置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。1.3可燃性气体报警仪国内外开展情况无锡格林通平安装备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平安设备的公司，它专业生产的气体浓度探测传感器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平安检测仪器,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,原那么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%LEL3、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拟晚，但是在近几年来已经有了很突破的开展。总的来说，技术的的上下可以决定设备使用的方便和平安度。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，那样就会防止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，具有先进的的科学技术、操作简单显示清楚、具有长时间的使用能力、能到达广阔使用者的理想价格的检测报警装置才是未来报警系统的开展方向。系统的功能模块与硬件结构2.1系统的功能模块智能化可燃气体泄漏检测报警系统由从机与主机构成。从机以单片机AT89C51为核心,可完成对1个检测报警点的多路气体浓度采集、数码显示、数据处理、声光报警、控制执行结构、与主机通信等功能,自身构成一个闭环测控系统。主机由PC机实现,主要负责从机的数据通信、数据处理、存储、多种模式(曲线、棒状图等)显示、历史记录查询、浏览、打印等功能,以便操作人员对现场情况进行分析,根据分析结果采取有效措施,以防止可燃气体的泄漏,杜绝事故隐患。2.2系统硬件结构系统以工控机为主控机,由AT89C51单片机、A/D转换器及外围电路组成分机,以CAN总线适配卡连接主机和从机,组成可燃气体泄漏检测报警系统。其硬件结构见图2。由传感器输出的微弱电信号,经各自信号调理电路对信号进行预处理,使其转换为1～5V范围内变化的直流信号,加到A/D转换电路转换为数字量,然后由各分机(单片机)对其进行数据分析、处理和显示。分机根据主控机发送的控制命令，由通信接口将数字量化信号输出,主控机接收信号后进行分析、计算及结果显示,同时判别是否超标,假设超标,那么主控机控制报警电路报警,同时向分机发送报警命令,控制分机报警电路工作及自动启动房间紧急通风装置。主控机主控机是整个检测报警系统的控制核心,包括显示器、键盘、鼠标等附属设备。主控机选用研华IPC2610工业控制计算机。主控机通过软件编程实现对各分机的数据采集、数据传输、通风报警等控制,同时根据数学模型计算出实测值,并显示其检测位置和气体浓度。模拟信号的数据采集现代电子技术和计算机为信息转换与处理提供了十分完善的手段,使检测与控制技术开展到一个崭新的阶段,但如果没有各种精确可靠的传感器去检测原始数据并提供真实的信息,那么,计算机也无法发挥其应有的作用。传感器能够把自然界的各种物理量和化学量等精确地变换为电信号,再经电子电路或计算机进行处理,从而对这些量进行监测或控制。本报警器即选用了两类传感器———气体传感器和温度传感器,以实现对被监测环境中与CO浓度值相关的模拟量的数据采集。模拟信号的放大处理对于传感器输出的模拟信号,一般要用运算放大器对其进行调理或放大,以满足A/D转换器对输入模拟量幅值及极性的要求。在本报警器电路中,同样要对两类传感器的输出信号进行放大调理。由于运用简单的运算放大电路即可实现处理要求,所以本文不做过多介绍。数据采集与放大处理电路图分机及A/D转换电路由低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51单片机及8位逐次逼近型8输入通道的A/D转换器ADC0809等主要器件构成单片机数据采集处理系统,主要完成调理后电信号的采集、处理以及接收主控机的命令,实现气体浓度的显示、报警及紧急通风装置的控制,电路见图3。2.2.5ADC5G14433与单片机的接口如图是本报警器采用的接口电路。由于5G14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码,Q3～Q0和DS1～DS4都不是可控三态的,因此不能与P0口直接连接。为此,在图3中占用8位P1口。5G14433速度慢,不宜用查询方式。图中用中断方式。每次A/D转换结束,EOC都输出一个正脉冲,其宽度为0.5T(T是内部时钟振荡周期)。8051不能用EOC的上升沿请求中断。因为8051的INT0和INT1都是下降沿中断。所以图中把EOC反相后接到INT1。为了提高抗干扰能力,反相器可以选用施密特触发器。图中把EOC与DU连在一起。这样每次A/D转换完毕,必输出EOC正脉冲,EOC的正脉冲加到DU,使5G14433立即输出数据。数码显示电路为保证工作人员随时掌握各房间气体浓度情况,在分机上装有气体浓度和传感器位置代码显示器。依据各种气体浓度值,采用7个共阴极数码管显示电路采用动态扫描方式进行循环显示,当有气体浓度超标报警时,声光报警停止循环,连续闪烁其位置代号和浓度值。局部led程序代码：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitLS=P1^4;sbitDS=P2^0;sbitWS=P2^1;uitt0=0;uitt1=0;uitemp=0xfe;uinum1=0;uinum2=0;uccodeDable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7f,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76};uccodeWable[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,};voidinit();//voidled();//voiddelay(int);voidmain(){ init();// led();}voidinit() //初始化程序{ DS=0; WS=0; LS=0; P0=temp; TMOD=0x11; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TL1=(65536-50000)/256; TH1=(65536-50000)%256; EA=1; ET0=1; ET1=1; TR1=1; TR0=1;}voidTime1()interrupt3{ tt1++; if(10==tt1) { LS=0; tt1=0; temp=_crol_(temp,1); P0=temp; LS=1; }}voidTime0()interrupt1{tt0++;if(10==tt0){ tt0=0; WS=1; P0=Wable[num2]; num2++; if(num2==6) num2=0; WS=0; DS=1; P0=Dable[num1]; num1++; if(num1==16) num1=0; DS=0;}}系统报警系统的组成与程序代码报警电路程序代码：#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineuiunsignedint#defineucunsignedcharsbitLS=P1^4;sbitDS=P2^0;sbitWS=P2^1;uitt0=0;uitt1=0;uitemp=0xfe;uinum1=0;uinum2=0;uccodeDable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x7f,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x76};uccodeWable[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,};voidinit();//voidled();//voiddelay(int);voidmain(){ init();// led();}voidinit() //初始化程序{ DS=0; WS=0; LS=0; P0=temp; TMOD=0x11; TH0=(65536-50000)/256; TL0=(65536-50000)%256; TL1=(65536-50000)/256; 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DS=0;}}2.2.8由于传感器输出的信号为微弱信号(一般小于μV量级),需经过信号调理电路进行线性放大处理,以满足A/D转换电路对信号电平的需求。电路以集成运算放大器LM747J为核心,与电容电阻配合完成信号的调整放大,同时电路采用外部调零方式,保证了传感器输出信号准确、可靠及零点的稳定,电路见图4。系统软件总体设计3.1系统流程设计系统流程设计见图5图53.2数据库设计数据库系统设计笔者运用主动数据库技术结构结合平安报警设计了如下结构,见图6。可燃气体泄漏数据由静态数据及动态数据组成,静态主要是场站信息及上限值;动态是当前的泄漏数据。系统实现其核心是事件处理器逻辑实现(由图6中事件生成器、报警事件排队表、事件调度器、事件处理模块组成),通过触发器和存储过程来实现(SQLSever2000)。下面列出各种数据结构，见表1-表3。远程温度数据采集控制上位机系统软件设计主要包括设置Winscok控件属性,设置远程访问的IP和Port端口;用向下位机发出召测命令的方式要求传回结果;接收下位机传回的数据并转换成需要的数据;实时显示与分析数据并报警,然后发出命令控制下位机做出相应的动作等。见图7。结论本系统使用面向对象的编程语言VisualBasic和SQLSever2000进行设计,解决了远距离通信关键技术;对各种传感器进行优选实验及精密信号调理电路的设计,解决了传感信号放大、零点漂移及信号稳定性等关键技术;软件设计采取了抗外界干扰技术措施,提高了系统的综合测试精度该系统具有结构简单、现场安装、调试方便、易于增减传感器数量等优点,其较强的抗干扰能力和可靠的长距离信息传输,可推广到军用及民用远距监