基于单片机的液化气检测报警器设计(2)

基于单片机的液化气检测报警器设计

3.5 A/D转换电路 ......................................... (26) 3.6声音报警及消音键电路 ................................. (29) 3.7字符显示电路 ......................................... (31) 4 系统的软件的设计

4.1系统主程序设计及流程图 ............................... (32) 4.2主程序初始化流程图 ................................... (33) 4.3 算法实现及主程序流程图 ............................... (34) 5 系统调试及操作

5.1 软件调试 ............................................ (34) 5.2 硬件调试 ............................................ (34) 结 论 .................................................. (36) 致 谢 .................................................. (39) 参考文献 ................................................ (40) 附录A 基于单片机的液化气报警器程序 ...................... (42)

IV

信息科学与技术学院学士学位论文

1 绪 论

1.1研究背景及意义

随着近代工业的进步，在生活、工业上排放的气体种类、数量日益增多。这些气体如天然气、液化石油气等都是易燃、易爆或对人体有害的。而本设计的研究方向是针对于液化石油气的报警器。液化气报警器作为一种检测液化气泄漏并及时发出声光报警等可预防着火、伤亡的安全装置[1]。

最近网络上又有新闻报道，液化石油气掺入二甲醚成行业潜规则 存爆炸风险，许多的隐患让我深感不安，作为这次的材料选题，也是想为社会的安全方面做出一点贡献，我相信，只要人人都献出一点，世界将变成美好的人间。

对于像液化气、天然气、煤气等可燃性气体的检测、监控和报警的研究可分为两大方向。一方面是从传统的传感器为主要研究对象，通过扩展其外围电路功能，来增强其应用性能。另一方面是利用计算机、单片机与智能传感器相结合[2]。结合高性能，高稳定性和可靠性的芯片，使设计出的产品更便捷小巧，易于操作。

我这次设计的基于单片机液化气报警器，由于本人的知识和水平有限，也由于材料和器材方面的匮乏，所以只能设计一个最简单的具有报警功能的作品了。随着科技的进步与发展，对可燃气体报警器的研究主要集中在智能化与集成化。有基于CAN总线以ARM微处理器为核心的气体报警器，也有基于AT89系列和51系列系列单片机的设计[3]。目前这一领域还有很大的发展空间和许多需要进一步研究的问题。随着以后我对于研究的深入，更高级别的单片机也应该能设计出来。

1.2可燃气体检测与报警技术概述

液化气是液化石油气的简称，是原油在加工提炼汽、柴油过程中产生的蒸馏部分，主要成分是碳氢化合物和氢气，较多含有丙烷、丁烷。它不同于天然气与煤气。因为天然气是自然形成的气体，主要成分是甲烷，此外还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质[4]。煤气是用煤或焦炭等固体原料经干馏或汽化制得的。其主要成分是一氧化碳、甲烷和氢气等。

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因此，煤气有毒，易于在空气中形成爆炸性混合物。而液化气具有易燃易爆性、汽化性、受热膨胀性、滞留性、带电性、腐蚀性及窒息性等特点。液化气具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定储存设备简单，供应方式灵活等优势。家用液化气罐可根据需要，调整火力，使用起来既方便又卫生，液化石油气虽然使用方便，但也有不安全的隐患。万一管道漏气或阀门未关严，液化石油气向室内扩散。由于气态的液化气比空气重约1.5倍，当其空气混合物含量达到爆炸极限（1.7%～10%）时，遇到火星或电火花就会发生爆炸[5]。为了提醒人们及时发现液化气是否泄漏，加工厂常向液化气中混入少量有恶臭味的硫醇或硫醚类化合物。

1927年，Oliver W.Johnson发明并提出了一种可燃气体在一个铂丝上催化燃烧机理的便携式可燃气体检测器。即使80多年后的今天，大多数密闭空间检测中用到的检测器仍然采用这种原理，当然已融入了更多的现在技术成分[6]。

随着计算机技术及传感器技术的发展，气体检测技术从原来的单方面应用一些化学反应发展为多方面、多科学交叉应用，在多方面获得了发展。从检测原理上分，目前运用比较多的主要有六种[7]，下面逐一介绍。

（1）利用电阻式气敏元件测量气体浓度。电阻式气敏元件经过一段时间的预热后，其阻值与周围气体浓度有着确定的关系，因此，只需测出运行状态下气敏元件的电阻值，便可推算出当前运行状态下待测气体的浓度。这是气体浓度测量中最常用的传统方法，在实际运用中，一般采用脉冲调制技术，即基于时间的比较方法，它利用标准时基信号，将与被测气体浓度有关的气敏传感器电阻的信息记录下来，转换成相应的模拟信号或数字信号，然后进行处理以达到测量目的。这是本设计的传感器的测量气体浓度的原理。

利用气敏元件测量气体浓度原理简单，操作也比较方便，但存在以下不足[8]： ①由于在检测仪中一般将气敏元件与标准元件组成测量电桥电路，因此电桥电路的非线性会影响测量精度；

②电桥供电电压的大小对测量精度有很大影响；

③检测时还需考虑现场温度、空气扰动等因素，需要串接上补偿电路。所以这种方法主要用在测量精度要求不高的场合。

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当前，利用新的传感器技术测量气体浓度倍受关注。所谓新的传感器技术是指在测量中采用了除电阻元件外的其他新型的传感器，通过传感将待测浓度信号量转换为电路中的电信号，再通过A/D转换电路等对电信号进行分析处理，根据传感器的特性参数和相应的经验公式推算出气体浓度的当前值，这种检测技术在实际中应用广泛，并常被穿插在其他检测技术中[9]。近年来出现了一些新型固态气敏传感器，主要有：氧化物半导体传感器、有机高聚物半导体传感器、声表面波传感器和固态电解质传感器等。例如：利用固态电解质构成电化学电池来测量其电极电位的变化或由于电极反应所产生的电流值，就可以达到测量气体浓度的目的。

（2）超声波技术测量气体浓度。超声波在某种气体中的传播速度V与当前气体温度T和气体性质有一定的关系[10]。超声技术就是利用了这种关系，通过测量超声波在气体中的传播速度V以及当前气体温度T，推算出该气体的大概浓度。如果需要测出气体浓度的具体值，可以通过实验推算出V，T与气体浓度的对应关系。由分析和实验可知气体浓度S与声速V，气体温度T间呈非线性二元函数关系，通过对不同浓度的某种特定气体（如氨气）做精确测量，并利用计算机对实测数据采用最小二乘法作统计处理和进行曲线拟合，便可以得到多项式回归方程

s?T,V??A0?T??A1?T?v?A2?T?v （1.1）

2式（1.1）中，系数A0、A1和A2由计算机解出，它们均为温度T的函数，如式（1.2）

23 A （1.2） ?b?bT?bT1013当对测量精度要求不是很严格时，式（1.1）可简化为线性方程，式（1.2）也可简化为T的二次方程。这对简化编程，提高运算速度很有帮助。

（3）气相色谱法测量气体浓度。气相色谱法是基于不同的气体在通过色谱柱时速度不同的原理，主要适用于工厂生产现场的检测、设备检修过程中动力作业的安全检测

[11]

。该方法对混合气体进行多次采样，注入色谱仪直至色谱峰值全部出现后

再进行色谱分析，很多地方也称其为光谱测量法。不同浓度的混合气体的色谱存在明显差异，根据当前呈现的色谱便能分析出当前气体浓度的高低。在气体浓度检测中占有很重要的地位，但在测量中必须合理地选择色谱柱及载气流速等参数，只只

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有进行多次重复试验后方能获得理想的测量效果。

（4）载体催化燃烧法检测气体浓度。这种检测方法线性和稳定性较好。以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气体浓度所呈现的爆炸危险度，而且量程符合工业要求，故常被用于爆炸危险场所可燃性气体的测爆[12]。该检测方法以载体型气敏元件作为浓度的传感器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体后，再涂覆催化活性物（Ph、Pd等）构成。当铂丝中通工作电流使之达到临界反应温度（320～350℃）时，可燃气就在元件表面催化燃烧，铂丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量△R与可燃气体一般将催化元件（检知元件）及与之配对的参比元件组成电桥，作为浓度信号采样单元。由于催化元件的气敏特性除了与可燃气体浓度有关之外好受到工作电流、环境的温度和湿度、气压的影响，所以在设计过程中应采用桥式单元或其他参比元件对其余与补偿。

（5）示踪气体浓度衰减法测量气体浓度。示踪气体检测法是向被测空间中注入一定量的示踪气体，如CO2等，通风（包括自然通风）后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测出示踪气体浓度的变化，间接地求出通风量和空气龄[13]。该方法基于示踪气体质量守恒方程，常用于研究单一建筑物渗透通风的特性。利用示踪气体测量建筑物渗透通风特性在国外已有大约四十年的历史，并且发展出了各种不同的测量方法。在此所应用的示踪气体应具有可测、稳定（一般情况下不与空气及其他物质发生化学反应）、无毒的特性，并且在空气中含量较少。针对不同的研究目的，示踪气体法可以应用在不同的研究领域。

（6）光干涉法测量气体浓度。光干涉法是一种创新的检测方法，它基于同一光源发出的光波会被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇集成一束光，发生光干涉，产生干涉条纹的物理现象[14]。光干涉式气体浓度测定器目前被广泛应用与煤矿井下空气中的甲烷、瓦斯等浓度，以及其他环境下各种气体浓度的测定；在实验室也往往采用这种测定仪器作为相对参考的仪器。用该方法测定气体浓度时，必须考虑到气体的温度、压力、含量、换算结果，以及光在该气体中的折射率等问题。

检测环境的多样化增加了气体浓度检测仪器开发的难度。气体浓度检测技术在应用中还 需要考虑很多额外的因素，国内外对其的研究虽多，有的甚至开发出了一

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