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電工電氣(2009 No.5)可燃氣體報警器的設計可燃氣體報警器的設計蘇文靜，文小玲，朱琥 (武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430073) 摘 要： 設計了一種可燃氣體報警器，介紹了報警器的工作原理及其軟、硬件的設計。該報警器 以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器，采用 89C51 單片機進行控制，能根據(jù)可燃氣體檢測濃度進 行聲光報警，并控制相應設備進行工作，實現(xiàn)安全保護。 關鍵詞： 89C51 單片機；氣體檢測；探測報警器 中圖分類號：TM763；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3175(2009)05-0008-04Design of Combustible Gas AlarmSU Wen-jing, WEN Xiao-ling, ZHU Hu （School of Electrical and Information Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 3003, China） Abstract: A kind of combustible gas alarm was designed. Introduction was made to the working principle and its software and hardware design. The alarm takes gas sensors with stable performance and parameters as the detector, adopting 89C5 to carry out control, carrying out audio and light alarming based on tested combustible gas density and contolling relevant equipment to work, to realize safety protection. Key words: 89C5; gas test; detecting alarm隨著人們生活水平的提高，越來越多的人對生 活空間的安全和舒適性有了更高的要求。

家用燃氣 報警器能實時監(jiān)測可燃氣體的泄露情況，一旦發(fā)生 泄露，即空氣中可燃氣體達到一定濃度，則報警器 立即進行聲、光報警，有效防止事故的發(fā)生，滿足 人們對燃氣安全的需要。本設計的任務就是開發(fā)一 種以性能、參數(shù)穩(wěn)定的氣體傳感器為探測器并采用 89C51單片機進行控制的可燃氣體探測報警器。當 空氣中有可燃氣體在揮發(fā)且氣體濃度達到或超過設 定值時，探測器即產生與空氣中被測氣體濃度成線 性關系的電壓信號，該信號經(jīng)過處理后傳至控制器 并顯示氣體濃度值可燃氣體報警器，隨即發(fā)出聲、光報警信號，還 可以輸入相關控制信號，啟動相應控制裝置，避免 重大事故發(fā)生。路、A/D轉換部分、單片機、數(shù)碼管顯示部分和聲 光報警部分等組成[1]。檢測電路把泄漏氣體濃度的 變化轉變成電信號，根據(jù)氣體濃度和電壓信號之 間的對應關系，再對該模擬信號進行分析處理，并 通過A／D轉換變?yōu)閿?shù)字信號輸入單片機，最后由 單片機驅動LED數(shù)碼管顯示和信號顯示燈及蜂鳴 器完成報警過程。當泄漏氣體的濃度達到一定值 時，可以啟動通風換氣設備進行排氣，同時通過 電磁閥將氣體管道關閉，并可以通過RS-485總線 與上位機進行通信(將實時數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機用 戶)。

當泄漏氣體的濃度降低到安全點后，關閉通 風換氣設備，停止報警，將氣體管道打開，達到 安全保護的目的。檢測電路 A/D轉換電路 聲光報警電路 排風扇 繼電器 電磁閥 單 片 機 控 制 電源 LED顯示1硬件設計1.1 系統(tǒng)的結構分析 該系統(tǒng)組成如圖1所示。它由傳感器檢測電圖1 報警器系統(tǒng)框圖作者簡介：蘇文靜(1975- )，女，講師，碩士，研究方向為單片機與嵌入式應用。8可燃氣體報警器的設計電工電氣(2009 No.5)該報警器具有下述功能： (1)當被檢測區(qū)域的可燃濃度達到報警設定值時 報警器應能發(fā)出聲、 光報警信號。 (2)報警器在傳感元件斷路或短路時應發(fā)出報 警信號，有明顯區(qū)別的聲、光故障信號。 (3)報警器應對聲、光報警裝置設置手動自檢功 能。 (4)對于有輸出控制功能的報警器，當報警器 發(fā)出報警信號時，應能啟動輸出控制功能。 (5)報警器的供電電壓必須非常穩(wěn)定，否則，將 會影響報警的正常工作。 1.2 可燃氣體檢測電路 1.2.1 氣敏傳感器(探頭) 選用的氣敏傳感器型號為MC-112，它是一種催 化燃燒式傳感器。這種傳感器主要用于檢測可燃性 氣體，它是由4只感應電阻構成惠斯登檢測橋路。

當 含有可燃性的混合氣體擴散到檢測元件上時，在氣 敏元件表面有一層催化劑，催化劑迅速與可燃性氣 體進行無焰燃燒，并產生熱量。溫度使感應電阻阻 值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產生微小的電壓差信 號，此信號與可燃氣體濃度是成正比的，從而達到 檢測可燃氣體濃度的目的。 1.2.2 氣體檢測電路的設計 氣體檢測電路原理如圖2所示，由氣敏傳感器 (探頭)MC-112和電阻R W和電阻R 2、R 3組成平衡電橋 檢測電路，電壓信號分別從電阻R W 和探頭的中點取 出，被取出的電壓信號被加到運放LM358的2(-)腳 反相輸入端和3(+)腳同相輸入端；此時被取出的電 壓信號應相等。在氣敏傳感器通電的情況下，在未 檢測到一定濃度的可燃氣體時，氣敏傳感器的反應 電阻不會發(fā)生任何反應和變化，這樣從探頭中點取 出的電壓信號也不會發(fā)生變化。當在輸入端加上 +5 V電壓時，經(jīng)過3個二極管(IN4001)，每個二極 管的壓降約為0.7 V，最后在探頭兩端的電壓約為 2.7～2.9 V，此時運放反相端2(-)的電壓為1.4 V左 右，同相端3(+)的電壓也應為1.4 V左右；未探測 到可燃氣體時，差動運算放大器反相端和同相端的 輸入信號電壓差幾乎為零，那么此時差動放大器 的輸出端1，通過調節(jié)R W 使輸出電壓信號也接近于 零。

當氣敏傳感器探測到一定濃度的可燃性氣體泄 漏時，在傳感器元件上的催化劑使可燃性氣體進行 無焰燃燒，產生熱量使感應電阻阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，產生了微小的電壓差信號，此時差動 運算放大器同相端3(+)的電位V 3+高于反相端2(-) 的電位V 2-，經(jīng)差動運算放大器放大后輸出的差模 電壓信號為3.5 V左右，由公式(1)可算出差動運算 放大器輸出端的電壓值?？扇夹詺怏w的濃度變化 時所對應輸出電壓的變化：氣體濃度↑→V 3+↑→ (V 3+-V 2- )↑→V o↑，由差動運算放大器的反相輸入 端和同相輸入端輸入信號分別為V 2-和V 3+時輸出電 壓為[2]：VCCV o =-400V 2- /1+(1＋400/1)[100/(1+100)]V 3+≈ V -V ) (1) 400( 3+ 2傳感器 D1 D2 D3? R2 ? 1 RW R1 ? ? 2 R3R5 R4 3+ - 1 2 R6 D4 R7 R8 + IN C2C1圖2 氣體檢測電路原理圖1.2.3 主控單元電路 主控單元電路如圖3所示 [3] ，微處理器采用 AT89C51。A/D轉換芯片采用ADC0809，ADC0809的時 鐘信號CLK由89C51的ALE信號提供。

系統(tǒng)晶振采用 4 MHz，圖中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脈 沖寬度大于250 ns，滿足ADC0809對ALE引腳信號的 要求。檢測到的氣體濃度信號即電壓信號經(jīng)放大、濾 波后送到ADC0809的模擬量輸入端IN0。由于單片機 為8位處理器，當輸入電壓為5 V時，ADC0809輸出 數(shù)值為255(FF H)，因此單片機最大數(shù)值分辨率為 0.019 6 V，測試時電壓數(shù)值的變化一般以0.02 V的 電壓幅度變化。如果要獲得更高的精度，應采用12 位的A/D轉換器，但對于報警器而言這種精度完全 滿足要求。根據(jù)所測得的電壓值基本上要比標準值 偏大0.01～0.02 V，可以通過校正ADC0809的基準 電壓來解決，因為該系統(tǒng)設計時直接用+5 V的供電 電源作為基準電壓，所以電壓可能有偏差。另外可燃氣體報警器，也 可用軟件編程來校正測量值。ADC0809的直流輸入 阻抗為1 MΩ ，能滿足一般的電壓測試需要，另外 經(jīng)測試ADC0809可直接在2～5 MHz的時鐘頻率下工 作，這樣可以省去分頻器。9電工電氣(2009 No.5)VCC S VCC可燃氣體報警器的設計U2 R4 1 + C5 2 3 4 5 6 7 8 9 RXD 10 TXD 11 EOC 12 OE 13 KEY1 14 KEY2 15 KEY3 16 4 MHz KEY4 17 18 19 20 CLK DATA SCL SDA P1_4 P10 VCC 40 P11 P00 39 P12 P01 38 P13 P02 37 P14 P03 36 P15 P04 35 P16 P05 34 P17 P06 33 rest P07 32 P30 EA 31 30 P31 ALE 29 P32 PSEN 28 D7 P33 P27 27 D6 P34 P26 26 D5 P35 P25 25 D4 P36 P24 24 D3 P37 P23 23 D2 x1 P22 22 D1 x2 P21 21 D0 GND P20 AT89C51微處理器 1 2 3 4 5 6 7 8RW1 16 15 14 13 12 11 10 9 RW4 RW5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 U3 IN3 IN2 IN4 IN1 IN5 IN0 IN6 A IN7 B START C EOC ALE D3 D7 OE D6 CLK D5 VCC D4 V+ D0 VVD1 D2 ADC0809о? 28 27 26 A 25 B 24 C 23 22 ALE 21 D7 20 D6 19 D5 18 D4 17 D0 16 15 D2 RW2 RW3R3C3EOC D3 OE VCC D1C4圖3 主控單元電路圖1.3 聲光報警及繼電器控制電路 1.3.1 聲光報警電路 聲光報警電路如圖4所示，工作指示燈為綠燈 閃爍，其工作狀態(tài)的控制由P1.1來完成。

通過軟件 的設置，從P1.1輸出一方波來控制三極管VT 1的通 斷，從而控制工作指示燈的閃爍。當泄漏氣體的 濃度達到某一值時，由軟件將P1.3置1，此時三極 管VT3導通，紅色報警燈亮柴油報警器，同時蜂鳴器發(fā)出報警 聲。紅燈和蜂鳴器構成報警部分。在電路通過軟件 置位P1.2=1時，黃燈亮表明電路出現(xiàn)故障。VCC D1 綠 D2 黃 D3 紅 蜂鳴器K1和K2、排氣扇、電磁閥等組成。當泄漏氣體濃度 達到一定值時，通過軟件將P1.4、P1.5置1，此時 三極管VT4、VT5均導通，繼電器K1、K2工作，其常 開觸點閉合，排氣扇工作，進行換氣，電磁閥電路 接通，將氣體管道關閉。當氣體濃度下降到某一值 時，也可以通過軟件將P1.4、P1.5清零，此時三極 管VT4、VT5均截止，繼電器K1、K2停止工作，常開 觸點斷開。關閉排風扇和電磁閥電路，排風扇停止 工作，氣體管道打開。指示燈：應采用發(fā)光二極 管，應以顏色標記。紅色表示報警信號，黃色表示 故障信號，綠色表示電源工作正常。所有指示燈應 清晰地標注功能，在一般環(huán)境光線下，指示燈在距 其正前方3 m處應清晰可見。電磁繼電器：接點宜VT3VT1VT2采用雙接點結構。

繼電器應用封閉式，不得由一接 點同時控制探測器內部及外部電路。 電子元器件：應 進行三防(防潮、防霉、防鹽霧)處理。音響器件：在 額定電壓下，音響器件在距其正前方1 m處的聲壓 級(A計權)應小于70 dB，不大于115 dB， 在85 %額定 工作電壓條件下，音響器件應能發(fā)出聲響。開關和 按鍵：開關和按鍵應堅固、耐用并清晰地標注出其 功能。探測器外殼應選用不燃燒材料和難燃燒材料 (氧指數(shù)≥32)。R1R2R3R4R5R6P1.1P1.2P1.3圖4 聲光報警電路1.3.2 繼電器控制電路 繼電器控制電路如圖5所示。該電路由繼電器0可燃氣體報警器的設計電工電氣(2009 No.5)排風扇 K1 P1.4 R1 D1 VT4電源 K2 D2電磁閥好的濃度和電壓對應的關系：氣體濃度不同時所對 應的電壓值不同，查找出與濃度所對應電壓值時的 報警點。根據(jù)不同的可燃氣體的爆炸下限不同，設 置報警器報警時對應的最小可燃氣體濃度值[5]，若 大于或等于此值則置P1.3=1(紅燈亮、 蜂鳴器叫)，同 時置位P1.4=1(打開排風扇)和P1.5=1(關閉電磁 閥)，并顯示氣體濃度達真實值90 %，響應時間30 s 以內。

設定一個電壓值，該電壓值高于氣體濃度所 對應的電壓峰值，該數(shù)值大于或等于報警峰值時表 示檢測電路出現(xiàn)故障， 這時置位P1.2=1(黃燈亮，蜂 鳴器叫)表示電路出現(xiàn)故障。VT5P1.5 R2圖5 繼電器控制電路2軟件設計本系統(tǒng)的軟件設計以C語言為基礎，可以在執(zhí)行的開始和過程中，根據(jù)氣體爆炸下限的不同修改 報警臨界值，增大了使用的范圍[4]。系統(tǒng)主程序流 程圖如圖6所示。開始 系統(tǒng)初始化 Y 置P1.3=1，紅燈亮，蜂鳴器 叫，響應時間30 s內 置P1.3=0，紅燈滅，蜂鳴器 不響，處于正常監(jiān)視狀態(tài) 返回3結語當今社會，出現(xiàn)許多種可燃氣體報警器，而這些產品大都是針對煤氣的泄漏作相應的報警，即為 家庭式。但是隨著社會的發(fā)展，煤氣報警器也在由 單一的家庭式發(fā)展為小區(qū)監(jiān)控。對某個區(qū)域的燃氣 泄漏進行監(jiān)控，這是今后的發(fā)展趨勢。隨著人民物 質生活水平的提高，燃氣使用率不斷增加，對于燃 氣泄漏的檢測越來越引起大家的重視，我國許多城 市已制定了一些新建住宅必須安裝燃氣泄漏報警器 的相關規(guī)定，該型可燃氣體報警器是針對以上問題 開發(fā)的一種安全裝置，該報警器能根據(jù)可燃氣體檢 測濃度進行聲光報警，并控制相應設備進行工作，實與設定值進行比較 Y 置P1.3=1，P1.4=1，P1.5=1 處于報警狀態(tài)，并顯示濃度 置P1.2=1，黃燈亮，報警器 出現(xiàn)故障鍵是否按下？ N置P1.1為1，使綠燈一直亮， 電源正常工作 使綠燈閃爍，預熱5 min 讀取A/D轉換值現(xiàn)安全保護，是城市燃氣工程中所必需的產品，所 以市場前景良好，同時這也為城市居民使用燃氣解 除了后顧之憂。

參考文獻[1] 楊寧，胡學軍.單片機與控制技術[M].北京：北京 航空航天大學出版社，2005. [2] GB 15322.2-2003 可燃氣體探測器——第2部分： 測 量范圍為 0 ～ 100 % LEL 的獨立式可燃氣體探測器 [S]. [3] 張勇.Protel99se電路設計技術入門與應用[M].北 京：電子工業(yè)出版社，2005. [4] 李光飛，李良兒.單片機C程序設計實例指導[M].北 京：北京航空航天大學出版社，2005. [5] GB 15322.5- 2003 可燃氣體報警器——第5部分： 測 量人工煤氣的獨立式可燃氣體探測器[S]. 收稿日期：2009-01-15該數(shù)≥報警狀態(tài)？ N 該數(shù)≥峰值？ NY圖6 系統(tǒng)主程序流程圖 開始讓氣敏元件預熱一段時間，時間可以根據(jù)氣敏元件的不同進行調整(本設計中的探頭預熱 約5 min)，延時用循環(huán)程序實現(xiàn)，同時在循環(huán)首尾 位置分別使P1.1置1、復0，可實現(xiàn)綠燈閃爍。在系 統(tǒng)中設置一個按鍵用P3.2來控制，用來檢測報警器 報警功能是否正常可燃氣體報警器，若鍵被按下則置位P1.3=1(紅 燈亮同時蜂鳴器叫)，表示報警器正常響應時間在 30 s以內。

使P1.1始終保持置1甲醇報警器，使綠燈常亮，表 示電源處于正常的供電狀態(tài)。從A/D轉換器讀取轉 換值與預先設定的電壓值進行比較，根據(jù)事先建立可燃氣體報警器的設計作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數(shù)： 蘇文靜， 文小玲， 朱琥， SU Wen-jing， WEN Xiao-ling， ZHU Hu 武漢工程大學,電氣信息學院,湖北,武漢,430073 電工電氣 ELECTROTECHNICS ELECTRIC(JIANGSU ELECTRICAL APPARATUS) 2009，""(5) 0次參考文獻(5條) 1.楊寧.胡學軍 單片機與控制技術 2005 2.GB 15322.2-2003 可燃氣體探測器--第2部分:測量范圍為0～100%LEL的獨立式可燃氣體探測器 3.張勇 Prote199se電路設計技術入門與應用 2005 4.李光飛.李良兒 單片機C程序設計實例指導 2005 5.GB 15322.5-2003 可燃氣體報警器--第5部分:測量人工煤氣的獨立式可燃氣體探測器相似文獻(1條) 1.期刊論文 郭建明.姚平喜.Guo Jianming.Yao Pingxi 油庫可燃氣體報警系統(tǒng)設計與應用 -機械管理開發(fā)2007,""(3)油庫在卸油、付油、油品儲存、管道傳輸?shù)冗^程中,由于油氣滲漏會產生不安全因素;因而介紹了一種利用KD-5S(H)可燃氣體傳感器、89C51單片機、工控機組成的可燃氣體報警系統(tǒng);利用 本系統(tǒng)可實現(xiàn)全自動、全天候、并可遠程傳輸?shù)目扇細怏w檢測與報警功能.本文鏈接： 授權使用：哈爾濱理工大學(heblETx)，授權號：776fe6f1-4de1-4a0f-8e96-9e220141fb32 下載時間：2010年11月2日

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