北华大学毕业设计（论文）
1基于单片机的天然气泄漏检测系统概述
1.1天然气泄漏检测报警器的概述
天然气泄漏检测报警器是燃气安全设备非常重要的一部分，它是由气敏传感器、单片机和报警器组成。它是安全使用城市燃气的最后一道保护设备。天然气泄漏检测报警器通过气敏传感器探测周围环境中的天然气浓度，在通过采样电路，将探测到的模拟信号转换成数字信号传递给控制器或控制电路。当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，这些传感器都是通过对周围环境中的可燃气体的吸附，在传感器表面产生化学反应或电化学反应，造成传感器的电物理特性的改变，经单片机处理后转换成检测气体的响应浓度 。其中用的最多的是半导体气敏传感器。
1.2家用天然气泄漏检测报警器现状
现在每家每户只要安装天然气管道的都必须安装天然气报警器。对于目前市场上天然气报警存在以下问题：1、对天然气的检测不敏感或者检测到天然气泄漏并不能及时报警作出相应处理；2、对于天然气检测过于敏感，正常做饭烧水时难免会有少数天然气溢出，此时报警器就不停关阀报警严重影响生活效率；3、存在谎报误报的现象，当空气中存油烟时也会关阀报警所以很多家庭对探测报警器束之高阁当成摆设，买了并不安装；4、功能简单，当天然气发生泄漏时只会关阀报警，倘若家中无人阀门不紧，不能及时处理险情通知户主。所以市面上的天然气泄漏检测报警器亟待于改进，从而才能更好地保障我们的生命财产安全，提高我们的生活质量。
1.3家庭燃气泄漏报警的发展趋势
二十多年前，我国的安防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌却占领我们的大部分市场。由于中国的建设正在面临飞速发展，我们应该抓住广阔的市场空间，庆幸的是中国企业抓住了这次机遇，顶住了挑战，先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，花了多年时间，通过几次产品更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之势，这是典型的自力更生，走自己的路。当然目前而言，我们基本占据的是国内市场，对外还刚刚启动。但是，中国企业已经做好准备进军海外市场。
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1.4天然气泄漏检测报警设计意义
天然气泄漏造成的事故给我们带来了不少的警示，而市场上的天然气检测报警器并不能为我们提供完善的安全保障，为此我们要设计功能更加完善，探测更加精确的天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。燃气专家指出，燃气泄漏或废气排放而大量产生的一氧化碳是燃气中毒事件的根源，如采用天燃气泄漏报警器就能得到及时的警示。有关部门经长期测试得出结论，天燃气报警器防止天然气泄漏事故发生的有效率达95%以上。
计算机的普及和信息技术的迅猛发展，人们己不满足于传统的居住环境，对家庭及住宅小区提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。人们对居住环境要求的日见增高，体现在希望住宅不仅更便利、舒适而且更安全。
单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，燃气泄漏则是人们日常生活中常常需要测量和控制的一个问题。单片机有利于为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施。为了防止中毒事件再次发生，提出利用单片机系统进行有效的预防对策。所以怎样防止燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。
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2天然气泄露检测报警系统的方案设计
2.1天然气泄漏检测报警系统简介
天然气泄漏检测报警系统不仅能够检测环境中的天然气浓度，同时具有报警功能。仪器的最基本组成部分应包括：气体信号采集电路、模数转换电路、单片机控制电路。
气体信号采集电路一般由气敏传感器和模拟放大电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从燃气检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析，看是否大于或等于某个预设值(报警限)，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。同时报警装置会通过语音模块向户主发送语音提醒以便让户主及时做出判断处理。为使报警装置更加完善，可以在声音报警基础上，加入闪光报警，变化的光信号可以引起用户注意，弥补嘈杂环境中声音报警的局限。以上是根据检测报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
气敏传感器及单片机是燃气泄漏报警器的两大核心，根据报警器功能的需要，选择合适、精确、经济的气敏传感器及单片机芯片是至关重要的。传感器的选型将在后面介绍。单片机作为硬件电路的核心，它的概况将在第三章详述。
2.2气体传感器的选型
气体传感器属于气敏传感器。气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。它将气体种类及其浓度等有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。所以气体传感器是仪表的核心组成部分之一。由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。
该设计的天然气泄漏报警器主要应用在厨房中，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器或半导体气敏传感器。接触燃烧式气敏传感器的探头会出现阻缓及中毒的问题。阻缓是当在气体与空气含硫物质混合的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，需要经常对探头进行标定。经常对传
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感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护需要专业人员和相应设备，特此排除接触式气体传感器，剩下只能选用半导体气敏传感器。半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。
经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-4型气敏传感器，这种型号的传感器对天然气有很高的灵敏度对乙醇的灵敏度很低，具有快速反应快速恢复、使用寿命长、稳定可靠等优点。
2.3 天然气泄露报警系统的整体设计方案
2.3.1天然气泄漏报警器工作原理
本论文中的天然气泄漏报警器以STC89C52单片机为控制核心，通过MQ-4型电阻式半导体传感器采集空气中天然气浓度。气体传感器MQ-4输出的是模拟量，其作用是把探测到空气中的天然气的浓度转换成对应的电压信号，电压信号送入模数转换芯片ADC0832转换成数字信号，转换成的数字信号送入STC89C52单片机，单片机对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的浓度值显示到数码管上，同时判断气体浓度值是否超出报警限，当检测气体浓度低于设定报警阈值的时候，数码管显示器仅仅显示测得的可燃气体浓度；当检测气体浓度超出设定报警阈值时给出声光报警。 2.3.2天然气泄漏报警器的结构
随着信息技术的发展，家用电器趋向于智能化、网络化、信息化。为了满足家庭对可燃性易爆气体安全性要求，同时为了符合时代发展的潮流，在传统的天然气泄漏检测报警器的基础上对其的硬件结构上特进行如下设计：
天然气泄露检测报警系统结构框图如图2.1所示，该系统以STC89C52单片机为核心，天然气检测报警系统要完成天然气信号采集处理、显示和控制报警3大功能。可分为电源模块、天然气信号采集模块、A/D转换模块、声光报警模块、数码管显示模块和单片机控制模块。STC89C52单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的升级版，和51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。气体检测模块依靠MQ-4传感器和ADC0832转换芯片、显示模块依靠数码管完成显示功能。
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信 号 调 AD 试转电MQ-4传感 路换 电源 52单 片机 按键输入 数码管显示模块 声光报警
图2.1天然气泄露检测报警系统结构框图图
2.3.3报警器各模块的功能
（1）电源模块：提供电源、保护电路、电压变换、稳压； （2）天然气信号采集模块：实时采集气体浓度；
（3）A/D转换模块：把采集的模拟信号转变成数字信号传送给单片机； （4）声光报警模块：当检测到气体泄漏值超过报警限时，发生报警； （5）显示模块：显示气体浓度和报警限； （6）键盘模块：通过按动上下键调节报警限； （7）语音模块：向户主提供语音提醒；
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