《安全監(jiān)測檢測技術(shù)》word版

1、安全檢測技術(shù)課程設(shè)計 班級： 安全工程1002 姓名： 朱 煒 煒學(xué)號： 201007420227 題目： 煤氣報警器的設(shè)計浙江工業(yè)大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2013年6月第一章 概述1.1家用煤氣報警器的概述 一氧化碳是個“沉默的殺手”，為了避免一氧化碳帶來的傷害，需要在家中安裝煤氣報警器，當(dāng)室內(nèi)煤氣濃度超標(biāo)時，可發(fā)出聲光報警，同時伴有數(shù)字顯示，自動開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝?。本產(chǎn)品通過對周圍環(huán)境中的一氧化碳?xì)怏w的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變、經(jīng)過單片機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)報警功能。煤氣報警器由氣體傳感器探測周圍環(huán)境中的低濃度一氧化碳?xì)怏w，通過信號采樣電路，將探

2、測信號用模數(shù)轉(zhuǎn)化電路轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字量，當(dāng)一氧化碳?xì)怏w濃度超過單片機(jī)控制設(shè)定的值時，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出聲光報警信號。1.2家用煤氣報警器設(shè)計的目的和意義 在社會信息化進(jìn)程日益發(fā)展的今天，信息技術(shù)應(yīng)用己滲透到人類生存、活動的各個領(lǐng)域，在建筑領(lǐng)域，人們的現(xiàn)代生活、工作對居住要求舒適健康、安全可靠、高效便利。這時候氣體燃料的應(yīng)用也越來越廣泛。目前家用煤氣，液化器、天然氣作為氣體燃料，已用與家庭旅館，深入人民的生活之中。氣體燃料的應(yīng)用和普及，伴之而來的是氣體泄漏造成的中毒、爆炸、火災(zāi)等事故也時有發(fā)生。其中由于一氧化碳泄漏中毒死亡尤為嚴(yán)重。眾多周知由于CO與血液中的血紅素的結(jié)合能力是

3、氧的240倍,因此,當(dāng)它進(jìn)入人體血液循環(huán)系統(tǒng)后,就會大量取代氧而與血紅素結(jié)合,抑制血液中氧氣的釋放,從而導(dǎo)致發(fā)生頭痛、耳鳴、嘔吐、血壓降低等不同程度的癥狀發(fā)生。如果CO中毒嚴(yán)重,輕者于康復(fù)過程中可能會頭昏眼花、喪失記憶或引起視覺及神經(jīng)上的障礙,嚴(yán)重者會導(dǎo)致腦部受損甚至發(fā)生死亡。這就對煤氣自動報警的器的設(shè)計更加迫切。為了預(yù)防一氧化碳的泄漏，人們采用了各種措施。家用煤氣報警器是為了預(yù)防氣體中毒的一種家用的自動報警器，也是一種高靈敏度的氣體探測器，一般都是應(yīng)用高靈敏度的氣敏元件作氣電轉(zhuǎn)換元件，并配以電路和聲光報警部分組成。當(dāng)泄漏的氣體達(dá)到危險極限值時報警器就會發(fā)生鳴響和聲光報警。氣體測傳感器的選擇2

4、.1氣體傳感器的選擇2.1.1氣體傳感器介紹2.1.1.1氣體傳感器的分類 氣體傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類：1.利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器。2.利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導(dǎo)氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器。3.利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢型氣體傳感器等。2.1.1.2常見氣體傳感器簡介 1.半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作匡氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由十具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸莊信號強(qiáng)、耐

5、久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)幾。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。按貶敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 2.電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是: 反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用十毒性氣體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 3.熱傳導(dǎo)傳感器熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。它的測量原理是:將加熱后的鉑電阻線圈置十目標(biāo)氣體中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電

6、阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對十一種給定的氣體或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。2.1.2氣體傳感器的主要參數(shù)和特性 1.靈敏度靈敏度是氣敏傳感器的一個重要參數(shù)，用K表示，它標(biāo)志著氣敏元件對氣體的靈敏程度。用K表示，用其阻值變化量R與氣體濃度變化量P之比表示。 2.響應(yīng)時間氣敏傳感器的響應(yīng)時間是指在工作溫度下氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。從氣敏元件與被測氣體接觸，到氣敏元件的阻值達(dá)到新的恒定值所需要的響應(yīng)時間。3.選擇性氣敏傳感器在相同條件下，接觸同一濃度、不同種類氣體是，區(qū)分氣體種類的能力成為選擇性，傳感器催某種氣體的選擇性好，就表示

7、傳感器對它有較高的的靈敏度。4.穩(wěn)定性當(dāng)檢測的氣體濃度不變時，氣敏元件的輸出也應(yīng)保持不變，單實(shí)際情況會受其他條件變化的影響而發(fā)生變化，這種在其他條件發(fā)生變化時氣敏元件輸出特性保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。5.溫度特性氣敏元件的特性歲溫度變化兒發(fā)生變化的特性稱為溫度特性。元件自身溫度對靈敏度的影響相當(dāng)大，解決這個問題的措施之一就是用溫度補(bǔ)償法。6.濕度特性氣敏元件的特性歲環(huán)境濕度不同而發(fā)生變化的特性稱為濕度特性。7.電壓特性氣敏元件的靈敏度隨電壓變化的特性稱為電源電壓特性。氣體傳感器的選定根據(jù)傳感器的主要參數(shù)和特性指標(biāo)以及結(jié)合本設(shè)計所要求的檢測濃度范圍，選MC101作為本設(shè)計的傳感器。MC101簡介

8、MC101型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度增大而正比例增大，補(bǔ)償元件起到參比及溫度補(bǔ)償作用。MC101特點(diǎn)表2-1 MC101技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)品型號MC101產(chǎn)品類型載體催化氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝塑料封裝工作電壓（V）3.00.1工作電流（mA）11010靈敏度（mV）1%甲烷25501%丁烷30501%氫氣2545線形度（%）5測量范圍（%）0100響應(yīng)時間（90%）10s恢復(fù)時間（90%）30s使用環(huán)境-40+70低于95%RH保存環(huán)境-20+70低于95%RH外形尺寸（mm）12mm

9、*8mm 圖2-1 靈敏度特性圖 圖2-2響應(yīng)恢復(fù)特性圖 圖2-4 輸出信號隨環(huán)境溫度的變化圖 圖2-5 輸出信號隨工作電壓的變化圖 圖2-6 輸出信號隨工作電壓的變化圖 圖2-7 傳感器基本測試電路圖家用煤氣報警器的硬件設(shè)計3.1系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計 系統(tǒng)的工作原理是利用燃?xì)鈧鞲衅鲗⒖扇細(xì)鉂舛茸儞Q為MV級模擬電流信號，放大器把信號放大后，通過A/D轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對其進(jìn)行分別處理。MC101催化燃燒式氣體傳感器主要是對一氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行精密的單項(xiàng)檢測。 空氣中的氣體濃度信號同時進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)對其進(jìn)行分析，并輸出信號到顯示器，當(dāng)檢測信號達(dá)到限定的預(yù)設(shè)值時，單片

10、機(jī)將輸出信號驅(qū)動報警，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響，報警LED發(fā)光。 燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，該系統(tǒng)傳感器和單片機(jī)是兩大核心，他們共同配合完成氣體信號采集、顯示、生意及閃爍報警功能，系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，成本低，有利于減少報警器的體積。使用AT89C51單片機(jī)，選用催化式氣敏元件MC101作為敏感元件，通過A/D轉(zhuǎn)換器和聲光報警電路，設(shè)計可用于家用燃?xì)庑孤﹫缶?，儀器的最基本組成部分包括：氣體傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路，AT89C51單片機(jī)，聲光報警電路。傳感器將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。經(jīng)過放大電路，將傳感器的輸出端微

11、弱信號轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)化器能識別的電壓信號范圍，單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過與預(yù)設(shè)值的比較，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的聲光報警功能。氣體傳感器放大器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)電源聲音報警燈光報警圖3-1家用煤氣報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2家用煤氣報警器結(jié)構(gòu)組成3.2.1放大器本設(shè)計采用的是LM358放大器。儀表儀器放大器的選型很多，我們這里介紹一種用途非常廣泛的儀表放大器，就是典型的差動放大器。它只需高精度LM358和幾只電阻器，即可構(gòu)成性能優(yōu)越的儀表用放大器。廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動控制、儀器儀表、電氣測量等數(shù)字采集的系統(tǒng)中。本設(shè)計中差動放大電路結(jié)構(gòu)圖如下： LM358（圖

12、3-1）內(nèi)部包括有兩個獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。圖3-1 LM358A1A2R8R8R7VoViVi1Vi2I 圖3-2 差動放大器結(jié)構(gòu)圖3.2.2A/D轉(zhuǎn)換器ADC0808是一種8位主次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括8路模擬量開關(guān)、地址鎖存與譯碼、8位A/D轉(zhuǎn)換器和三態(tài)輸出鎖存器。多路開關(guān)外接8路模擬量輸入端，可對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。A/D轉(zhuǎn)換器的電路綜合功能如下：（1）分辨率為8位。（2）最大不可調(diào)誤差小于1LSB。（3）單一+5

13、V供電，模擬輸入范圍為05V。（4）具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)。（5）可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。（6）功耗為15mW。（7）不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。（8）轉(zhuǎn)換速率取決于芯片的時鐘頻率，時鐘頻率范圍為101280kHz，當(dāng)時鐘為300kHz時，轉(zhuǎn)換速率為128us。3.2.3單機(jī)片AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MSC-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位（CPU和Flash存儲單元）功能強(qiáng)大。具體參數(shù)

14、如下：（1）與MSC-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。（2）4KB可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器。 （3）1000次擦寫周期。（4）三級加密程序存儲器。（5）1288B內(nèi)部RAM。（6）32個可編程I/O口線。（7）2個16位定時/計數(shù)器。（8）6個中斷源。（9）可編程串行UART通道。（10）低功耗空閑和掉電模式。（11）全靜態(tài)操縱：AT89C51為0Hz24MHz。（12）AT89C51的工作電源電壓為5V。3.2.4 電源電源采用直流電源變壓器輸出12V的電壓，由去耦電容、開關(guān)、7085穩(wěn)壓器及電源指示燈組成。直流12V再經(jīng)過電容濾波，7805集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓成為穩(wěn)定的+5V電源，用一個發(fā)光二極管指示燈指示電源狀態(tài)。電路安全穩(wěn)定可靠，測試電壓為+5V，并且在12V和5V電路中引線排針，以供日后使用。3.2.5聲光報警功能 當(dāng)傳感器檢測的氣體濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器開始報警，聲音70dB并隨著濃度的增加報警音量逐漸加大，同時伴隨紅燈閃爍，通過有明顯變化的信號引起人們的警覺意識。3.2.6 LED顯示本設(shè)計的顯示電路是由LED八段數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)的，為了可以更加精確的實(shí)現(xiàn)所測可燃?xì)鉂舛?，?/p>