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基于单片机的天然气多点浓度巡测系统设计-学位论文.doc
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长春工业大学学士论文
I
中文摘要
天然气在人们的日常生活中做出了非常大的贡献,然而当它在空气中的浓
度达到一定范围时可能引起自燃甚至爆炸,这样就会造成很大的危险。甚至会
危害到人们的生命以及财产的安全。
本文介绍了一种基于 AT89C51 单片机和气敏传感器进行巡环检测天然气罐
浓度的装置。该设计包括监测系统的组成、工作原理及硬件、软件设计的方法。
本系统不仅可实现对天然气浓度进行实时监测而且当浓度达到一定范围时会产
生相应的预警,还具有超出给定浓度报警的功能,为预防和减小火灾损失提供
了有力的科学手段。
本文采用了气敏传感器,气敏传感器是能够感知环境中某种气体及其浓度的
一种敏感器件,它将气体成分、浓度等有关的信息转换成为电压信号,从而可
以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制
和报警系统。目前,人们对气敏传感器的测试方法主要停留在用人工手动的方
式来进行操作,开发出一种实用高效的智能化传感器测试装置是非常的必要的。
本文根据人们的需要设计出了一种高效有用的天然气实时巡测装置。
关键词 :天然气;气敏传感器;报警;AT89C51;
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长春工业大学学士论文
II
Title:Concentration of natural gas more patrol unit
Abstract
Natural gas in people's daily life has made great contributions, but
when it is in the air when the concentration reaches a certain range may
cause spontaneous combustion or explosion, which would result in great
danger. Even endanger people's lives and property.
This paper describes a gas sensor based on AT89C51 microcontroller
and gas tank concentration loop detection device. The design includes
monitoring system, working principle and the hardware and software design
methods. The system not only enables real-time monitoring of gas
concentration, and when the concentration reaches a certain range will
have the appropriate warning, but also has exceeded the alarm function
of a given concentration, to prevent and reduce fire losses provide a
strong scientific means.
In this paper, the gas sensors, gas sensors is the ability to sense the
environment and the concentration of certain gases in a sensitive device, it
will be the gas composition, concentration and other relevant information
converted into a voltage signal, which can detect, monitor, alarm ; also be
formed through the interface circuit and the computer automatically detect,
control and alarm systems. Currently, people mainly gas sensors testing
methods remain in use to manually operate the way to develop a practical and
efficient intelligent sensor testing device is very necessary. According to
people's need to design a useful and efficient real-time patrol unit of natural
gas
Key words: natural gas; gas sensors; alarm; AT89C51;
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长春工业大学学士论文
III
目 录
第一章 绪论........................................................................................................................1
1.1 天然气的用途........................................................................................................1
1.2 天然气巡测目的和意义........................................................................................1
1.3 气体巡检技术在国内外的发展现状.....................................................................2
第二章 方案论证................................................................................................................4
2.1 基于硬件设计天然气浓度巡测装置的方法.........................................................4
2.1.1 人工巡视法.................................................................................................4
2.1.2 空气采样法.................................................................................................4
2.1.3 声学检测法.................................................................................................4
2.1.4 检测天然气罐壁的方法............................................................................5
2.2 基于软件设计天然气浓度巡测的方法.................................................................5
2.3 基于软件和硬件结合的方法设计天然气浓度泄漏巡测....................................5
2.3.1 硬件的选择................................................................................................6
2.3.2 软件设计.....................................................................................................8
第三章 硬件部分的设计 .................................................................................................10
3.1 AT89C51 的片内结构及引脚描述.....................................................................10
3.2 气敏传感器..........................................................................................................16
3.2.1 气敏传感器分类......................................................................................16
3.2.2 半导体气敏元件的特性参数..................................................................17
3.2.3 气敏传感器的工作原理...........................................................................19
3.3 显示部分介绍......................................................................................................20
3.4 按键部分介绍......................................................................................................22
3.5 A/D 转换介绍以及 MAX187 简介.........................................................................24
3.6 74LS138 简介.....................................................................................................28
3.7 地址锁存芯片 74LS373 的介绍..........................................................................29
3.8 6264 的简介.........................................................................................................30
3.9 放大电路 ICL7650 的介绍..................................................................................32
3.10 蜂鸣器 PB2130 的介绍......................................................................................33
3.11 CD4051 简介.......................................................................................................35
第四章 系统整体软件设计 ........................................................................................37
4.1 主程序的设计:...................................................................................................37
4.2 各子程序的设计..................................................................................................39
4.2.1 数据采集系统与 A/D 转换系统的软件设计...........................................39
4.2.2 显示部分的软件设计...............................................................................42
4.2.3 按键部分的软件设计...............................................................................45
4.2.4 报警部分软件的设计...............................................................................46
4.2.5 滤波部分软件的设计...............................................................................46
第五章 结论与总结..................................................................................................... 47
致谢 .....................................................................................................................................49
参考文献 .............................................................................................................................57
附录......................................................................................................................................52
附录一 程序清单 .............................................................................................................52
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长春工业大学学士论文
1
第一章 绪论
1.1 天然气的用途
天然气是一种多组分的混合气体,主要成分是烷烃,其中的甲烷占绝大多
数,另外还有少量的乙烷、丙烷和丁烷,除此之外一般还含有硫化氢、二氧化
碳、氮和水气,以及微量的惰性气体(氦和氩等)。在大气标准状况下,甲烷
至丁烷以气体状态存在,戊烷以上为液体。天然气无毒,洁净,安全,方便,
经济实惠,是居民家庭最佳的燃料选择,它既可烹调、做饭,又可洗浴、取暖。
而且天然气价格稳定、热量值高,可代替煤、燃油等很多的能源。除此之外,
还可以用于办公楼、工厂、宾馆、医院、商场等大型公共场所的空调系统,以
及用做工商户与城市公共设施的锅炉燃料及供热、供暖。 天然气可替代汽油作
为汽车动力燃料,降低运输成本,减少城市污染。天然气还可以作为化工原料
站发电的原料。而且天然气的有效使用涉及到国家能源的分配与能源政策的实
施,提高能源使用效率;现在我国以“西气东输”、“西电东送”为契机,积
极引入清洁、优质能源,以天然气发电,调整优化能源结构;积极引进天然气
和液化天然气资源. 此外,天然气在石油天然气以及其他燃气检测中有着重要的
地位。
1.2 天然气巡测目的和意义
天然气作为一种高效,优质,清洁的能源,在世界各国均得到普遍重视和优
先利用。但是人类在使用天然气的过程中在尝到它的甜头的同时也尝到了它的
苦头。由于管道设备的老化、地理、气候条件的影响以及人为的破坏,经常会
造成泄漏事故的发生。天然气管道的泄漏将直接危害到管道设施的安全运行和
威胁到人民生命财产得安全,进而造成难以挽回的恶性事故和各种各样的间接
损失。因此,能够及时而且准确地发现管道输送天然气时的泄漏、泄漏位置和泄
漏量等方面都具有重大意义。天然气巡测技术有很多的方法:管道气体检测技
术从不同的侧重点出发可以有不同的分类方法:从测量位置的不同我们可以将
其分为外部监测法和内部监测法;从是管道的运行状态来分可以分为静态检测
和动态检测;从采用的技术来看可以分为基于硬件的方法和基于软件的方法。
本文使用基于硬件设计和软件编程的方法对输气管道的泄漏问题进行的设计。
天然气安全使用的最常见问题是,在家中,一旦发现天然气泄漏,不能开
灯,不能打开抽油烟机和排风扇,不能点火,也不能在室内拨打电话,要打开
家里所有的门窗;勿动电器。打开,关闭任何家用的电器,比如电灯、电扇、
排气扇、抽油烟机、空调、电闸、门铃、冰箱等,都可能产生火花,引起爆炸。
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长春工业大学学士论文
2
天然气无声无色,怎样防范才能更好的避免因天燃气泄漏造成爆炸、火灾、
中毒、窒息等恶性事故发生?因此本设计是关天然气泄漏的检测仪和报警器。
本设计能够自动实时地检测家庭天然气罐及煤气管道的煤气有无泄漏。检
测到天然气浓度超过预设值后迅速的做出判断并报警。避免浓度超过极限值后
产生的电火花引起爆炸。我们知道气体巡检技术是一种常见的检测气体泄漏的
方式,具有高效、经济、便于管理等很多个优点。
1.3 气体巡检技术在国内外的发展现状
气体巡检技术现在无论在国内还是在国外都得到了人们的广泛重视。在气
体巡检技术的应用方面,无论从工厂企业还是到人民家庭,应用都是十分广泛。
现以安全保护家用燃气泄漏报警器为例,日本早在 1980 年 1 月就已经开始实行
安装城市煤气、液化石油气报警器法规,1986 年 5 月日本通产省又实施了安全
器具普及促进基本方针。美国目前已有 6 个州已经立法,规定家庭、公寓等都
要安装天然气报警器。报警器种类也相当多,有用于一般家庭、集体住宅、饮
食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统,有单体分离型报警器、
外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结
构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等;工业用固定式报警又有多路
巡检式、台放式、单台监控式、悬挂式等。气体检测技术与计算机技术相结合,
既实现了智能化,也实现了功能化。据了解美国工业科学公司(ISC)一台携带
式气体监控仪可实现多种气体的巡测,他们采用统一的软件,只需要换气体传
感器,就可以实现对特定气体巡测。美国国际传感器技术(IST)公司应用一种
叫做"MegaCas"的传感器和微型程序控制单元,可检测 100 多种有毒性气体和可
燃性气体,其可以通过其"气体检索"的功能进行扫描,就能很快确定是哪一种
气体了。
在气体巡测技术中我们知道其主要的应用部件是气体传感器。在国外气体
传感器发展的速度很快,一方面是由于人们生活安全意识增强,对环境安全性
和生活舒适性要求更高;另一方面也是由于传感器生产及应用市场增长受到政
府安全法规的推动。正是因为如此,国外气体传感器技术得到了飞速发展,据
有关统计表明,美国在 1996 年—2002 年气体传感器使用年均增长率为(27~30)
%。
就目前而言,气体传感器的发展趋势主要表现为:一是灵敏度的提高和工
作性能的稳定,为了降低功耗和制作成本,我们可以缩小尺寸,将电路简化,
与应用整机相结合,这也是气体传感器一直执着追求的目标。如日本费加罗公
司推出了检测(1~10)×10-6 硫化氢低功耗气体传感器,美国 IST 提供研制
出了寿命长达 10 年以上的气体传感器,美国 FirstAlert 公司推出了生物模拟
型(光化反应型)低功耗专门检测天然气等可燃性气体的气体传感器等。二是
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