电工电气(2009 No.5)可燃气体报警器的设计可燃气体报警器的设计苏文静，文小玲，朱琥 (武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430073) 摘 要： 设计了一种可燃气体报警器，介绍了报警器的工作原理及其软、硬件的设计。该报警器 以性能、参数稳定的气体传感器为探测器，采用 89C51 单片机进行控制，能根据可燃气体检测浓度进 行声光报警，并控制相应设备进行工作，实现安全保护。 关键词： 89C51 单片机；气体检测；探测报警器 中图分类号：TM763；TP277 文献标识码：A 文章编号：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随着人们生活水平的提高，越来越多的人对生 活空间的安全和舒适性有了更高的要求。

家用燃气 报警器能实时监测可燃气体的泄露情况，一旦发生 泄露，即空气中可燃气体达到一定浓度，则报警器 立即进行声、光报警，有效防止事故的发生，满足 人们对燃气安全的需要。本设计的任务就是开发一 种以性能、参数稳定的气体传感器为探测器并采用 89C51单片机进行控制的可燃气体探测报警器。当 空气中有可燃气体在挥发且气体浓度达到或超过设 定值时，探测器即产生与空气中被测气体浓度成线 性关系的电压信号，该信号经过处理后传至控制器 并显示气体浓度值可燃气体报警器，随即发出声、光报警信号，还 可以输入相关控制信号，启动相应控制装置，避免 重大事故发生。路、A/D转换部分、单片机、数码管显示部分和声 光报警部分等组成[1]。检测电路把泄漏气体浓度的 变化转变成电信号，根据气体浓度和电压信号之 间的对应关系，再对该模拟信号进行分析处理，并 通过A／D转换变为数字信号输入单片机，最后由 单片机驱动LED数码管显示和信号显示灯及蜂鸣 器完成报警过程。当泄漏气体的浓度达到一定值 时，可以启动通风换气设备进行排气，同时通过 电磁阀将气体管道关闭，并可以通过RS-485总线 与上位机进行通信(将实时数据发送给上位机用 户)。

当泄漏气体的浓度降低到安全点后，关闭通 风换气设备，停止报警，将气体管道打开，达到 安全保护的目的。检测电路 A/D转换电路 声光报警电路 排风扇 继电器 电磁阀 单 片 机 控 制 电源 LED显示1硬件设计1.1 系统的结构分析 该系统组成如图1所示。它由传感器检测电图1 报警器系统框图作者简介：苏文静(1975- )，女，讲师，硕士，研究方向为单片机与嵌入式应用。8可燃气体报警器的设计电工电气(2009 No.5)该报警器具有下述功能： (1)当被检测区域的可燃浓度达到报警设定值时 报警器应能发出声、 光报警信号。 (2)报警器在传感元件断路或短路时应发出报 警信号，有明显区别的声、光故障信号。 (3)报警器应对声、光报警装置设置手动自检功 能。 (4)对于有输出控制功能的报警器，当报警器 发出报警信号时，应能启动输出控制功能。 (5)报警器的供电电压必须非常稳定，否则，将 会影响报警的正常工作。 1.2 可燃气体检测电路 1.2.1 气敏传感器(探头) 选用的气敏传感器型号为MC-112，它是一种催 化燃烧式传感器。这种传感器主要用于检测可燃性 气体，它是由4只感应电阻构成惠斯登检测桥路。

当 含有可燃性的混合气体扩散到检测元件上时，在气 敏元件表面有一层催化剂，催化剂迅速与可燃性气 体进行无焰燃烧，并产生热量。温度使感应电阻阻 值发生变化，打破电桥平衡，产生微小的电压差信 号，此信号与可燃气体浓度是成正比的，从而达到 检测可燃气体浓度的目的。 1.2.2 气体检测电路的设计 气体检测电路原理如图2所示，由气敏传感器 (探头)MC-112和电阻R W和电阻R 2、R 3组成平衡电桥 检测电路，电压信号分别从电阻R W 和探头的中点取 出，被取出的电压信号被加到运放LM358的2(-)脚 反相输入端和3(+)脚同相输入端；此时被取出的电 压信号应相等。在气敏传感器通电的情况下，在未 检测到一定浓度的可燃气体时，气敏传感器的反应 电阻不会发生任何反应和变化，这样从探头中点取 出的电压信号也不会发生变化。当在输入端加上 +5 V电压时，经过3个二极管(IN4001)，每个二极 管的压降约为0.7 V，最后在探头两端的电压约为 2.7～2.9 V，此时运放反相端2(-)的电压为1.4 V左 右，同相端3(+)的电压也应为1.4 V左右；未探测 到可燃气体时，差动运算放大器反相端和同相端的 输入信号电压差几乎为零，那么此时差动放大器 的输出端1，通过调节R W 使输出电压信号也接近于 零。

当气敏传感器探测到一定浓度的可燃性气体泄 漏时，在传感器元件上的催化剂使可燃性气体进行 无焰燃烧，产生热量使感应电阻阻值发生变化，打破电桥平衡，产生了微小的电压差信号，此时差动 运算放大器同相端3(+)的电位V 3+高于反相端2(-) 的电位V 2-，经差动运算放大器放大后输出的差模 电压信号为3.5 V左右，由公式(1)可算出差动运算 放大器输出端的电压值。可燃性气体的浓度变化 时所对应输出电压的变化：气体浓度↑→V 3+↑→ (V 3+-V 2- )↑→V o↑，由差动运算放大器的反相输入 端和同相输入端输入信号分别为V 2-和V 3+时输出电 压为[2]：VCCV o =-400V 2- /1+(1＋400/1)[100/(1+100)]V 3+≈ V -V ) (1) 400( 3+ 2传感器 D1 D2 D3̽ R2 ͷ 1 RW R1 ̽ ͷ 2 R3R5 R4 3+ - 1 2 R6 D4 R7 R8 + IN C2C1图2 气体检测电路原理图1.2.3 主控单元电路 主控单元电路如图3所示 [3] ，微处理器采用 AT89C51。A/D转换芯片采用ADC0809，ADC0809的时 钟信号CLK由89C51的ALE信号提供。

系统晶振采用 4 MHz，图中加在ADC0809的ALE(及START)端的正脉 冲宽度大于250 ns，满足ADC0809对ALE引脚信号的 要求。检测到的气体浓度信号即电压信号经放大、滤 波后送到ADC0809的模拟量输入端IN0。由于单片机 为8位处理器，当输入电压为5 V时，ADC0809输出 数值为255(FF H)，因此单片机最大数值分辨率为 0.019 6 V，测试时电压数值的变化一般以0.02 V的 电压幅度变化。如果要获得更高的精度，应采用12 位的A/D转换器，但对于报警器而言这种精度完全 满足要求。根据所测得的电压值基本上要比标准值 偏大0.01～0.02 V，可以通过校正ADC0809的基准 电压来解决，因为该系统设计时直接用+5 V的供电 电源作为基准电压，所以电压可能有偏差。另外可燃气体报警器，也 可用软件编程来校正测量值。ADC0809的直流输入 阻抗为1 MΩ ，能满足一般的电压测试需要，另外 经测试ADC0809可直接在2～5 MHz的时钟频率下工 作，这样可以省去分频器。9电工电气(2009 No.5)VCC S VCC可燃气体报警器的设计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微处理器 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 ADC0809оƬ 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图3 主控单元电路图1.3 声光报警及继电器控制电路 1.3.1 声光报警电路 声光报警电路如图4所示，工作指示灯为绿灯 闪烁，其工作状态的控制由P1.1来完成。

通过软件 的设置，从P1.1输出一方波来控制三极管VT 1的通 断，从而控制工作指示灯的闪烁。当泄漏气体的 浓度达到某一值时，由软件将P1.3置1，此时三极 管VT3导通，红色报警灯亮柴油报警器，同时蜂鸣器发出报警 声。红灯和蜂鸣器构成报警部分。在电路通过软件 置位P1.2=1时，黄灯亮表明电路出现故障。VCC D1 绿 D2 黄 D3 红 蜂鸣器K1和K2、排气扇、电磁阀等组成。当泄漏气体浓度 达到一定值时，通过软件将P1.4、P1.5置1，此时 三极管VT4、VT5均导通，继电器K1、K2工作，其常 开触点闭合，排气扇工作，进行换气，电磁阀电路 接通，将气体管道关闭。当气体浓度下降到某一值 时，也可以通过软件将P1.4、P1.5清零，此时三极 管VT4、VT5均截止，继电器K1、K2停止工作，常开 触点断开。关闭排风扇和电磁阀电路，排风扇停止 工作，气体管道打开。指示灯：应采用发光二极 管，应以颜色标记。红色表示报警信号，黄色表示 故障信号，绿色表示电源工作正常。所有指示灯应 清晰地标注功能，在一般环境光线下，指示灯在距 其正前方3 m处应清晰可见。电磁继电器：接点宜VT3VT1VT2采用双接点结构。

继电器应用封闭式，不得由一接 点同时控制探测器内部及外部电路。 电子元器件：应 进行三防(防潮、防霉、防盐雾)处理。音响器件：在 额定电压下，音响器件在距其正前方1 m处的声压 级(A计权)应小于70 dB，不大于115 dB， 在85 %额定 工作电压条件下，音响器件应能发出声响。开关和 按键：开关和按键应坚固、耐用并清晰地标注出其 功能。探测器外壳应选用不燃烧材料和难燃烧材料 (氧指数≥32)。R1R2R3R4R5R6P1.1P1.2P1.3图4 声光报警电路1.3.2 继电器控制电路 继电器控制电路如图5所示。该电路由继电器0可燃气体报警器的设计电工电气(2009 No.5)排风扇 K1 P1.4 R1 D1 VT4电源 K2 D2电磁阀好的浓度和电压对应的关系：气体浓度不同时所对 应的电压值不同，查找出与浓度所对应电压值时的 报警点。根据不同的可燃气体的爆炸下限不同，设 置报警器报警时对应的最小可燃气体浓度值[5]，若 大于或等于此值则置P1.3=1(红灯亮、 蜂鸣器叫)，同 时置位P1.4=1(打开排风扇)和P1.5=1(关闭电磁 阀)，并显示气体浓度达真实值90 %，响应时间30 s 以内。

设定一个电压值，该电压值高于气体浓度所 对应的电压峰值，该数值大于或等于报警峰值时表 示检测电路出现故障， 这时置位P1.2=1(黄灯亮，蜂 鸣器叫)表示电路出现故障。VT5P1.5 R2图5 继电器控制电路2软件设计本系统的软件设计以C语言为基础，可以在执行的开始和过程中，根据气体爆炸下限的不同修改 报警临界值，增大了使用的范围[4]。系统主程序流 程图如图6所示。开始 系统初始化 Y 置P1.3=1，红灯亮，蜂鸣器 叫，响应时间30 s内 置P1.3=0，红灯灭，蜂鸣器 不响，处于正常监视状态 返回3结语当今社会，出现许多种可燃气体报警器，而这些产品大都是针对煤气的泄漏作相应的报警，即为 家庭式。但是随着社会的发展，煤气报警器也在由 单一的家庭式发展为小区监控。对某个区域的燃气 泄漏进行监控，这是今后的发展趋势。随着人民物 质生活水平的提高，燃气使用率不断增加，对于燃 气泄漏的检测越来越引起大家的重视，我国许多城 市已制定了一些新建住宅必须安装燃气泄漏报警器 的相关规定，该型可燃气体报警器是针对以上问题 开发的一种安全装置，该报警器能根据可燃气体检 测浓度进行声光报警，并控制相应设备进行工作，实与设定值进行比较 Y 置P1.3=1，P1.4=1，P1.5=1 处于报警状态，并显示浓度 置P1.2=1，黄灯亮，报警器 出现故障键是否按下？ N置P1.1为1，使绿灯一直亮， 电源正常工作 使绿灯闪烁，预热5 min 读取A/D转换值现安全保护，是城市燃气工程中所必需的产品，所 以市场前景良好，同时这也为城市居民使用燃气解 除了后顾之忧。

参考文献[1] 杨宁，胡学军.单片机与控制技术[M].北京：北京 航空航天大学出版社，2005. [2] GB 15322.2-2003 可燃气体探测器——第2部分： 测 量范围为 0 ～ 100 % LEL 的独立式可燃气体探测器 [S]. [3] 张勇.Protel99se电路设计技术入门与应用[M].北 京：电子工业出版社，2005. [4] 李光飞，李良儿.单片机C程序设计实例指导[M].北 京：北京航空航天大学出版社，2005. [5] GB 15322.5- 2003 可燃气体报警器——第5部分： 测 量人工煤气的独立式可燃气体探测器[S]. 收稿日期：2009-01-15该数≥报警状态？ N 该数≥峰值？ NY图6 系统主程序流程图 开始让气敏元件预热一段时间，时间可以根据气敏元件的不同进行调整(本设计中的探头预热 约5 min)，延时用循环程序实现，同时在循环首尾 位置分别使P1.1置1、复0，可实现绿灯闪烁。在系 统中设置一个按键用P3.2来控制，用来检测报警器 报警功能是否正常可燃气体报警器，若键被按下则置位P1.3=1(红 灯亮同时蜂鸣器叫)，表示报警器正常响应时间在 30 s以内。

使P1.1始终保持置1甲醇报警器，使绿灯常亮，表 示电源处于正常的供电状态。从A/D转换器读取转 换值与预先设定的电压值进行比较，根据事先建立可燃气体报警器的设计作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 苏文静， 文小玲， 朱琥， SU Wen-jing， WEN Xiao-ling， ZHU Hu 武汉工程大学,电气信息学院,湖北,武汉,430073 电工电气 ELECTROTECHNICS ELECTRIC(JIANGSU ELECTRICAL APPARATUS) 2009，""(5) 0次参考文献(5条) 1.杨宁.胡学军 单片机与控制技术 2005 2.GB 15322.2-2003 可燃气体探测器--第2部分:测量范围为0～100%LEL的独立式可燃气体探测器 3.张勇 Prote199se电路设计技术入门与应用 2005 4.李光飞.李良儿 单片机C程序设计实例指导 2005 5.GB 15322.5-2003 可燃气体报警器--第5部分:测量人工煤气的独立式可燃气体探测器相似文献(1条) 1.期刊论文 郭建明.姚平喜.Guo Jianming.Yao Pingxi 油库可燃气体报警系统设计与应用 -机械管理开发2007,""(3)油库在卸油、付油、油品储存、管道传输等过程中,由于油气渗漏会产生不安全因素;因而介绍了一种利用KD-5S(H)可燃气体传感器、89C51单片机、工控机组成的可燃气体报警系统;利用 本系统可实现全自动、全天候、并可远程传输的可燃气体检测与报警功能.本文链接： 授权使用：哈尔滨理工大学(heblETx)，授权号：776fe6f1-4de1-4a0f-8e96-9e220141fb32 下载时间：2010年11月2日

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