1. 绪论
   1. 煤气泄漏实时监控系统的背景及意义

室内空气中的煤气达到一定的浓度，会直接威胁到人的安全。如果暴露在高浓度的煤气中，可能会在短时间内窒息而死。如今，各地都在大量投入天然气更替液化石油气，在带来好处的同时可能会引起多种煤气的产生。在石油、化工、冶金、采矿等工业领域，存在着大量的有毒有害气体(CO、H2S、SO2等)，可能造成作业人员中毒窒息，对职工健康安全造成威胁。为保障职工健康安全及生产安全，建立有毒有害气体的监测系统十分必要。所以对煤气以及其他有毒气体的检查变得越来越重要。在天然气的生产，运输，储存和使用的整个过程中，由于实际操作不符合规定或机械设备的密封质量不好，导致煤气泄漏，从而引起一些严重的后果，轻则产生有毒气体、重则室内发生爆炸。随着居住环境和办公环境的改善，城市居民将约90％的时间花在自己的房间里，他们更加关注室内空气的质量。液化石油气及天然气的发现，为人们的日常生活提供了方便，但也存在着一定的危险。在智能家居系统软件中，煤气也是检测气体的关键之一，也是酒店室内气体环境卫生检测的关键指标。为了更好地完成室内煤气的检查，有必要设置一个检测浓度的报警系统，尽早地发现安全隐患，并尽快采取纠正措施。为了更好地确保人们室内的空气的安全性以及工作和生活环境的空气指数，煤气浓度的检查是一个极为复杂和关键的研究课题。越来越多的人开始使用室内煤气报警装置，这对于确保室内安全是非常重要的。

1. 1. 国内外研究现状
      1. 国内煤气泄漏实时监控系统发展的现状

在此阶段，煤气传感器的关键是具有三点恒定电势差的电化学电池传感器。这是英国Enterqertics Science公司在90年代中后期发布的用于煤气的光敏电阻专利技术。测试了三级受控电位差的基本原理。根据光电解质溶液的不同特性，可分为胶体溶液电解质煤气光刻胶，固体电解质溶液煤气光刻胶和液体电解质溶液煤气光刻胶。从统计分析方法来看，关键点是：电解，电气设备方法（导热和半导电），色谱分析（色谱），电子光消化吸收法（红外消化吸收法和紫外线消化吸收法）等。我国煤气检测的发展在中国，煤矿、化工厂等行业使用室内煤气检测装置最为常见。如今，气体检测管可广泛用于煤矿，化工厂，冶金工业，地质环境工业的检测服务及全过程的过程分析，生态环境保护，劳动卫生检查，污染物及突发性安全事故检查等。现在，气体检测管仍然是快速检测室内煤气的关键方法。在我国的“第六个五年计划”和“第七个五年计划”期间，德国产品被引入和模仿。抚顺市和大连化工学院等相关公司也致力于该产品的研发。从中国产品的性能角度来看，由于敏感元件受原材料和生产加工技术的限制，因此开发制造的元件的检测范围小，产品合格率低，气密性差，漏液，应用周期短，产品性能与国外优秀标准有很大不同。目前，中国北京，惠州和济南制造几种类型的煤气检测仪，但其更敏感的组件的关键原材料仍是从国外进口的，价格也相对较高。仍然存在诸如技术上的不合格和短的应用周期时间之类的问题。在这一环节中，一些长使用寿命的检查和警报系统仍是从国外进口的。在现阶段，中国室内仅使用了少量的煤气检测警报，尤其是在似乎已经过时的煤矿中。绝大多数煤矿使用手动矿井采样，道路轮廓和检查，甚至使用检测管。检测方法。该矿缺乏对室内煤气的安全监控器，无法整合到工作面的提升和新工作的发展中。在煤矿空旷区域，火灾区域和室内封闭区域中，也难以满足对高浓度煤气的检测要求。因此，将科学研究与煤矿检测相结合的室内煤气检测仪具有重要的现实意义。

1. 1. 1. 国外煤气泄漏实时监控系统发展的现状

如今，市场上通常使用三种类型的煤气传感器：氢氧化镍半导体器件的类型，光电催化固体电解质溶液的类型以及光电催化固体聚合物原料电解质溶液的类型[13]。自1970年代中后期以来，电化学煤气传感器已经问世。它们已被全世界的煤炭工业高度评价。在这一阶段，外国由于其结构简单，使用和维护方便，灵敏度高和选择性好外大多数电化学煤气传感器都使用液态酸碱性电解质，铂黑催化反应量以及盐水恒电位差电解的电化学方法的基本原理来进行诸如有害浓度值的测试。近年来，美国，日本和法国对煤气传感器的科学研究发展迅速。其中，具有标志性产品的重点产品有：由理研计机株式会社开发设计的CO-7和CO-82光电催化煤气传感器；现阶段煤气检测器发展前景的关键是小型化，集成化，智能化系统，多功能，集成化，和Internet嵌入式Internet技术。另外，该系统在长期工作中对可靠性和易于维护的成本也高。考虑到半导体材料与微机电系统的发展趋势，使得红外蒸气分析器有很大的发展空间。

1. 煤气泄漏实时监控系统的方案设计
   1. 煤气泄漏实时监控系统设计思路

煤气该系统研发的关键包括以下功能：

（1）随时随地检查室内环境中有害物质的浓度值；

（2）特效报警功能：当室内风险等级过高时，应操作动画特效报警。另外，继电器吸收并操作排气扇以降低室内的煤气风险集中值。掌握了该系统的原理和功能后，大家可以对这个系统的技术需求有一个大概的认识。这种系统的设计费用比较低廉，能够适应大量的生产和复杂的系统。该系统将包括体积小、用户损耗低、数据传送可靠、低成本的技术，从而增强市场竞争力。实际索引值和主要参数如下：

（1）空间占用率低：探测器的体积应尽可能小，缩小室内面积占用，使得装设和维修变得简便；

（2）功能损耗低：系统可以通过使用三个AA电池供电系统或5v开关电源系统，提高功率因数，从而减小系统的功率损耗，使得该系统的功能损耗降到最低，从而保证该系统的效率最大化，从而满足低功能损耗，可靠的数据传输特性和低成本的技术的要求。

（3）高稳定性：由于系统办公环境中可能存在不确定的干扰信号，因此为了更好地确保系统的长期可靠工作并。

减少随机误报的频率，因此选择多个指示灯，代表不同的情况。

图2.1 煤气泄漏实时监控系统的方案设计流程图

1. 1. 煤气泄露报警系统的整体设计方案
      1. 煤气泄露报警器工作原理

本论文以8051单片机为核心，应用MQ-2电阻式半导体传感器实现煤气泄漏的感应和测量，之后给51微处理器信号，发生报警。

首先，向8051单片机提供相应于MQ-2的燃气数据的电压信号；采用8051单片机进行A/D转换、浓度比较、线性化处理，并将其转换成相应的十进制浓度；在气体浓度没有超出安全限度的情况下，一般不会发光，超过这个数值，就会有一个声音信号。因为气体检测器必须处于加热状态，所以反应速度较快，温度较高，反应速度较快。为提高反应速度和安全准确地操作燃气传感器，报警器必须将5 V的工作电压输出给传感器。

1. 1. 1. 煤气泄露报警器的结构

为满足室内易燃易爆气体的使用要求，该报警装置应具有广泛的工作温度，并能显示可燃气体的浓度，并与电脑相连，实现远程监测和实时监测。其目标是尽量提高精度、降低成本和减小体积，以满足常规烟雾报警器的要求。

本系统采用51微处理器、气敏元件、显示电路、警报设备，开发一种用于家庭或小型装置的气体泄漏报警装置。本课题包括气体传感器、单片机51、显示器三大模块。气体传感器将气体的浓度转换为电子信号；从模拟到数字的转换电路完成了气体传感器的输出。

1. 1. 装置功能说明

燃气泄漏探测设备，浅显易懂，可侦测燃气泄露，保证燃气的安全。在使用之前，应该设置气体浓度警告，设置可调节的浓度，并将设备放置在易泄漏的地方。若有气体或其它气体泄漏，那么，当空气中的气体浓度超过了设置的时候，这个设备就会启动，发出高亢的警报声。

1. 煤气泄漏实时监控系统的硬件部分设计

从一个侧面来看，硬件电路是一个完整的器件，它的设计将直接关系到器件能否完成的问题。硬件电路的设计，首先要理解其性能特点，工作原理，以及总体的线路联系。本章主要介绍一些单片机最小系统，显示电路，传感器电路。

1. 1. 51系列微处理器简介

宏芯公司开发的51/AD/PWM是一种单机（1 T）循环MCU，它采用8051芯片，具有很好的抗干扰能力，其指令码与8051完全兼容，但是计算速度却是8051的8-12倍。内置MAX810特殊复位电路，2个PWM,8个10位A/D转换（250 K/S，即250,000次/s)，用于有较强的干扰。8051单片机是具有出色性能和特性的位微处理器。它在系统软件可编程控制器闪存芯片中包括一个系统。在集成的IC上，该系统包括一个和系统软件可编程控制器闪存芯片，这促进了51为许以下为该处理器参数规格：字节的字节的多嵌入式操作系统的系统软件提供便捷高效的解决方案位系统线，看门狗1计时器，两个位计时器/电子计数器，6位室内空间设计矢量素材，材料级别2智能终端结构，双面串行通讯通讯网页。另外，51可以将数据类型简化为或整个计算过程，并且可以根据两种工作软件的使用来选择低电量模式。在保留模式下，停止工作，从而允许，计时器/电子计数器和串行通讯停止工作。

图3.1 51单片机

1. 1. 1. 51系列单片机的内部结构

下面是51系列单片机的内部构造。51系列单片机由CPU,Flash,SRAM，定时/计数，UART串口，I/O，高速A/D转换，SPI，PCA，SRAM，片上R/C，外晶体振荡器。51系列微处理器，其基本实现了数据的采集与控制，堪称一台单片机。

1. 1. 1. 管脚说明

VCC：供电电压。

接地：接地。

P0端口：P1是在管脚首次写入1时定义的高电阻输入。P0是一个定义在第八个位元/位址的外部程式资料存贮器。FIASH程序中，P0是起始代码的输入端，当P0被外部设置为高时，FIASH检测时P0将输出初始代码。

P1:P1是一个8位的双向输入/输出界面，它带有一个拉力电阻，P1端口可以承受4 TTL的门电流。在FLASH程序和检验期间，P1端口作为8位的地址被接收。

P2:P2是一个8-位双向I/O口，具有内阻，P2端口调节器能接受和输出4个TTL口，在P2读到"1"时，其末端因内部电阻而升高，并作为其输入。P2的引脚在用作输入P2时被拉出，并输出电流。P2在存取外部程式记忆体或16位位元的资料时，会输出第一个位元的位址。在程序和检查FLASH时，P2接收第一个8位的地址和控制信号。

P3:P3的插针为8个带电阻的双向输入/输出口，并带有4个TTL栅极。在P3端口中写入“1”时，这些“1”将用作内部的输入。作为输入，由于低外拉数值较低，所以端口P3输出电流（ILL）。

引脚电路如图3.2所示

图3.2 单片机引脚图

1. 1. 1. 引脚电路的连接

P2.0～P2.7为I/O口：内建双向输入口，上拉性能不佳，先把1写进P2口锁存器，把P2口端拉高，RESET为复位输入信号，高电平启动。

EA是一个外部程序存储器的低电平选择信号。在重置时，CPU会对管脚的电平状况进行检测和锁定，如果管脚是高电平，则从芯片的程序内存中取出指令，而在PC程序计数超过了芯片的内存地址代码范围后，再从外ROM中取出指令；在这个管脚处于低电平时，总是从外部程序内存中抽取指令。

1. 1. 1. 振荡器特性

X1和X2是转换器的输入与输出，它可以作为一个晶圆内部的振荡器。可以是水晶或陶瓷。如果你使用了一个外部的时钟，XTAL2不能被连接。由于通过分流触发来生成额外的内部时钟信号输入，因此外部时钟信号的脉宽不必要求，但必须保证高、低电平脉冲的幅度要求。

1. 1. 1. 单片机领域前景及发展状况

随着电子产品的飞速发展，微处理器已广泛地应用于各种仪器、电子、机电、产品开发、微控制器设计、产品推广等领域。

1. 1. 传感器电路
      1. MQ-2传感器介绍

半导体气体传感器具有高灵敏度、快速响应、体积小、结构简单、操作简便、价格便宜等优点。半导体气体传感器的性能取决于其灵敏度、选择性（抗干扰性）和稳定性。

MQ-2/MQ-2S气体传感器是由二氧化硅制成的，它的导电率非常低。随着气体浓度的增加，传感器的导电性也随之增加。从一条简单的线路变化到与气体浓度相对应的输出信号。

图3.6 MQ-2传感器结构图

MQ-2气体计量器的结构及结构如图3.6所示。本发明涉及一种微型氧化铝陶瓷管、二氧化硅灵敏层、测量用电极、加热炉。该气敏元件有六个插针，四个插针用来接受讯号，两个用来产生热流。A、B的端子在线路上被短路。

1. 1. 1. 传感器电路的连接

图3.7 传感器电路图

它接受一个模拟的电压信号，一个电感用来对传感器进行预热，一个比较器把一个电路所接收到的模拟信号转化成一个切换信号，然后把它传送到管脚2，这个管脚把它放大，再把它输出到管脚3上。电路具有4个引脚，其中引脚1为电流，引脚4为地，引脚2为切换信号引脚，引脚3为仿真输出引脚。本装置仅使用1、3、4号管脚，未使用2号管脚，原因是2号管脚仅能按设定值发出警报，无法反映出实际浓度；3号管脚则利用图中下部的放大器放大信号，接受连续的模拟信号。

1. 1. 电源电路

单片机的供电线路是用来驱动单片机的。下面的图表3.3展示了直流插座，电源开关，二极管，电容，电阻和发光二极管。因为这种设计是直接用USB接口供电，所以不需要整流器。

各部件的功能。

DC接口，DC,5 V

C2电解电容器：低电平的滤光片

电容器C3：高电平过滤

二极管D1：起到保护功能，避免逆向连接和逆向电压的渗入。

电阻R为1：1 K的限流效果。发光二极管D2：讯号动作。

图3.3 电源电路

1. 1. 时钟电路

图3.4 时钟电路

上面图3.4显示了单片机的时钟电路。单片机的时钟信号一般分为内、外两种。在此工程中，采用的是内部振动方法。

内部振动可以在XTAL1和XTAL2的外晶振荡器（称为晶体）中进行，也可以在XTAL1和XTAL2上进行。由于单片机采用了高增益逆变器，因此当它与外部晶体相连接时，它是一个自激式的振荡器，它可以在6 MHZ、12 MHZ、24 MHZ的范围内产生一个时钟脉冲。下面是C15和C14电容，用于稳定高速启动时的振频，一般选择5-30 PF。更稳定的内部钟信号，使用正确的线路。

1. 1. 复位电路

在微控制器的重置管脚RST维持在5 ms以上的高电平以上时，由微控制器进行复位操作。如果RST持续高，那么如果循环重新设置，微控制器就不能启动程序。因此，微处理器在重启后必须能够重新设置。

根据实际情况，一般有两种基本的复位方式：上电复位和断电复位。启动重置需要在断电时自动进行重置。上电复位要求操作一个按键开关，以重置微控制器，若在上电过程中，微控制器不工作，则用按键切换操作重置微控制器。

图3.5中显示了常用的重置电路。在打开电源后，RST将因电容器的充电而维持一个高电位。但若微控制器在按下重置键时已开始工作，则RST将维持高电平，以完成开启/关闭重置动作。一般选用C=10~30微F,R=10 K。

图3.5 复位电路

1. 1. 显示电路

LED的缩写，主要含义是：一种发光二极管，是一种固态半导体材料组件，可以将电能转换为可见光，并立即将电转换为光。它改变了荧光灯管的钨丝的辉光。基本概念是使用LED节能灯的三种颜料来增亮，并使用电场来增亮。根据分析，LED的特性非常明显，寿命长，动画效果高，放射性材料少，消耗低。在我国LED全产业链上，上世纪70年代是国内LED全产业链发展的40余年，产品已被应用于园林、园林照明、照明、照明等领域，是全球最大的照明设备、灯具和家用电器生产商，也是全球第二大照明设备出口商。近几年，随着半导体光亮材料科学的不断发展，LED的生产和制造工艺以及新型材料（碳氢化合物晶体和发光粉）正处于不断发展的阶段。LED，开发及设计；光学材料，设计和使用；各种颜色的LED管取得了划时代的成果。在温控、亮度和功耗等方面都有极大的提升。对比度水平正常完成可见光波段的所有颜色。正是乳白色LED的出现。

图3.8 LED显示屏引脚图

1. 1. 报警电路

蜂鸣器是一种集成的电子装置，它采用了AC电力系统。蜂鸣器有压电和磁感应两种类型。蜂鸣机的供电线路应该用字母标注。压电蜂鸣器的功能按键包括：多个振动器，压电蜂鸣器，相应的电阻，平行共振盒，以及外壳。有些压电蜂鸣器也带有LED。压电蜂鸣器是一种压电陶瓷，它是锆钛酸钛或铌酸镁。硅酸铝板的两面都嵌有银级。解决极化和脆化的问题，然后使用铜或不锈钢板进行粘合。磁性蜂鸣器磁性蜂鸣器包括：振荡器、电磁线圈、磁场、冲击脉冲阻尼器和外壳。在电压抑制装置与切换方式供电电路相结合时，该振荡器输出的脉冲信号电流以电磁线圈为基础，在电磁线圈上形成磁场。螺线管线圈和磁场线圈的光耦电源电路通常是合并的。蜂鸣器包括以下部分：三极管，蜂鸣器和输出功率电阻。蜂鸣器是一种声音组件，可以根据两侧释放的交流电（数据功率放大器电路蜂鸣器）或波形（微波加热传感器蜂鸣器）传出动静。可按需选用的主要参数规格有发音方向、工作电压和运行所需功率、运行总电流、驱动方式（DC/波）等。

本设计方案选择数据功率放大器电路的蜂鸣器。晶体管Q1用作主电源开关。它的基频交流，使得蜂鸣器发出声音；在基极上拉断电阻，从而关闭晶体管，使得蜂鸣器恢复正常静音状态。

图3.9 报警电路设计

1. 煤气泄漏实时监控系统的软件部分设计

该装置的硬件是一个外罩，而该系统的一个软件部件则是该装置的内部。只有软件驱动，并与硬件的精确性相结合，才能保证装置的正常运行。这两方面都非常重要，因此，软件的设计对于整个设备来说也是非常重要的。

1. 1. 主程序设计流程与编程

C是将某些高级语言特性与汇编功能相结合的编译语言；本软件编译速度快，效率高，便于移植，并能直接控制系统的硬件。C是结构化的编程语言，应用非常广泛。C模块式的编程架构也为它的应用提供了强大的保证。所以，C语言成为了软件开发领域的一大热点。采用C语言进行程序语言编程，可以极大地减少开发时间，提高软件的易用性，便于修改和扩充。所以，对于从事大规模软件开发的技术人员来说，C是最好的选择。C语言的编译器是C，它可以把C语言的代码转换为机器代码，这样微控制器就可以进行程序设计。

图4.1 主程序设计流程与编程流程图

1. 1. 主程序设计流程图

主程序的流程图如图4.2所示。首先，由于MQ-2型电阻气体传感器在断电一段时间后重新启动后，无法立刻进行正确的烟气采集，因此需要一段预热时间。当初始化程序结束后，将进入监视状态。本文的主要工作就是对感应器进行三分钟的预热，通过软件对感应器的热丝故障进行探测，从而探测到感应器的导线、线缆有无断开或有无接触。51单片机对气体浓度信号进行A/D变换，并将其与报警极限相比较，以判断是否有警报。

图4.2 程序流程图