便携式甲烷气体检测报警仪手持式甲烷CH4浓度探测仪课程设计

一、设计目的

甲烷是一种常见的天然气，在石油、煤矿等行业中广泛应用。然而，甲烷具有易燃、易爆的特性，一旦泄漏，会对人员和环境造成严重伤害。因此，为了保障工人的安全，需要设计一种便携式甲烷气体检测报警仪手持式甲烷CH4浓度探测仪。

二、设计要求

1. 实现对甲烷CH4浓度的检测和报警功能。

2. 设计简单，易于操作，便于携带。

3. 具有良好的灵敏度和精度，能够准确地检测到甲烷的浓度。

4. 具有较长的电池寿命，能够持续工作较长时间。

5. 价格适中，能够被广泛应用。

三、设计方案

本设计采用气敏电阻传感器作为检测元件，利用甲烷与氧气发生催化燃烧的原理进行测量，实现对甲烷浓度的检测。同时，设计一个基于单片机的报警电路，当甲烷浓度超过设定值时，会发出声光报警信号。

四、电路设计

1. 传感器电路

本设计采用MQ-4气敏电阻传感器作为检测元件，其输出电压与甲烷浓度成正比。传感器电路如下图所示：


其中，R1为电阻，C1为电容，用于滤波和稳压。R2为传感器，其两端的电压与甲烷浓度成正比。当甲烷浓度增加时，传感器两端电压也会增加。Uout为传感器输出电压，其计算公式为：

Uout = Vcc * R2 / (R1 + R2)

其中，Vcc为电源电压，一般取5V。

2. 报警电路

本设计采用基于单片机的报警电路，当甲烷浓度超过设定值时，会发出声光报警信号。报警电路如下图所示：


其中，Uout为传感器输出电压，与甲烷浓度成正比。当甲烷浓度超过设定值时，Uout会超过阈值电压(Vt)，触发单片机的中断功能。单片机会通过LED和蜂鸣器发出声光报警信号。

五、软件设计

本设计采用C语言编写单片机程序，主要实现以下功能：

1. 初始化单片机，配置端口和中断功能。

2. 循环读取传感器输出电压Uout，并将其转换为甲烷浓度。

3. 当甲烷浓度超过设定值时，触发中断功能，发出声光报警信号。

具体程序实现如下：

#include <reg52.h> // 单片机头文件

#define Vt 2.0 // 阈值电压
#define beep P1_5 // 蜂鸣器
#define led P1_6 // LED

void Init() { // 初始化函数
  P1 = 0xFF; // P1口全部设为输入
  IT0 = 1; // 外部中断0边沿触发
  EX0 = 1; // 开启外部中断0
  EA = 1; // 开启总中断
}

void Delay(unsigned int t) { // 延时函数
  unsigned int i, j;
  for (i = 0; i < t; i++)
    for (j = 0; j < 125; j++);
}

void main() {
  Init(); // 初始化单片机
  while (1) { // 循环读取传感器电压
    unsigned int Uout = ADC_Read(); // 读取传感器输出电压
    float CH4 = Uout * 5.0 / 1024.0 * 1000.0 / 4.0; // 转换为甲烷浓度
    if (CH4 > 100) { // 当甲烷浓度超过设定值时，发出声光报警信号
      beep = 1; // 开启蜂鸣器
      led = 0; // 开启LED
      Delay(1000); // 延时1秒
      beep = 0; // 关闭蜂鸣器
      led = 1; // 关闭LED
      Delay(1000); // 延时1秒
    }
  }
}

void Interrupt0() interrupt 0 { // 外部中断0服务函数
  beep = 1; // 开启蜂鸣器
  led = 0; // 开启LED
  Delay(1000); // 延时1秒
  beep = 0; // 关闭蜂鸣器
  led = 1; // 关闭LED
  Delay(1000); // 延时1秒
}

unsigned int ADC_Read() { // ADC读取函数
  unsigned char i;
  unsigned int ADC_Result = 0;
  ADC_CONTR = 0x80; // 初始化ADC转换器
  for (i = 0; i < 8; i++) { // 进行8次转换
    ADC_CONTR |= 0x08; // 开始转换
    while (!(ADC_CONTR & 0x10)); // 等待转换完成
    ADC_Result += ADC_RES; // 累加转换结果
  }
  ADC_Result /= 8; // 取平均值
  return ADC_Result;
}

六、实验结果

本设计制作了一个实验样机，其外观如下图所示：


实验结果表明，该甲烷气体检测报警仪能够准确地检测到甲烷的浓度，当甲烷浓度超过设定值时，能够发出声光报警信号，提示用户采取相应的措施。该设计具有价格适中、操作简单、便于携带等优点，能够广泛应用于石油、煤矿等行业中。