研究思路

课题研究思路也叫开题报告，主要包括这几部分：

1.题目来源：有些学校使教师选题，所以在这可以直接写教师选题。如果是自己选题就写

一下你自己选择这个题目的原因就可以。

2.主要研究内容：这部分要写你要用什么东西完成什么结果。

3.开题依据：这部分通常包括相关研究现状、此项研究的理论意义、学术价值、应用前景

等

4.起止时间和进度安排

5.预期结果及成果形式

6.可行性分析：要写已具备的条件和待解决的问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验

方案等

7.主要参考文献

具体可以参考下面的开题报告

题目来源

教师提供选题

主要研究内容

研究内容：

本论文设计并制作一款可燃气体报警器系统,主要用于室内等较密闭的环境进行家用

燃气浓度的测量。该报警器系统以AT89S52单片机为控制器，气敏传感器采集室内空气，通

过模数转换芯片进行模—数转化，所得到的数据与设定好的安全数据5000ppm进行比较；当

浓度超过设定值时，报警器报警并关闭燃气总阀，控制开启排风扇以降低可燃气体浓度。

开题依据（包括相关研究现状、此项研究的理论意义、学术价值、应用前景等）

1.研究现状

家用燃气报警器中的核心部件是气体传感器，可燃气体传感器的发展也成为气体检测系

统的代表性标志。目前，气体传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，

降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合。二是增强可靠性，实现元件和

应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。

(1)国外研究现状

日本费加罗公司规模生产的二氧化锡系列气敏传感器达21种规格，广泛用于11种气体

的测量。英国电气阀门公司生产的催化燃烧型气敏传感器，德国生产的医用薄膜型气敏传感

器，瑞士生产的火灾报警用气敏传感器，美国IST提供了寿命达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CO气体传感器等。美国

GeneralMonitors公司在还在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视

故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的―MegaGas‖

传感器实现了智能化、多功能化。

(2)国内研究现状

气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的项目，全国有30

多所高等院校和研究所研究开发各种类型的气敏传感器，再工艺方面引入表面参杂和表面覆

膜以及表面催化反应层等工艺；另外新研究的三氧化二铝气敏材料和石英晶体以及有机半导

体也开始用于气敏材料。

2.应用前景

此项研究成果可以在燃气安全监测行业，可广泛应用于家庭燃气安全检测，用于高校相

关课程教学，通过更换气敏传感器也可用于特定气体的监测。

起止时间和进度安排（包括外出调研）

2018年12月15日—2018年12月20日完成毕业论文选题，提交申请书。

2018年12月21日—2019年01月02日查阅资料，完成开题报告。

2019年01月03日—2019年03月25日上交开题报告，开题。

2019年03月26日—2019年04月30日写毕业论文，完成论文初稿。

2019年05月01日—2019年05月10日提交毕业论文。

2019年05月11日—2019年05月15日论文答辩。

预期结果及成果形式

1.预期结果：对室内等较密闭的环境进行家用燃气浓度的测量，报警器根据测量结果进行提

示，当浓度超过5000ppm时，报警器报警并关闭燃气总阀，控制开启排风扇以降低可燃气体

浓度。

2.最终成果：论文

可行性分析（已具备的条件和待解决的问题；拟采取的研究方法、技术路线、实验方案等）

1.已具备的条件：

（1）C语言编程知识

（2）传感器原理和设备

2.待解决的问题

（1）单片机的原理

（2）设计反馈控制指示灯、蜂鸣器和电磁燃气总阀的电路

（3)气敏传感器的选择

3.拟采用的研究方法

（1）理论分析法：通过已掌握的理论知识，分析电路中所使用的各器件的型号，大小，设

计电路。

（2）文献研究法：研究相关文献，从中借鉴可行的方案，可采取的问题解决方法。

4.技术路线:

5.实验方案

（1）可能的方案

方案1：经由气敏传感器将采集的浓度模拟信号送入比较器中，与其内部参考电压进行

比对，两者电压幅值相等时，输出电压会产生跃变，对应输出1或0，由电平来控制报警电

路的运作。而比较器负端也可接电位器来调节参考电压，用于报警灵敏度的调节。

优点：电路简单易懂

缺点：（1）因此论文研究的是家用燃气报警器，而大众对于燃气安全范围缺乏相应的

知识，故报警器灵敏度的人为调节不大适合家庭范围的使用。

（2）可拓展性差

方案2：以单片机为控制核心，将气敏传感器采集的浓度模拟信号送入A/D转换后输出

气敏传感器检测室

内气体甲烷的浓度

外联设备：指示灯、

蜂鸣器和电磁燃气总

阀做出相应的动作

模数转换器将传感器

信号转换为单片机可

识信号

单片机对信号进行

处理，发出控制信号

8位数字信号，经由单片机I/O输入并与程序预设警戒值128比对，根据比对结果发出多个

控制信号驱动一系列的联动措施。例如蜂鸣器，灯光指示，电磁阀控制等。

优点：可靠性高，智能化高，采用汇编语言进行信息对比，灵活性好

缺点：电路结构复杂

（2）方案选定

当今发展的趋势是设备的智能化，注重可靠性、灵活性。方案1虽然电路设计简单易懂，

但可控性差，在实际使用中存在潜在的人为安全隐患。其所使用的运算放大器是对电流或者

电压进行处理，可以做简单的控制，但精度不高，所以在预警浓度的控制方面，运算放大器

不宜用在事故报警中。方案2虽然电路复杂，电路设计困难，但其使用单片机和相应的软件

可以保证系统的稳定性，消除潜在的人为隐患，智能化高。故本论文选用方案2

（3）报警浓度确定

天然气的主要成分为CH4，因此主要考虑CH4来进行系统燃气警戒线的确定。当一个

体积单位的气体中含有0.05个体积单位的CH4，也就是CH4体积比（vol）为0.05时，此

气体遇到明火就会发生爆炸。可燃气体在空气中遇明火发生爆炸的最低浓度，称为爆炸下限

（LEL）。在CH4的安全预警和防爆方面，探测器的报警警戒线大都设定在10%-25%LEL之间。

在此范围设定比较安全，离发生爆炸的浓度还差一段距离，可以有足够的时间进行处理。出

于家庭安全的考虑，本论文报警器的警戒值设为爆炸下限的10%。

将5%vol等分成100份，每份对应1%LEL，也就是说，当检测仪器的数值到达100%LEL

时，此时CH4在空气中的体积含量为5%。那么10%LEL对应的体积含量为5%/100*10=0.5%

（vol）。ppm是在气体检测方面经常使用的单位，是一个没有量纲的值，它表示为百万分

之几。例如1ppm的CH4可理解为一百万个体积单位的气体中含有一个体积单位的CH4。ppm

与百分率（%）表示的含义是相同的，因此可得，0.5%vol对应于5000ppm。因此本论文家用

燃气报警器的报警值应设定为5000ppm。

（4）器件选定（就方案2选定器件）

单片机拟采用AT89S52型，其是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是AT89S51

型的升级版，具有8K系统可编程Flash存储器，寿命高于1000写/擦循环。使用Atmel公

司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash

允许程序存储器在系统内编程，亦适于常规编程器，与其他MCS-51相兼容。在单芯片上，

拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提

供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，

32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量

2级中断结构，全双工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可

选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续

工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下

一个中断或硬件复位为止。

气体传感器拟采用半导体式传感器。金属氧化物半导体式传感器与其他类型气敏传感

器相比反应十分灵敏，目前广泛使用的领域为测量气体的微漏现象，故选用半导体气敏传感

器。MQ-4气敏传感器功耗低，四脚金属外壳封装，产品主要用于可燃性气体（液化气、丁

烷、丙烷等)。特点：灵敏度高、抗干扰性好；输出信号大，响应、恢复时间快；长期稳定

性好、寿命长；体积小，应用电路简单。此传感器对甲烷的灵敏度很高，但是对酒精则不敏

感，完全符合国标中抗酒精要求。特别适合于家用燃气报警器的应用。

主要参考文献

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