研究思路

課題研究思路也叫開題報告，主要包括這幾部分：

1.題目來源：有些學校使教師選題，所以在這可以直接寫教師選題。如果是自己選題就寫

一下你自己選擇這個題目的原因就可以。

2.主要研究內容：這部分要寫你要用什么東西完成什么結果。

3.開題依據：這部分通常包括相關研究現狀、此項研究的理論意義、學術價值、應用前景

等

4.起止時間和進度安排

5.預期結果及成果形式

6.可行性分析：要寫已具備的條件和待解決的問題；擬采取的研究方法、技術路線、實驗

方案等

7.主要參考文獻

具體可以參考下面的開題報告

題目來源

教師提供選題

主要研究內容

研究內容：

本論文設計并制作一款可燃氣體報警器系統,主要用于室內等較密閉的環境進行家用

燃氣濃度的測量。該報警器系統以AT89S52單片機為控制器，氣敏傳感器采集室內空氣，通

過模數轉換芯片進行模—數轉化，所得到的數據與設定好的安全數據5000ppm進行比較；當

濃度超過設定值時，報警器報警并關閉燃氣總閥，控制開啟排風扇以降低可燃氣體濃度。

開題依據（包括相關研究現狀、此項研究的理論意義、學術價值、應用前景等）

1.研究現狀

家用燃氣報警器中的核心部件是氣體傳感器，可燃氣體傳感器的發展也成為氣體檢測系

統的代表性標志。目前，氣體傳感器的發展趨勢集中表現為：一是提高靈敏度和工作性能，

降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合。二是增強可靠性，實現元件和

應用電路集成化，多功能化，發展MEMS技術，發展現場適用的變送器和智能型傳感器。

(1)國外研究現狀

日本費加羅公司規模生產的二氧化錫系列氣敏傳感器達21種規格，廣泛用于11種氣體

的測量。英國電氣閥門公司生產的催化燃燒型氣敏傳感器，德國生產的醫用薄膜型氣敏傳感

器，瑞士生產的火災報警用氣敏傳感器，美國IST提供了壽命達10年以上的氣體傳感器，

美國FirstAlert公司推出了生物模擬型（光化反應型）低功耗CO氣體傳感器等。美國

GeneralMonitors公司在還在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監視

故障狀況功能，實現了智能化；還有前已涉及的美國IST公司的具有微處理器的―MegaGas‖

傳感器實現了智能化、多功能化。

(2)國內研究現狀

氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點支持發展的項目，全國有30

多所高等院校和研究所研究開發各種類型的氣敏傳感器，再工藝方面引入表面參雜和表面覆

膜以及表面催化反應層等工藝；另外新研究的三氧化二鋁氣敏材料和石英晶體以及有機半導

體也開始用于氣敏材料。

2.應用前景

此項研究成果可以在燃氣安全監測行業，可廣泛應用于家庭燃氣安全檢測，用于高校相

關課程教學，通過更換氣敏傳感器也可用于特定氣體的監測。

起止時間和進度安排（包括外出調研）

2018年12月15日—2018年12月20日完成畢業論文選題，提交申請書。

2018年12月21日—2019年01月02日查閱資料，完成開題報告。

2019年01月03日—2019年03月25日上交開題報告，開題。

2019年03月26日—2019年04月30日寫畢業論文，完成論文初稿。

2019年05月01日—2019年05月10日提交畢業論文。

2019年05月11日—2019年05月15日論文答辯。

預期結果及成果形式

1.預期結果：對室內等較密閉的環境進行家用燃氣濃度的測量，報警器根據測量結果進行提

示，當濃度超過5000ppm時，報警器報警并關閉燃氣總閥，控制開啟排風扇以降低可燃氣體

濃度。

2.最終成果：論文

可行性分析（已具備的條件和待解決的問題；擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案等）

1.已具備的條件：

（1）C語言編程知識

（2）傳感器原理和設備

2.待解決的問題

（1）單片機的原理

（2）設計反饋控制指示燈、蜂鳴器和電磁燃氣總閥的電路

（3)氣敏傳感器的選擇

3.擬采用的研究方法

（1）理論分析法：通過已掌握的理論知識，分析電路中所使用的各器件的型號，大小，設

計電路。

（2）文獻研究法：研究相關文獻，從中借鑒可行的方案，可采取的問題解決方法。

4.技術路線:

5.實驗方案

（1）可能的方案

方案1：經由氣敏傳感器將采集的濃度模擬信號送入比較器中，與其內部參考電壓進行

比對，兩者電壓幅值相等時，輸出電壓會產生躍變，對應輸出1或0，由電平來控制報警電

路的運作。而比較器負端也可接電位器來調節參考電壓，用于報警靈敏度的調節。

優點：電路簡單易懂

缺點：（1）因此論文研究的是家用燃氣報警器，而大眾對于燃氣安全范圍缺乏相應的

知識，故報警器靈敏度的人為調節不大適合家庭范圍的使用。

（2）可拓展性差

方案2：以單片機為控制核心，將氣敏傳感器采集的濃度模擬信號送入A/D轉換后輸出

氣敏傳感器檢測室

內氣體甲烷的濃度

外聯設備：指示燈、

蜂鳴器和電磁燃氣總

閥做出相應的動作

模數轉換器將傳感器

信號轉換為單片機可

識信號

單片機對信號進行

處理，發出控制信號

8位數字信號，經由單片機I/O輸入并與程序預設警戒值128比對，根據比對結果發出多個

控制信號驅動一系列的聯動措施。例如蜂鳴器，燈光指示，電磁閥控制等。

優點：可靠性高，智能化高，采用匯編語言進行信息對比，靈活性好

缺點：電路結構復雜

（2）方案選定

當今發展的趨勢是設備的智能化，注重可靠性、靈活性。方案1雖然電路設計簡單易懂，

但可控性差，在實際使用中存在潛在的人為安全隱患。其所使用的運算放大器是對電流或者

電壓進行處理，可以做簡單的控制，但精度不高，所以在預警濃度的控制方面，運算放大器

不宜用在事故報警中。方案2雖然電路復雜，電路設計困難，但其使用單片機和相應的軟件

可以保證系統的穩定性，消除潛在的人為隱患，智能化高。故本論文選用方案2

（3）報警濃度確定

天然氣的主要成分為CH4，因此主要考慮CH4來進行系統燃氣警戒線的確定。當一個

體積單位的氣體中含有0.05個體積單位的CH4，也就是CH4體積比（vol）為0.05時，此

氣體遇到明火就會發生爆炸。可燃氣體在空氣中遇明火發生爆炸的最低濃度，稱為爆炸下限

（LEL）。在CH4的安全預警和防爆方面，探測器的報警警戒線大都設定在10%-25%LEL之間。

在此范圍設定比較安全，離發生爆炸的濃度還差一段距離，可以有足夠的時間進行處理。出

于家庭安全的考慮，本論文報警器的警戒值設為爆炸下限的10%。

將5%vol等分成100份，每份對應1%LEL，也就是說，當檢測儀器的數值到達100%LEL

時，此時CH4在空氣中的體積含量為5%。那么10%LEL對應的體積含量為5%/100*10=0.5%

（vol）。ppm是在氣體檢測方面經常使用的單位，是一個沒有量綱的值，它表示為百萬分

之幾。例如1ppm的CH4可理解為一百萬個體積單位的氣體中含有一個體積單位的CH4。ppm

與百分率（%）表示的含義是相同的，因此可得，0.5%vol對應于5000ppm。因此本論文家用

燃氣報警器的報警值應設定為5000ppm。

（4）器件選定（就方案2選定器件）

單片機擬采用AT89S52型，其是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是AT89S51

型的升級版，具有8K系統可編程Flash存儲器，壽命高于1000寫/擦循環。使用Atmel公

司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash

允許程序存儲器在系統內編程，亦適于常規編程器，與其他MCS-51相兼容。在單芯片上，

擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提

供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節Flash，256字節RAM，

32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量

2級中斷結構，全雙工串行口。另外，AT89S52可降至0Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可

選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續

工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下

一個中斷或硬件復位為止。

氣體傳感器擬采用半導體式傳感器。金屬氧化物半導體式傳感器與其他類型氣敏傳感

器相比反應十分靈敏，目前廣泛使用的領域為測量氣體的微漏現象，故選用半導體氣敏傳感

器。MQ-4氣敏傳感器功耗低，四腳金屬外殼封裝，產品主要用于可燃性氣體（液化氣、丁

烷、丙烷等)。特點：靈敏度高、抗干擾性好；輸出信號大，響應、恢復時間快；長期穩定

性好、壽命長；體積小，應用電路簡單。此傳感器對甲烷的靈敏度很高，但是對酒精則不敏

感，完全符合國標中抗酒精要求。特別適合于家用燃氣報警器的應用。

主要參考文獻

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