【正文】 它的干擾氣體 (如煙酒等 )，使氣敏元件發(fā)生交叉響應(yīng)，產(chǎn)生誤報(bào)。三是催化劑中毒。摻有催化劑的氣敏元件接觸某些氣體后，活性組分被毒化，將會(huì)改變元件的選擇性，降低其敏感度和穩(wěn)定性，另外催化劑本身也存在著不穩(wěn)定性問題。靈敏度問題。四是 SnO2元件有時(shí)由于靈敏度過大導(dǎo)致誤報(bào)，但是在檢測某些低濃度氣體時(shí)靈敏度卻難以達(dá)到要求。 氣敏傳感器的研究現(xiàn)狀 氣敏元件性能與敏感功能材料的種類、結(jié)構(gòu)及制作工藝密切相關(guān)。用金屬氧化敏感材料制作的半導(dǎo)體式氣敏元件具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體小質(zhì)輕，堅(jiān)固耐用等 優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用，目前仍以 SnO2材料為主。 SnO2是一種廣普型的氣敏材料，圍繞 SnO2為基 體 材料的氣敏材料的制備及其氣敏元件制備的研究課題十分活躍。純 SnO2的氣敏特性不甚好，尤其是它的熱穩(wěn)定性不高。為改善其氣敏特性，常在 SnO2基體中摻入貴金屬或其他金屬氧化物。盡管 SnO2基傳感材料具有許多優(yōu)點(diǎn)，作為材料也存在一定缺點(diǎn)。通過控制氣敏材料微粒大小，顆粒納米化，摻雜其它添加劑或催化劑，利用過濾設(shè)備或透氣膜來獲得選擇性，控制工作溫度及環(huán)境濕度影響，改進(jìn)制備等方法可以改善 SnO2傳感器的氣敏性能。 納米科學(xué) 技術(shù) (Nano— ST)是研究尺寸在 — 100nm 的物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相 互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米技術(shù)的發(fā)展，不僅為傳感器提供了優(yōu)良的敏感材料，而且為傳感器制作提供了許多新型方法。納米固體材料具有龐大的界面，提供了大量氣體通道，從而大大提高了靈敏度，工作溫度大大降低，大大縮小了傳感器的尺寸。當(dāng)然，在己獲得明顯進(jìn)展的納米傳感領(lǐng)域中尚存在很多問題，從敏感材料到制作技術(shù)都很不成熟，其性能也有不盡人意的地方。 8 氣敏傳感器在家用電器中也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。吸油煙機(jī)等產(chǎn)品上常用MQ3 型 半導(dǎo)體氣敏傳感器，它采用旁熱式結(jié)構(gòu)，陶瓷管內(nèi)裝有高阻抗加熱絲，管外涂有梳狀金屬電極，金屬電極之外涂有 SnO2材料，使 SnO2燒結(jié)體位于兩電極之間。氣敏傳感器工作時(shí)，加熱器通電加熱，若無被檢氣體侵入時(shí)，氣敏元件的阻值基本不變當(dāng)氣敏元件表面產(chǎn)生吸附作用，其阻值將隨氣體濃度的變化變化。當(dāng)被檢氣體濃度增大到一定值時(shí)，氣敏元件的阻值將隨之下降到某一值，使電壓比較器的狀態(tài)發(fā)生變化，輸出控制信號(hào)經(jīng)電流放大后，控制繼電器或雙向晶閘管接通電動(dòng)機(jī)電源使吸排油煙機(jī)工作。 設(shè)計(jì)酒精濃度探測儀的意義 本設(shè)計(jì)基于 AT89S51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的酒精氣體濃度探測儀，可用來檢測酒精氣體濃度，最主要的用途是檢測司機(jī)的酒精含量。 酒后駕車發(fā)生事故的機(jī)率高達(dá)27%。隨著攝入酒精量的增加，選擇反應(yīng)錯(cuò)誤率顯著增加，當(dāng)血液中酒精含量由‰ 增至 1‰ ，發(fā)生車禍的可能性便增加 5 倍，如果增至 ‰ ，可能性再增加6倍。 機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T“酒后駕車” 及“醉酒駕車”極易發(fā)生道路交通事故 , 嚴(yán)重危害了道路交通安全和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。人飲酒后 , 酒精通過消化系統(tǒng)被人體吸收 , 經(jīng)過血液循環(huán) , 約有 90%的酒精通過肺部呼氣排出 , 因此測量呼氣中的酒精含量 , 就可判斷其醉 酒程度。開車司機(jī)只要將嘴對著傳感頭使勁吹氣，儀器就能發(fā)上顯示出酒精濃度的高低，從而判斷該司機(jī)是否酒后駕車，避免事故的發(fā)生。當(dāng)然，最好的辦法是在車內(nèi)安裝這種測試儀，司機(jī)一進(jìn)入車內(nèi)檢測儀就檢測司機(jī)的酒精含量，如果超出允許值，系統(tǒng)控制引擎無法啟動(dòng)，這樣就可從根本上解決酒后駕車問題。 酒精氣體濃度探測儀在生產(chǎn)生活中也有重要的應(yīng)用，比如，在一些環(huán)境要求嚴(yán)格的生產(chǎn)車間，用這種酒精濃度探測儀，可隨時(shí)檢測車間內(nèi)的酒精氣體濃度，當(dāng)酒精氣體濃度高于允許限定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒人們及時(shí)通風(fēng)換氣，做到安全生產(chǎn)。 本文主 要研究工作 本文以 AT89S51 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了用于測量酒精濃度的探測儀，主要研究工作包括以下 3個(gè)方面。 (1)硬件電路方面，對氣體傳感器 MQ3 按檢測電路，接上一定阻值的負(fù)載電阻，檢測它的技術(shù)參數(shù)，確定 MQ3所接負(fù)載電阻的大小，完成信號(hào)采樣電路的設(shè)計(jì)；采樣到的模擬電壓電信號(hào)通過 A/D 轉(zhuǎn)換，得到可供單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)作相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理；發(fā)光二極管報(bào)警顯示和 3個(gè)單位 8段共陰數(shù)碼管濃度值顯示。 (2)軟件方面，標(biāo)準(zhǔn)的確定是該部分要做的主要工作。因?yàn)樵嫉牟蓸又凳且粋€(gè)間接的負(fù)載分壓值，需要將它轉(zhuǎn) 化為被測酒精濃度值。通過多個(gè)樣品的測量確定多個(gè)濃度區(qū)間的轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，并將每個(gè)區(qū)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系近似線性化處理，然后通過軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)。 (3)為了盡量減少設(shè)計(jì)的氣體傳感器的測量誤差，在測量酒精溶液樣品時(shí)要考慮并解決 3個(gè)主要問題。一是外界環(huán)境流動(dòng)空氣對傳感器的影響和對氣體樣品的稀釋，二是樣品的穩(wěn)定性對測量帶來的誤差，三是水蒸氣對測量的影響。針對 9 這 3 個(gè)主要問題提出以下解決方案和驗(yàn)證方法。 測量樣品時(shí)，將探頭盡量放入塑料瓶內(nèi)，可以在一定程度上消除流動(dòng)空氣的影響，同時(shí)應(yīng)選擇空氣流動(dòng)較小的室內(nèi)環(huán)境來測量。水蒸氣對 MQ3的影響很小，這一點(diǎn)可以通過對只裝有純凈水的塑料瓶的多次測量來驗(yàn)證。用相同容量的塑料瓶配制好不同濃度的酒精溶液后，將它密封并放置一段時(shí)間，待其穩(wěn)定后再測量。再通過反復(fù)多次測量多組數(shù)據(jù)，求其平均值的方法來縮小測量誤差。 10 2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)開發(fā)流程 (1)可行性調(diào)研?？尚行哉{(diào)研的目的，是分析完成這個(gè)項(xiàng)目的可能性。進(jìn)行這方面的工作，可參考國內(nèi)外有關(guān)資料，看是否有人進(jìn)行過類似的工作。如果有，則可分析他人是如何進(jìn)行這方面工作 的，有什么有點(diǎn)和缺點(diǎn)，有什么值得借鑒的；如果沒有，則需要作進(jìn)一步的調(diào)研，此時(shí)的重點(diǎn)應(yīng)放在能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)環(huán)節(jié)，首先從理論上進(jìn)行分析，探討實(shí)現(xiàn)的可能性，所需求的客觀條件是否具備，然后結(jié)合實(shí)際情況，再?zèng)Q定能否立項(xiàng)的問題。 (2)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。在進(jìn)行可行性調(diào)研后，如果可以立項(xiàng)，下一步工作就是系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。工作的重點(diǎn)應(yīng)放在該項(xiàng)目的技術(shù)難度上，此時(shí)可參考這一方面更詳細(xì)、更具體的資料，根據(jù)系統(tǒng)的不同部分和要實(shí)現(xiàn)的功能，參考國內(nèi)外同類產(chǎn)品的性能，提出合理而可行的技術(shù)指標(biāo)，編寫出設(shè)計(jì)任務(wù)書，從而完成系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 。 (3)設(shè)計(jì)方案細(xì)化，確定軟硬件功能。一旦總體方案確定下來，下一步的工作就是將該項(xiàng)目細(xì)化，即需明確哪些部分用硬件來完成，哪些部分用軟件來完成。由于硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會(huì)相互影響，因此，從簡化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、減少故障率、提高系統(tǒng)的靈活性與通用性方面考慮，提倡軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件來完成；但也應(yīng)考慮軟件代硬件的實(shí)質(zhì)是以降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、增加處理進(jìn)行為代價(jià)的，而且軟件設(shè)計(jì)費(fèi)用、研制周期也將增加，因此系統(tǒng)的軟硬件功能分配應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的要求及實(shí)際情況而合理安排，統(tǒng)一考慮。在確定軟硬件功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者的工作 就開始涉及到具體的問題，如儀器的體積及與具體技術(shù)指標(biāo)相對應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，軟件的總體規(guī)劃等。在確定人員分工、安排工作進(jìn)度、規(guī)定接口參數(shù)后，就比須考慮硬件軟件的具體問題了。 (4)一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)研、總體設(shè)計(jì)、硬件軟件設(shè)計(jì)、制版、元件安裝后，在系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)器中放入編制好的應(yīng)用程序，系統(tǒng)即可運(yùn)行。但一次性成功的幾乎是不是不可能的。由于單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)人工是無法控制的，為了能夠調(diào)試程序，檢查硬件、軟件運(yùn)行情況，這就需要借助某種開發(fā)工具模擬用戶實(shí)際的單片機(jī)，并且能隨時(shí)觀察運(yùn)行的中間過程而不改變運(yùn)行中有的 數(shù)據(jù)性能和結(jié)果，從而進(jìn)行模擬現(xiàn)場的真實(shí)調(diào)試。 硬件系統(tǒng)框圖 基于 AT89S51 單片機(jī)用 MQ3 型氣體傳感器實(shí)現(xiàn)酒精氣體濃度的檢測，需要信號(hào)采集模塊用于對酒精濃度信號(hào)的采集，該信號(hào)是通過 MQ3 氣體傳感器和負(fù)載電壓得到分壓電信號(hào)。信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊用來把采集到得模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換位可以用單片機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。數(shù)碼管顯示模塊是對單片機(jī)處理后的數(shù)字信號(hào)的顯示，用來顯示酒精的濃度。報(bào)警模塊是對設(shè)定值提供報(bào)警功能，該功能用發(fā)光二極管顯示。根據(jù)各功能模塊的設(shè)計(jì)，可得到它的 系統(tǒng)總框圖，如圖 1所示。 11 圖 1 系統(tǒng)總框圖 信號(hào)采集電路 氣體傳感器的選擇 根據(jù)被檢測氣體的不同，氣敏傳感器可分為以下三類 : （ 1）可燃性氣體氣敏傳感器。目前該類氣敏傳感器需求量最大，包含各種無機(jī)和有機(jī)類氣體檢測，主要用于抽油煙機(jī)、泄露報(bào)警器和空氣清新劑等方面，并已經(jīng)形成生產(chǎn)規(guī)模，在油田、礦區(qū)、化工、企業(yè)及家庭等生產(chǎn)和生活領(lǐng)域廣泛用作氣體泄露報(bào)普，特別是用于家庭氣體泄露報(bào)警，需求量不斷增加，使該類傳感器有著廣泛的發(fā)展空間。 （ 2） CO 和 H2氣敏傳感器。 CO 氣敏元件可用于工業(yè)生 產(chǎn)、環(huán)保、汽車、家庭等 CO 泄露和不完全燃燒檢測報(bào)警； H2氣敏元件除應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域外，主要用于家庭管道煤氣泄露報(bào)警。由于我國管道煤氣中 H2 含量很高，而氫敏元件較氧化碳元件價(jià)格低，靈敏度高，因此，用氫敏元件做城市管道煤氣泄露報(bào)警更為適宜。 （ 3）毒性氣體傳感器。毒性氣體傳感器又稱為環(huán)境有毒有害氣體傳感器，主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體，雖然 SnO2氣敏傳感器對 CO， H2S等有毒有害氣體敏感，但應(yīng)用最多的仍是電解式化學(xué)傳感器。 傳感器的分類方式有很多種，以上是根據(jù)被檢測氣體的性質(zhì)進(jìn)行的分類，也有根據(jù) 元件的物理特性進(jìn)行分類的。 一個(gè)新型的氣體檢測系統(tǒng)應(yīng)該包括： 酒精 氣敏傳感器 LM3914 發(fā)光二極管 ADC0809 單片機(jī) 數(shù)碼管 12 （ 1）基于一種或幾種傳感技術(shù)的氣體傳感器。 （ 2）組合了氣體傳感器和采樣調(diào)理電路的探頭。 （ 3）配有人機(jī)接口軟件的中心監(jiān)測和控制系統(tǒng)。 （ 4）在一些應(yīng)用中，與其它安全系統(tǒng)和儀器的接口。 本設(shè)計(jì)中的酒精氣體傳感器采用河南漢威電子有限公司的 MQ3 型 ,它屬于MQ系列氣敏元件的一種。如圖 2所示。 圖 2 MQ3 特點(diǎn) :檢測范圍為 10ppm～ 2020ppm ； 靈敏度高，輸出信號(hào)為伏特級(jí)；響應(yīng)速度快 ， 小于 10秒；功耗 小于 ，尺寸： D17*H10。 MQ3 型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物（二氧化錫）的 N 型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。 MQ3 的 靈敏度特性曲線如 圖 3所示。 圖 3 MQ3靈敏度特性曲線 檢測電路如 圖 4所示， 當(dāng)電源開關(guān) S斷開時(shí)，傳感器加熱電流為零，實(shí)測 A，B之間電阻大于 20MΩ 。 S接通，則 f， f之間電流由開始時(shí) 155mA 降至 153mA 而 13 穩(wěn)定。加熱開始幾秒鐘后 A， B 之間電阻迅速下降至 10KΩ 以下，然后又逐漸上升至 120KΩ 以上后并保持著。此時(shí)如果將酒精溶液樣品靠近 MQ3傳感器，我們立即可以看到數(shù)字萬 用表顯示值馬上由原來大于 120KΩ 降至 10KΩ 以下。移開小瓶過 1 分鐘左右后， A， B 之間電阻恢復(fù)至大于 120KΩ 。這種反應(yīng)可以重復(fù)試驗(yàn)，但要注意使空氣恢復(fù)到潔凈狀態(tài)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)檢測， MQ3 傳感器可以正常工作使用，對不同濃度的酒精溶液有不同的變化，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間都正常，可以開始作信號(hào)采樣模塊電路的設(shè)計(jì)。 圖 4 MQ3檢測電路 信號(hào)采樣電路 信號(hào)的采樣模塊電路如圖 5 所示。 MQ3 的加熱電阻兩端即 H 引腳接至 +5V直流穩(wěn)壓電源，用于電阻絲對敏感體電阻的加熱。 MQ3 的兩個(gè) A 引腳相連，作為敏 感體電阻的一個(gè)電極。 MQ3 的兩個(gè) B 引腳也連接在一起，作為敏感體電阻的另一個(gè)電極。將電極斷 A接到電源正極，電極端 B 接兩個(gè) 270Ω 并聯(lián)的電阻。 MQ3 型氣敏傳感器與電位器串聯(lián)構(gòu)成分壓電路，采樣點(diǎn)為電位器的分壓。MQ3 型氣敏傳感器的敏感部分是由金屬氧化物 SnO2的 N 型半導(dǎo)體微晶燒結(jié)層構(gòu)成。 當(dāng)其表面吸附有被測氣體酒精分子時(shí)，表面導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而其表面電阻會(huì)隨著被測氣體濃度的變化而變化。由于這種變化是可逆的，所以能重復(fù)使用。 當(dāng)氣敏傳感器的敏感體電阻阻值發(fā)生改變時(shí)，對應(yīng)的電位器的分壓值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的 變化，即一個(gè)電壓值對應(yīng)著一個(gè)被測酒精氣體濃度。對酒精氣體濃度的采樣就可以轉(zhuǎn)化為對電位器分壓的采樣。 在采樣硬件電路中實(shí)際要考慮到 MQ3的實(shí)際技術(shù)參數(shù)，即加熱電阻和敏感體電阻的大小，該部分應(yīng)與電源正極相連。負(fù)載電阻要根據(jù) MQ3實(shí)際的技術(shù)參數(shù)而選擇阻值合適的電阻。應(yīng)為實(shí)驗(yàn)所用的 MQ3 在預(yù)熱 5 到 10 分鐘后，它的敏感體電阻只有 120KΩ ，所以負(fù)載電阻選用兩個(gè) 270Ω 并聯(lián)，構(gòu)成采樣部分的分壓電阻。 14 圖 5 采樣模塊 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 單片微機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的譯名簡稱，在國內(nèi)也常稱為“單片微機(jī)”或“ 單片機(jī)”。它包括中央處理器 CPU，隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM，只讀存儲(chǔ)器 ROM，中斷系統(tǒng)，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，串行口和 I/O 口等等。現(xiàn)在，單片微機(jī)已不僅指單