【正文】 擇 氣體傳感器又叫氣敏傳感器，主要用來監(jiān)測氣體的特定成分。 氣體傳感器通常以氣敏特性來分類，主要可分為 : (1)半導(dǎo)式方式 : 包括氧化系、氣敏二極管系、氣敏 MOSFET 系。若氣體接觸到加熱的金屬，氧化物電阻值就會增大或者減少，其靈敏度高，構(gòu)造電路簡單，但輸出與氣體濃度不成比例。 (2)固體電解質(zhì) : 其利用鉑等金屬材料對氫吸附敏感使功函數(shù)改變原理制成，器特點(diǎn)是其他選擇性好但不能重復(fù)使用。 (3)接觸燃燒式 : 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 6 其原理是化學(xué)溶劑與氣體反應(yīng)產(chǎn)生使電導(dǎo)率發(fā)生變化。其特點(diǎn)是屬于氣體濃度成比例， 但靈敏度較低。 (4)其他類型 : 包括光干涉式、熱傳導(dǎo)方式、紅外線吸收式。 要進(jìn)行 — 個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，而 這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)?，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題 :量程的大?。槐粶y位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，還是自行研制，價格能否承受。在考慮上述問題之后就能大致確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。最 后，我們決定 采用 MQ4瓦斯氣體傳感器。 MQ4 氣敏元件由微型 AL2O3 陶瓷管 、 SnO2 敏感層 ,測量電極和加熱器 構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。封裝好的氣敏元件有 6 只針狀管腳，其中 4 個用于信號取出， 2 個用于提供加熱電流。 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 7 結(jié)構(gòu) 外形 圖 MQ4 的結(jié)構(gòu)和外形 單片機(jī)型號的選擇 由于系統(tǒng)控制方案簡單，數(shù)據(jù)也不大，銀次選用 8031 作為控制系統(tǒng)的核心，外擴(kuò) EPROM2716 作為程序存儲器 。 8031 單片機(jī)的特點(diǎn) （ 1）主電源引腳 Vss 和 Vcc① Vss 接地② Vcc 正常操作時為 +5 伏電源 （ 2）外接晶振引腳 XTAL1 和 XTAL2 ① XTAL1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接地。 ② XTAL2 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 （ 3）控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST/VPD， ALE/ ， 和 /Vpp① RST/VPD 當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平（由 低到高跳變），將使單片機(jī)復(fù)位在 Vcc 掉電期間，此引腳可接上備用電源，由 VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 中的數(shù)據(jù)。② ALE/ 正常操作時為 ALE 功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE 引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的 ）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖， ALE 端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個 LSTTL 電路。 對于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳接收編程脈沖 （ 功能）③ 外部程序存儲器讀選通信號輸出河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 8 端，在從外部程序存儲取指令（或數(shù)據(jù)）期間， 在每個機(jī)器周期內(nèi)兩次有效。 同樣可以驅(qū)動八 LSTTL 輸入。 圖 8031 引腳圖 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 9 3 具體實(shí)施方案 本章將介紹基于甲烷氣體傳感器的氣體監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)原理框圖，及其整體協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)的功能；系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)及其主要功能模塊等內(nèi)容。 系統(tǒng)原理框圖 基于氣體傳感器的甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)主要由氣體傳感器、單片機(jī)、數(shù)據(jù)存儲器以及 LED 顯示器以及無線傳感器等部分組成，其原理框圖如圖 所示。采用單片機(jī)8031 構(gòu)成煤礦氣體監(jiān)測系統(tǒng)的核 心部分，根據(jù)氣體傳感器及測量的信號，實(shí)現(xiàn)對 CH4的成分識別和濃度測量；通過 4只 8段 LED 數(shù)碼管顯示氣體濃度。 A T 8 9 S 5 2電 源 電 路氣 體 傳 感 器 A / DL E D 驅(qū) 動 L E D 顯 示時 鐘 模 塊聲 光 報 警無 線 傳 感 器 計(jì) 算 機(jī)D a t e F l a s h按 鍵 面 板 圖 系統(tǒng)硬件原理框圖 8031 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 10 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖見附錄，下面介紹其主要組成部分以及它們實(shí)現(xiàn)的功能。 系統(tǒng)電源 該系統(tǒng)電源電路圖如圖 所示，外部輸入電源采用的是 12V/3A 的直流電源。C2， C4 的作用是對 LM317 電壓調(diào)節(jié)端 (ADJ)的電壓進(jìn)行濾波，以提高輸出電壓的穩(wěn)定性； Dl、 D2 起保護(hù)作用，當(dāng)有意外情況 使得 LM317 的 Vin 電壓比 Vout 電壓還低的時候，防止從 C3， C4 上有電流倒灌入 LM317 引起其損壞。整個系統(tǒng)用電可以劃分為兩部分 :VCC 是 LED 顯示器模塊及 A/D 轉(zhuǎn)換參考電源模塊輸入需要的 工作電壓；VCC1 是單片機(jī)、看門狗電路、氣體傳感器加熱等需要 5V 的下作電壓。 電源部分的核心器件是二端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器 LM317。 LM317 是美國國家半公司的三端一可調(diào)整流穩(wěn)壓器集成電路，輸出電壓范圍是 至 37v，負(fù)載電流最人為 。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓，此外線性 調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。內(nèi)置過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路。輸出引腳 3 與調(diào)節(jié)引腳 1 之間保持 的參考電壓 Vref，并且引腳 3 為正端。當(dāng)調(diào)節(jié)端接地時，輸出端輸出 。由 Vin 端提供工作電壓以后，便可以保持\/out 端 (3 腳 )比 ADJ 端 (1 腳 )的電壓高 。因此，只需要用極小的電流來調(diào)整 A川端的電壓，便可在 Vout 端得到比較大的輸出電流，并且輸出電壓比 ADJ 立品電壓高出恒定的 。 LM317 的輸出電壓二 (I+ADJ 端到地的電阻 /ADJ 端到 Vout 端的電阻 )。通過調(diào)整接入 ADJ 端和 Vout 端電阻的比值，來改變輸出電壓。值得注意的是， LM317 有河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 11 一個最小負(fù)載電流的問題，即只有負(fù)載電流超過某一值時，才能起到穩(wěn)壓作用。這個電流隨器件的生產(chǎn)廠家而有所差異，一般在 3— 8mA 不等，可以通過在負(fù)載端接一個合適的電陰來解決。依據(jù) LM317 的輸出電壓計(jì)算公式，可以得到圖 中 LM1 的輸出 : VCC=Vref(1+R1\R2) 其中 :Vref= R1=1000Ω ,R2=10Ω . 數(shù)據(jù)代入上式得 :VCC=。 另外 LM2的輸出 : VCC1=Vref(1+R3\R4) 其中 :Vref=， R3=460Ω ， R4=150Ω 。數(shù)據(jù)代入公式得到 :VCC1=. 圖 系統(tǒng)電源電路 氣體傳感器 1. 測試電路 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 12 我們設(shè)計(jì)的 MQ4瓦斯傳感器電路如圖 所示，其中可調(diào)節(jié)電阻 R5是用來調(diào)整傳感器的靈敏度的。 LE11OE1D718D617D514D413D38D27D14D03Q719Q616Q515Q412Q39Q26Q15Q02U27 4 L S 3 7 3V P P21OE20CE18A 1 019A922A823A71A62A53A44A35A26A17D717D616D515D414D313D211D110D09A08U32 7 1 6V C C2 1 M S B212 2202 3192 4182 582 6152 7142 8 L S B17E O C7A D D A25A D D B24A D D C23A L E22EA9S T A RT6CL O C K10IN 026IN 127IN 228IN 31IN 42IN 53IN 64RE F ()16RE F (+ )12IN 75U5A D C 0 8 0 9V C C3124A1M Q 4V C C2 0 kR E S V A R Y321Q1N P N1 2L E D 1L E D12B U Z 1B U Z ZV IN2A D J1V O N T3C 2 2L M 3 1 7C31 0 4R2R E SR81 5 0+E C 41 6 V 2 2 u+E C 31 6 V 2 2 uV S SV C C 1T e x t 圖 MQ4 瓦斯傳感器電路 2. 靈敏度調(diào)節(jié) 在對 MQ4 的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)之前首先要就要了解其靈敏度特性。具體的靈敏度特性見表 。 表 MQ4 的靈敏度特性 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 10 ?K — 60 ?K (5000ppmCH4) 適用范圍 : 300— 10000ppm 甲烷，天然氣 а (1000ppm/5000ppmCH4) 濃度斜率 ≤ 河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 13 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度 :20℃177。 2℃ Vc:177。 相 對 濕 度 :65% 177。 5% Vh:177。 預(yù)熱時間 不少于 24小時 圖 MQ4型氣敏元件的靈敏度特性 其中 :溫度為 20℃ 、相對濕度為 65%、氧氣濃度為 21% RL=20kΩ Rs是指元件在不同氣體，不同濃度下的電阻值。 R0是指元件在潔凈空氣中的電阻值。 由上可得 MQ4型氣敏元件對不同種類，不同濃度的氣體有不同的電阻值。因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的。在這里我們 用 5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。其校準(zhǔn)過程如下 : 在測試條件下對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時，我們進(jìn)行硬件部分電路的調(diào)試。在調(diào)節(jié)確定MQ4的可調(diào)負(fù)載電阻值時，以空氣中甲烷濃度值為 5000ppm時作為校準(zhǔn)，此時觀察顯河北理工大學(xué) 綜合課程設(shè)計(jì)說明書 參考文獻(xiàn) 14 示部分電路，又因?yàn)橐箫@示的瓦斯?jié)舛染纫髢?yōu)于 5%，即準(zhǔn)確顯示的范圍為5000ppm(1? 5%)也就是 4750ppm～ 5250ppm的范圍內(nèi)，若不在該范圍內(nèi)則說明甲烷傳感器的靈敏度不夠高，需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。而靈敏度的調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)負(fù)載電阻 RL來實(shí)現(xiàn)的。我們調(diào)節(jié) RL使顯示的瓦斯?jié)舛戎当M可能與實(shí)際相符合。這樣確定下來的 RL的阻值，換言之傳感器的靈敏度也就確定下來了，此時我們已經(jīng)完成了甲烷傳感器的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)后的傳感器就可以用來監(jiān)測實(shí)際中各個不同的瓦斯?jié)舛攘恕? A/D 轉(zhuǎn)換器芯片 ADC0809 的原理及應(yīng)用 1. ADC0809 的邏輯結(jié)構(gòu) ADC0809 是 8位逐次逼近型 A/D轉(zhuǎn)換器。它由一個 8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存譯碼器、一個 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成 (見圖 )。多路開關(guān)可選通 8個模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng) OE 端為高電平時，才可以