【正文】 ，將氣體信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從煤氣檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值(也就是報警限)，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入燈光報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。氣敏傳感器及單片機是煤氣泄漏報警器的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經濟的氣敏傳感器及單片機芯片是至關重要的。 氣體傳感器的選型氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量(即濃度)轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路，將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作。氣體傳感器作為煤氣泄漏報警器的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。氣體傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類：(1)利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。(2)利用物理性質的氣體傳感器：如熱導氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。(3)利用電化學性質的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢型氣體傳感器等。 :一個氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的氣體傳感器都必須具備以下條件： (1)能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其它氣體不響應或低響應； (2)對被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內的氣體濃度； (3)對檢測信號響應速度快，重復性好； (4)長期工作穩(wěn)定性好； (5)使用壽命長； (6)制造成本低，使用與維護方便。（1）半導體氣體傳感器半導體氣體傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器，以及用單晶半導體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應用。該傳感器己成為世界上產量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。（2）固體電解質氣體傳感器固體電解質氣體傳感器使用固體電解質氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過氣體時產生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域，其產量僅次于半導體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。（3）接觸燃燒式氣體傳感器當易燃氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時將鉑絲通電，保持300176。C~400176。C的高溫，此時若與氣體接觸，氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升,通過測量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。（4）高分子氣體傳感器利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它氣體傳感器的不足。（5）電化學傳感器電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性氣體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。（6）熱傳導傳感器熱傳導傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導率的函數，而對于一種給定的氣體，熱傳導率是它固有的物理特性。（7）紅外傳感器紅外傳感器通常用兩束紅外光進行氣體測量，主光束通過測量元件內的目標氣體，參考光束通過比較元件內的參考氣體。在測量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產生一個正比于目標氣體濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。不同的氣體吸收不同波長的IR，所以傳感器根據目標氣體而調整，典型應用包括測量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易然氣。由于非碳氫化合物易燃氣體(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質的氣體。例如氧化物半導體氣體傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。固體電解質氣體傳感器主要用于檢測無機氣體，如OCOHClSO2等。天煤氣泄漏報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃氣體泄漏的場所，根據報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏傳感器。使用接觸燃燒式氣敏傳感器，其探頭的阻緩及中毒,是不可避免的問題。阻緩是當在氣體與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質時，則傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。半導體氣敏傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的氣體傳感器以及用單晶半導體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。經過對比上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發(fā)現半導體氣敏傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣敏傳感器中，本設計選用MQ2型氣敏傳感器，這種型號的傳感器具備一般半導體氣敏傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 煤氣泄露報警系統的整體設計方案本論文中的煤氣泄漏報警器以STC12C5A60S2單片機為控制核心，采用MQ2型電阻式半導體傳感器采集氣體信息。首先，氣體傳感器送來的氣體濃度對應的電壓信號送入STC12C5A60S2單片機；然后，在STC12C5A60S2單片機內A/D轉換、氣體濃度比較，對數據進行線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報警限，當氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會閃亮，當氣體濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈亮。另外由于氣體傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證氣體傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向氣體傳感器持續(xù)輸出一個5V的電壓。為適應家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設計的可燃性氣體報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可煤氣體濃度、可接計算機進行現場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。系統使用STC12C5A60S2單片機，選用氣敏傳感器作為敏感元件，顯示電路，及報警裝置開發(fā)了可用于家庭或小型單位天煤氣泄漏報警器。整個設計由3大部分構成：氣敏傳感器、STC12C5A60S2單片機、顯示電路。氣敏傳感器是將現場氣體濃度非電信號轉化為電信號；轉換電路是將完成將氣體傳感器輸出的模擬信號到數字信號的轉換。 裝置功能說明煤氣泄漏檢測裝置，顧名思義是用來檢測煤氣泄漏，使煤氣使用更加安全。在使用此裝置前，首先設置好報警的氣體濃度值，設置濃度可調，將裝置放置在煤氣容易泄漏的區(qū)域，當煤氣或者其他煤氣泄漏的時候，空氣中氣體濃度超過設定值時，裝置會發(fā)出燈光及聲音的報警。圖2. 1成品效果圖3 煤氣泄漏檢測報警裝置的硬件部分設計硬件電路形象的說就是整個裝置的框架，硬件電路的設計，直接影響裝置功能能否實現。硬件電路的設計首先必須了解各原件的性能指標，工作原理，以及整體的電路連接。本章主要介紹一些單片機最小系統，顯示電路，傳感器電路 STC12C5A60S2系列單片機簡介STC12C5A60S2/AD/PWM 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快812倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換(250K/S.，即25萬次每秒)，針對電機控制，強干擾場合。1. 增強型 8051 CPU，1T，單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統80512. 工作電壓：STC12C5A60S2 系列工作電壓： （5V單片機）STC12LE5A60S2 系列工作電壓： （3V單片機）3. 工作頻率范圍：0～35MHz，相當于普通8051的 0～420MHz4. 用戶應用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K 字節(jié)......5. 片上集成1280字節(jié)RAM6. 通用I/O口（36/40/44個），復位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅動能力均可達20mA，但整個芯片最大不超過120mA。7. ISP（在系統可編程）/ IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器可通過串口（）直接下載用戶程序，數秒即可完成一片8. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內部EEPROM)9. 看門狗（外部晶體12M以下時，復位腳可直接1K電阻到地）11. 外部掉電檢測電路: ，誤差為177。5%, ，誤差為177。3%12. 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器(溫漂為177。5% 到177。10% 以內)用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C 振蕩器還是外部晶體/ 時鐘常溫下內部R/C 振蕩器頻率為： 單片機為：11MHz ～ 單片機為：8MHz ～12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準13. 共4個16位定時器兩個與傳統8051兼容的定時器/計數器,16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實現2個16位定時器14. 3個時鐘輸出口，,15. 外部中斷I/O口7路,傳統的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷,并新增支持上升沿中斷的PCA模塊，Power Down模式可由外部中斷喚醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(), CCP1/()16. PWM(2路）/ PCA（可編程計數器陣列,2路） 也可用來當2路D/A使用 也可用來再實現2個定時器 也可用來再實現2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)17. A/D轉換, 10位精度ADC，共8路，轉換速度可達250K/S(每秒鐘25萬次)18. 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時器或PCA軟件實現多串口19. STC12C5A60S2系列有雙串口，后綴有S2標志的才有雙串口，RxD2/()，TxD2/()20. 工作溫度范圍：40 ~ +85℃(工業(yè)級) / 0 ~ 75℃(商業(yè)級)：LQFP48, LQFP44, PDIP40, PLCC44, QFN40I/O口不夠時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯）來擴展I/O口,還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU,三線通信，還多了串口。 STC12C5A60S2系列單片機的內部結構STC12C5A60S2系列單片機的內部結構框圖如下圖所示。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數據存儲器(SRAM)、定時/計數器、UART串口、串口I/O接口、高速A/D轉換、SPI接口、PCA、看門狗及片內R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2系列單片機幾乎包含了數據采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上系統。 管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每