【正文】 /D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在液晶顯示器上顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)雖然簡單，但是存在著嚴(yán)重的問題。采用單個傳感器檢測煙霧濃度是不合適的。氣體傳感器所測量的值經(jīng)常會發(fā)生變化。在一段短時(shí)間內(nèi)可能很穩(wěn)定，而在一段較長時(shí)間內(nèi)則可能有緩慢起伏，或呈周期性的脈動變化，甚至出現(xiàn)突變的尖峰。氣體傳感器主要通過兩個基本特性靜態(tài)特性和動態(tài)特性來反映傳感器的這種變動性。靜態(tài)特性通常反映在靈敏度上。所謂的靈敏度，是指在靜態(tài)工作條件下，其單位輸入所產(chǎn)生的輸出，用S表示。如式（1）： （1）動態(tài)特性是煙霧傳感器的特有問題，反映煙霧傳感器對隨時(shí)間變化的輸入響應(yīng)特性。動態(tài)特性好的煙霧傳感器，其輸出特性曲線隨時(shí)間變化很小。動態(tài)特性的輸入與輸出關(guān)系不是一個常數(shù)，而是時(shí)間的函數(shù)，隨時(shí)間的變化而變化，因此常用傳遞函數(shù)表征。如式（2）： （2）此可見，煙霧傳感器的輸入和輸出關(guān)系并非簡單的線性或曲線關(guān)系，要對煙霧傳感器建立一個準(zhǔn)確的溫度修正數(shù)學(xué)模型是很困難的。通常應(yīng)用時(shí)，都忽略煙霧傳感器的動態(tài)特性，根據(jù)其靜態(tài)溫度響應(yīng)靈敏度，采取一定的措施對其進(jìn)行補(bǔ)償。如通過溫度傳感器測出環(huán)境的溫度，對煙霧傳感器的輸出特性曲線進(jìn)行修正；或者直接對傳感器進(jìn)行硬件補(bǔ)償。煙霧傳感器特性總是會受到環(huán)境溫度、濕度的影響而變化，煙霧報(bào)警器要能夠有效實(shí)現(xiàn)對環(huán)境氣氛的監(jiān)控，有效避免誤報(bào)、漏報(bào)，提高測量的準(zhǔn)確性，必須對煙霧傳感器進(jìn)行有效的溫、濕度補(bǔ)償和修正。本設(shè)計(jì)主要考慮如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器的溫度補(bǔ)償。傳統(tǒng)補(bǔ)償方式一般有硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償兩種。所謂硬件補(bǔ)償是指直接使用溫度傳感器在電路中對氣體傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，這種方式雖然簡單，但只有在溫度傳感器和氣體傳感器的溫度特性一致時(shí)，才能很好地補(bǔ)償；很難實(shí)現(xiàn)寬范圍的氣體傳感器和溫度傳感器的特性匹配。軟件補(bǔ)償方式通過傳感器的溫度特性曲線擬合進(jìn)行算法補(bǔ)償，這種方式是以一定的特性曲線作為基礎(chǔ)，對不同的工作環(huán)境和不同傳感器的溫度特性，用算法處理和查表修正以得到不同的補(bǔ)償效果。該方式較為復(fù)雜，對特性離散的傳感器，擬合效果差。為了解決這個問題，提出采用雙傳感器補(bǔ)償方式，具體來說就是選用兩個特性一致（實(shí)際上只能做到非常接近）的氣體傳感器來實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，把其中一個氣體傳感器A密封代替溫度傳感器，對另一氣體傳感器B進(jìn)行補(bǔ)償。這樣的補(bǔ)償方式，不僅能較好地?cái)M合氣體傳感器的靜態(tài)溫度特性，而且對傳感器的動態(tài)溫度響應(yīng)也能同步實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。由于方案一傳感器測量精度不高，所以不予采納。采用普通雙傳感器，采用相互補(bǔ)償?shù)姆椒z測房間氣體濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲音報(bào)警以及將氣體傳感器檢測到的濃度值在顯示器顯示出來。分析：此設(shè)計(jì)方法雖然解決了傳感器檢測氣體濃度時(shí)溫度和濕度對測量值的影響，但是，在實(shí)際制作的過程中，需要利用的核心控制芯片必須最少具有4路8位A/D口，氣體和溫度敏感信號直接由A/D口采集后，進(jìn)行一定的算法修正和軟件補(bǔ)償。由于本課題要求采用四路巡回檢測，如果采用本方案那么就需要8個特性相同的半導(dǎo)體氣體傳感器（4個密封檢測氣體濃度，另外4個做補(bǔ)償），為了達(dá)到更好的溫度修正效果，往往需要傳感器廠家的配合，在生產(chǎn)時(shí)對傳感器進(jìn)行成對生產(chǎn)，以保證傳感器特性的一致性。并且主控制芯片采用常規(guī)的ADC0809和單片機(jī)并不支持，且制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高。單單采用此種方法并不能更好的提高測量性能，還需要加以軟件補(bǔ)償。由于采用此方案制作硬件極其復(fù)雜，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)體積過大、功耗高、成本太高，所以不予采納。采用高性能半導(dǎo)體氣體傳感器，采用三路傳感器檢測不同地方的煙霧濃度，將檢測的到濃度信號送入A/D芯片中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用AT89S51單片機(jī)控制聲光報(bào)警，并且將氣體傳感器檢測到的濃度值在LCD顯示器上顯示出來，并且實(shí)現(xiàn)串口通信。分析：選用此方法設(shè)計(jì)電路不僅解決了溫度、濕度的影響，并且簡化了設(shè)計(jì)電路，降低了成本，采用此種方法設(shè)計(jì)主體電路。具體電路設(shè)計(jì)將在下文中給出。在下節(jié)將具體介紹煙霧傳感器的選型問題現(xiàn)今半導(dǎo)體氣體傳感器技術(shù)的不斷提高，使得在應(yīng)用此類傳感器時(shí)不必采用溫度、濕度補(bǔ)償，極大的簡化了電路和降低了成本。鑒于對以上三個方案的對比分析，方案三最符合設(shè)計(jì)要求，所以我選擇使用方案三來設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體電路。 煙霧傳感器的選型 煙霧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(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。傳感器作為煙霧檢測報(bào)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，傳感器的選型是非常重要的。 (1)煙霧傳感器的分類[２]： 煙霧傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： (a)利用物理化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如半導(dǎo)體煙霧傳感器、接觸燃 燒煙霧傳感器等。 (b)利用物理性質(zhì)的煙霧傳感器：如熱導(dǎo)煙霧傳感器、光干涉煙霧傳 感器、紅外傳感器等。 (c)利用電化學(xué)性質(zhì)的煙霧傳感器：如電流型煙霧傳感器、電勢型氣 體傳感器等。 (2) 煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件：一個煙霧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(shí)體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的煙霧傳感器都必須具備以下條件： (a)能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng)； (b)對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度；(c)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；(d)長期工作穩(wěn)定性好； (e)使用壽命長； (f)制造成本低，使用與維護(hù)方便。 (3)常見煙霧傳感器簡介：下面對工業(yè)上常用的幾種煙霧傳感器作簡單介紹。 (a) 半導(dǎo)體煙霧傳感器半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器。自1962年半導(dǎo)體金屬氧化物煙霧傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的煙霧傳感器之一。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。 (b)固體電解質(zhì)煙霧傳感器 固體電解質(zhì)煙霧傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過煙霧時(shí)產(chǎn)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(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣 泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體煙霧傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測煙霧范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (c)接觸燃燒式傳感器 當(dāng)易燃煙霧接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式煙霧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(shí)將鉑絲通電，保持300176。C~400176。C的高溫，此時(shí)若與煙霧接觸，煙霧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，就知道煙霧的濃度。 (d)高分子煙霧傳感器 利用高分子氣敏材料制作的煙霧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煙霧時(shí)，其電阻、介電常數(shù)、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(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性煙霧和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子煙霧傳感器具有對特定煙霧分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它煙霧傳感器的不足。 (e)電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。煙霧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(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性煙霧檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 (f)熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)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(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)煙霧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(biāo)煙霧熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的煙霧或汽化物，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。 (g)紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行煙霧測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)煙霧，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考煙霧。在測量和比較元件中，紅外射線被煙霧有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比于目標(biāo)煙霧濃度的差分信號。非擴(kuò)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(kuò)散和損耗被記錄下來。 不同的煙霧吸收不同波長的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)煙霧而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量CO和CO冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻Ｓ捎诜翘細(xì)浠衔镆兹紵熿F(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?xì)浠衔?，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它煙霧的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 (4)常見煙霧傳感器可檢測煙霧種類[３]：由于煙霧的種類繁多，一種類型的煙霧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(zhì)的煙霧。例如氧化物半導(dǎo)體煙霧傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如CO、HC2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)煙霧傳感器主要用于檢測無機(jī)煙霧，如OCOHClSO2等。下表簡要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類煙霧傳感器及其可檢測的氣體種類[5]。傳感器種類C0CO2 H2S NH3 HCNHCICOCI2CI2 NOX SO2O2CH4C3H2H2H2O半導(dǎo)體氣體傳感器○○○○○○○○○○固體電解質(zhì)傳感器○○○○○接觸燃燒式傳感器◎○○○電化學(xué)式傳感器○○○○○○○○高分子電解質(zhì)氣體傳感器◎○○○○ 注：○好 ◎不太好煙霧檢測報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、變電站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報(bào)警器檢測煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)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(fù)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(dǎo)致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(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧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)[4]。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ2型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，還有足夠的耐高溫，耐高濕的特性。下面介紹MQ2型煙霧傳感器的技術(shù)資料。 MQ2型煙霧傳感器的相關(guān)介紹MQ2/MQ2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ2/MQ2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。靈敏性圖22是傳感器典型的靈敏度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值，Ro 表示傳感器在1000ppm 氫氣中的電阻值，圖中所有測試都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。溫濕度的影響圖23是傳感器典型的溫度、濕度特性曲線。圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm 丙烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值，Ro表示在含1000ppm 丙烷、20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值。結(jié)構(gòu)外形MQ2/MQ2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖4所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型Al203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。圖22 M