【正文】 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。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳 導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。它主要適用于毒性氣體檢測。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(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補(bǔ)其它氣體傳感器的不足。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(shí)將鉑絲通電，保持 300℃ ～ 400℃的高溫，此時(shí)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。 （ 2）固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體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氣體時(shí)產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。 該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。 圖 硬件設(shè)計(jì)框圖 氣體傳感器的選型 氣體傳感器介紹 氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件 :一個(gè)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(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。為了實(shí)現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器及其適配電路模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊、單片機(jī)控制模塊、 LCD 液晶顯示模塊、聲光報(bào)警單元、存儲模塊，供電模塊這幾部分。完成以下內(nèi)容 ： (1)研究天然氣氣體傳感器的基本工作原理，并選擇一個(gè)可供設(shè)計(jì)的具體型號，給出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)； (2)設(shè)計(jì)與所選傳感器匹配的放大、采集、存儲電路，要求確定具體的放大倍 數(shù)、采樣速率、采樣時(shí)間、進(jìn)而確定采樣容量； (3)設(shè)計(jì)報(bào)警電路并控制顯示天然氣氣體濃度； (4)繪制測試系統(tǒng)原理圖和 PCB 圖。而且隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，電阻型氣敏傳感器的工作穩(wěn)定性也相對提高，成本也在不斷的下降 [2]。技術(shù)的發(fā)展，集成度的提高，使得單片微型機(jī)在 社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大、越來越多的作用。未來一段時(shí)間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價(jià)格優(yōu)勢仍會占據(jù)部分低端市場。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，其 設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品體積小、成本低、運(yùn)用靈活、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠工作。 一方面人類對各種有毒有害氣體的承受能力是有限的 ，另一方面易燃易爆氣體超過一定濃度，就可能引起火災(zāi)或爆炸，造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 共 46 頁 1 引言 研究背景及意義 隨著工業(yè)化的發(fā)展，我們的生活及環(huán)境的污染迅速增加，環(huán)境中存在著各種有毒有害、易燃易爆氣體，從家用液化石油氣、城市煤氣以及天然氣到工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響我們的生存。但是人的感官缺乏對各種有害氣體的感知，特別是對有害氣體濃度定量的判斷能力，因而研制能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器系統(tǒng)就變得尤為必要。 基于此， 本論文擬設(shè)計(jì)一種便攜式的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)，用于監(jiān)測空氣中天燃?xì)鈿怏w的濃度，并且能將氣體的濃度顯示在液晶上，當(dāng)空氣中的可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到一定的警界值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，從而能夠保障人們自身和生產(chǎn)與生活的安全。目前國內(nèi)用于燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測的也主要是這兩種氣體傳感器 [1]?，F(xiàn)在的社會是數(shù)字化的社會，是信息的時(shí)代。 這兩項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為氣體檢測系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的平臺。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 共 46 頁 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)具有數(shù)據(jù)采集、存儲和報(bào)警功能系統(tǒng)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 系統(tǒng)工程流程：氣體 信號檢測電路由 氣敏 傳感器和信號調(diào)理電路組成，將 氣體 信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。但是，任何一 個(gè) 完整的氣體傳感器都必須具備以下條件 [3]： 被測環(huán)境 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 單 片 機(jī) 電 路 顯示電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 氣敏傳感器 及其適配電路 報(bào)警電路 存儲模塊 供電電路 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 46 頁 (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(yīng)或 低響應(yīng)； (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(nèi)的氣體濃度； (3)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)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(hù)方便。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。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(gè)領(lǐng)域，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。 （ 4） 高分子氣體傳感器 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 46 頁 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。 （ 5）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。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 （ 7）紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進(jìn)行氣體測量，主光束通過測量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。 不同的氣體吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(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)?。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機(jī)氣體，如 OCO H Cl SO2等。阻緩是當(dāng)在氣體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。 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。 經(jīng)過對比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 8 頁 共 46 頁 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 傳感器及其適配電路 MQ4 傳感器介紹 [5] MQ4 氣體傳感器特點(diǎn)： ? 在較寬 的濃度范圍內(nèi)對甲烷，天然氣有很高的靈敏度； ? 對乙醇，煙霧的靈敏度很低； ? 快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； ? 長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性，成本低廉； ? 簡單的驅(qū)動電路。 表 MQ4傳感器標(biāo)準(zhǔn)工作條件 表 MQ4傳感器環(huán)境條件 表 MQ4傳感器靈敏度特性 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 15V ACorDC VH 加熱電壓 177。 V 相對濕度： 65%177。傳統(tǒng)測量電路如圖 所示。 圖 MQ4型元件的溫濕度特性 圖 MQ4型氣敏元件的溫濕度特性，其中 Ro： 20℃ ， 33%RH條件下， 1000ppm甲烷中元件電阻； Rs：不同溫度，濕度下， 1000ppm 甲烷中元件電阻。 傳感器連接電路 在本系 統(tǒng)中，我們采用的是 MQ4電阻型甲烷氣體傳感器，當(dāng)含有甲烷的氣體被 MQ4氣體傳感器表面吸附時(shí)，傳感器的電阻值將發(fā)生變化，隨著氣體濃度的增大，傳感器的電阻值降得越低。 圖 傳感器橋式連接示意圖 用兩個(gè) MQ4以及兩個(gè) Rc=60KΩ的溫度補(bǔ)償電阻構(gòu)成橋路進(jìn)行測試，氣體傳感器的敏感電阻變化范圍為 10KΩ 60KΩ，橋式電路的輸出計(jì)算公式為 RbR xgRxRc ViR xgVo ????? ?? 2* （ ） △ Rxg傳感器敏感電阻的變化值； △ Rb受溫度影響電阻的變化值； Rx氣敏傳感器的敏感膜電阻值。 AD623 通過提供極好的隨增益增大而增大的交流共模抑制比 (ac cmrr)而保持最小的誤差 ， 線 路噪聲及諧波將由于共模抑制比在高達(dá) 200hz 時(shí)仍保持恒定而受到抑制 。低功耗 (3v 時(shí) ) 、 寬電源電壓范圍、滿電源幅度輸出。差分輸出為 VcRgKV ]1001[0 ??? （ ） 然后差分電壓通過輸出放大器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味穗妷?。 V～ 177。不同方式的接線圖如圖 （ a， b)所示 [8]。 其與橋式電路輸出的連接如下圖所示。AT89C2051 是一種帶 2K字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲器 的單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)為很多 嵌入式控制系統(tǒng) 提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位 [9]。單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號由兩種產(chǎn)生方式，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。在本系統(tǒng) 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 46 頁 中選擇的是 12MHz。 復(fù)位操作有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種方式。 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 單片機(jī)控制電路連接 系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制 ,選用 AT89C51 單片機(jī) .該單片機(jī)為 ATMEL 公司的產(chǎn)品 ,其指令系統(tǒng)完全與 8031/8051 兼容 ,內(nèi)帶 4K 字節(jié)的內(nèi)存和程序保護(hù)系統(tǒng) ,便于程序的調(diào)試修改和保密 ,在本設(shè)計(jì)中各管腳的功能如下 : 1)P0 口的功能 :P0 口與 LCD1602 的雙向數(shù)據(jù)端相連，傳輸命令及數(shù)據(jù)。 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 芯片介紹 由傳感器采集回來的模擬信號需要轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識別的數(shù)字信號才能進(jìn)行分析處理，所以需要 A/D 轉(zhuǎn)換電路。其又可分為逐次逼近型、跟蹤比較型、并行比較型、串行比較型。開始時(shí)，寄存器各位清零，轉(zhuǎn)換時(shí)，先將最高位置 1，把數(shù)據(jù)送入 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果與輸入的模擬量比較，如果轉(zhuǎn)換的模擬量比輸入的 模擬量小，則