【正文】 方法上可分為便攜式、袖珍式和固定式 3 類 [15]。用該方法測定氣體濃度時，必須考慮到氣體的溫度、壓力、含量、換算結(jié)果，以及光在該氣體中的折射率等問題。針對不同的研究目的，示蹤氣體法可以應(yīng)用在不同的研究領(lǐng)域。示蹤氣體檢測法是向被測空間中 注入一定量的示蹤氣體，如 CO2 等，通風(fēng)（包括自然通風(fēng)）后使示蹤氣體的濃度得到稀釋，通過測出示蹤氣體濃度的變化，間接地求出通風(fēng)量和空氣齡 [13]。該檢測方法以載體型氣敏元件作為濃度的傳感器，該元件由鉑絲 上燒結(jié)一層陶瓷載體后，再涂覆催化活性物（ Ph、 Pd 等）構(gòu)成。在氣體濃度檢測中占有很重要的地位，但在測量中必須合理地選擇色譜柱及載氣流速等參數(shù)，只只 4 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 有進(jìn)行多次重復(fù)試驗后方能獲得理想的測量效果。 （ 3）氣相色譜法測量氣體濃度。超聲技術(shù)就是利用了這種關(guān)系，通過測量超聲波在氣體中的傳播速度 V 以及當(dāng)前氣體 溫度 T，推算出該氣體的大概濃度。近年來出現(xiàn)了一些新型固態(tài)氣敏傳感器，主要有：氧化物半導(dǎo)體傳感器、有機高聚物半導(dǎo)體傳感器、聲表面波傳感器和固態(tài)電解質(zhì)傳感器等。 利用氣敏元件測量氣體濃度原理簡單，操作也比較方便，但存 在以下不足 [8]： ①由于在檢測儀中一般將氣敏元件與標(biāo)準(zhǔn)元件組成測量電橋電路，因此電橋電路的非線性會影響測量精度； ②電橋供電電壓的大小對測量精度有很大影響； ③檢測時還需考慮現(xiàn)場溫度、空氣擾動等因素，需要串接上補償電路。 （ 1）利用電阻式氣敏元件測量氣體濃度。 1927 年， Oliver 發(fā)明并提出了一種可燃?xì)怏w在一個鉑絲上催化燃燒機理的便攜式可燃?xì)怏w檢測器。家用液化氣罐可根據(jù)需要，調(diào)整火力，使用起來既方便又衛(wèi)生，液化石油氣雖然使用方便，但也有不安全的隱患。其主要成分 是一氧化碳、甲烷和氫氣等。 可燃?xì)怏w檢測與報警技術(shù)概述 液化氣是液化石油氣的簡稱，是原油在加工提煉汽、柴油過程中產(chǎn)生的蒸餾部分，主要成分是碳?xì)浠衔锖蜌錃?，較多含有丙烷、丁烷。隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，對可燃?xì)怏w報警器的研究主要集中在智能化與集成化。一方面是從傳統(tǒng)的傳感器為主要研究對象，通過擴展其外圍電路功能，來增強其應(yīng)用性能。而本設(shè)計的研究方向是針對于液化石油氣的報警器。系統(tǒng)采用交流電源或電池供電。 液化氣全名液化石油氣， 它的主要成分是丙烷和丁烷， 煉廠氣、天然氣中的輕質(zhì)烴類在常溫、常壓下呈氣體狀態(tài)，在加壓和降溫的條件下，可凝成液體狀態(tài) 。 一 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 JIU JIANG UNIVERSITY 畢 業(yè) 論 文 題 目 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 英文題目 Based on MCU Liquefid Gas Detection Alarmdesign 院 系 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專 業(yè) 計算機科學(xué)與技術(shù) I 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 摘 要 隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，防火工作越來越重要，但是目前國內(nèi)的許多研發(fā)都側(cè)重于大型場所的火災(zāi)報警。 該設(shè)計基于 51 系列單片機為核心，以氣敏傳感器檢測可燃?xì)怏w的質(zhì)量濃度，經(jīng)過信號處理后，直接讀入單片機中，單片機對檢測的信號進(jìn)行判斷。該系統(tǒng)電路操作方便，體積小，成本低，功耗低，等特點。液化氣報警器作為一種檢測液化氣泄漏并及時發(fā)出聲光報警等可預(yù)防著火、傷亡的安全裝置 [1]。另一方面是利用計算機、單片機與智能傳感器相結(jié)合 [2]。有基于CAN 總線以 ARM 微處理器為核心的氣體報警器，也有基于 AT89 系列和 51 系列系列單 片機的設(shè)計 [3]。它不同于天然氣與煤氣。 2 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 因此，煤氣有毒，易于在空氣中形成爆炸性混合物。萬一管道漏氣或閥門未關(guān)嚴(yán)，液化石油氣向室內(nèi)擴散。即使 80 多年后的今天，大多數(shù)密閉空間檢測中用到的檢測器仍然采用這種原理，當(dāng)然已融入了更多的現(xiàn)在技術(shù)成分 [6]。電阻式氣敏元件經(jīng)過一段時間的預(yù)熱后，其阻值與周圍氣體濃度有著確定的關(guān)系，因此，只需測出運行狀態(tài)下氣敏元件的電阻值，便可推算出當(dāng)前運行狀態(tài)下待測氣體的濃度。所以這種方法主要用在測量精度要求不高的場合。例如：利用固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)成電化學(xué)電池來測量其電極電位的變化或由于電極反應(yīng)所產(chǎn)生的電流值，就可以達(dá)到測量氣體濃度的目的。如果需要測出氣體濃度的具體值，可以通過實驗推算出 V， T 與氣體濃度的對應(yīng)關(guān)系。氣相色譜法是基于不同的氣體在通過色譜柱時速度不同的原理，主要適用于工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測、設(shè)備檢修過程中動力作業(yè)的安全檢測 [11]。 （ 4）載體催化燃燒法檢測氣體濃度。當(dāng)鉑絲中通工作電流使之達(dá)到臨界反應(yīng)溫度（ 320～ 350℃ ）時，可燃?xì)饩驮谠砻娲呋紵K絲電阻增加，在完全燃燒且熱輻射可忽略時，電阻增量△ R 與可燃?xì)怏w一般將催化元件（檢知元件）及與之配對的參比元件組成電橋，作為濃度信號采樣單元。該方法基于示蹤氣體質(zhì)量守恒方程，常用于研究單一建筑物滲透通風(fēng)的特性。 （ 6）光干涉法測量氣體濃度。 檢測環(huán)境的多樣化增加了氣體濃度檢測儀器開發(fā)的難度。便攜式檢測儀器主要為泵吸式。 6 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計 液化氣報警器的工作結(jié)構(gòu)和原理 液化 氣報警器是能夠檢測環(huán)境中的液化氣濃度，并具有報警功能的儀器。報警器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。當(dāng)輸入A/D 轉(zhuǎn)換器的放大信號不為零時，啟動報警電路。因為變化的光信號可以引起用戶和家庭鄰居的注意，彌補了在嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限，使得報警裝置更加完善。 傳感器的選擇 有機氣體傳感器的介紹 有機氣體 傳感器是模擬傳感器 [17]。 有機氣體傳感器 利用 有機氣體 敏感 元件的電阻 受 有機氣體 （主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向 單片機 發(fā)送 有機氣體 濃度相應(yīng)的模擬信號 。但是，由于 各生產(chǎn)的設(shè)備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替 ，更 不可以互相通訊 。由于對不同氣體的檢測方法不盡相同，目前主要的方法有：利用半導(dǎo)體氣體器件檢測的電氣法；使用電極和電解液對氣體進(jìn)行檢測的電化學(xué)法；利用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學(xué)法。但是，由于有機氣體的種類繁多，一種類型的有機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(zhì)的氣體。 （ 1）半導(dǎo)體氣體傳感器（半導(dǎo)體氣敏傳感器） 半導(dǎo)體氣體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氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。 自 1962 年半導(dǎo)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(yīng)快、 9 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 輸出信號強、耐久性強、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、維修方便、價格便宜等諸多優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。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），使用時對鉑絲通以電流，保持 300℃ ～ 400℃ 的高溫，此時若與可燃性氣體接觸，可燃性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，就知道可燃性氣體的濃度。 （ 3）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。它主要適用于毒性氣體檢測。高分子氣敏元件由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性液化氣和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。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)氣體濃度的差分信號。 （ 6）離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對于火災(zāi)初起和陰燃階段的氣體氣溶膠檢測非常有效，可測氣體粒徑范圍為 。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，氣體粒子進(jìn)入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負(fù)離子被吸附到氣體粒子上，使正、負(fù)離子相互中和的概率增 加，從而將氣體粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實現(xiàn)對火災(zāi)參數(shù)的檢測。 光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn) 早期火災(zāi)報警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。因此，本設(shè)計中的氣體傳感器選用 MQN5 半導(dǎo)體氣體傳感器。該傳感器具備一般半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高、電導(dǎo)率變化大、響應(yīng)和恢復(fù)時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應(yīng)用十分廣泛。 MQN5 氣敏元件 的結(jié)構(gòu)和外形由微型 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。是一款便攜式氣體檢測器， 12 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 非常適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。通常氣體傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。因此， MQN5 氣體傳感器需開機預(yù)熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。 單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。 方案一：采用 PIC 系列單片機 PIC(Peripheral Interface Controller)是外設(shè)接 口控制器的簡稱，它是由美國Microchip 公司開發(fā)的嵌入式控制器 (Embedded Controller)。在所有的單片機品種中，它是最容易學(xué)習(xí)、最容易應(yīng)用的單片機品 種之一。便于實現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進(jìn)行取指令操作，便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高 CPU 執(zhí)行指令的速度。這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。 PIC 系列單片機的功率消耗極低，是目前世界上功耗最低的單片機品種之一。 （ 7）外接電路簡潔。 （ 11）程序保密性強。 （ 1）總線結(jié)構(gòu)。 （ 2）流水線結(jié)構(gòu)。 15 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 （ 4）基本特性。 PIC 有 3 個定時器，定時器 Timer0：帶有 8 位預(yù)分頻器的 8 位定時器 /計數(shù)器。 Microchip 可提供的 PIC 單片機系列，按其指令的位數(shù)可分為 3 類：初級產(chǎn)品、中級產(chǎn)品和高級產(chǎn)品，每種產(chǎn)品包含多種型號。 中級產(chǎn)品 —— 12 位指令字系列（ PIC12C6XX/PIC16C/FXXX），它是品種最豐富的系列。 16 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 高級產(chǎn)品 —— 16 位指令字系列（ PIC17CXXX 和 PIC18CXXX/FXXX）是 8 位單片機中運行速度最快的，它具備一個指令周期內(nèi)（最短 160ns）完成 8 位二進(jìn)制乘法運算的能力，可以在一些需要高速數(shù)字運算的應(yīng)用場合中取代 DSP（數(shù)字信號處理器）。另外，還提供節(jié)電工作模式及提供編碼保護(hù)等。 （ 4）具有看門狗定時器（ WDT）。 （ 8）能在線串行編程。為增加可靠性，它可以打開自己的 RC 振蕩器。由于芯片中存在這兩個定時器，在很多的應(yīng) 17 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 用中不需要外部復(fù)位電路。選擇 RC 振蕩器節(jié)約系統(tǒng)成本，選擇 LP 晶體節(jié)電。其中， 51 系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜 ,I/O 口多 ,程序空間大。其主要性能參數(shù)如下： ① 與 MCS51 產(chǎn)品指 令系統(tǒng)完全兼容 ② 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 18 基于單片機的液化氣檢測報警器設(shè)計 ③ 1000 次擦寫周期 ④ 全靜態(tài)操作： 0Hz－ 24MHz ⑤ 三級加密程序存儲器 ⑥ 1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM ⑦ 32 個可編程 I／ O 口線 ⑧ 2 個 16 位定時／計數(shù)器 ⑨ 6 個中斷源 ⑩可編程串行 UART 通道 AT89C51 單片機的引腳排列圖如圖 22 所示。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硬件復(fù)位。 圖 23 AT89C51單片機 的基本組成圖 （ 2） AT89C51 的內(nèi)存空間 [26] ① 內(nèi)部程序存儲器（ FLASH） 4K 字節(jié)。 里面還包括程序存儲器的 6個特殊地址，如表 22所示。 外部 ROM（ 64KB） /EA=0/1 內(nèi)部ROM（ 4KB）/EA=1 外部ROM（ 4KB）/EA=0 特殊功能寄存器（ 21 個 SFR） 內(nèi)部128ByteRAM 外部 RAM（ 64KB） 21 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 當(dāng)單片機檢測到輸入 ADC0809 的放大信號不為零時，系統(tǒng)啟動報警。另外，系統(tǒng)還設(shè)有一個消音功能的按鍵，當(dāng)報警器發(fā)出鳴叫時，用戶到達(dá)現(xiàn)場，可按下按鍵（消音鍵）停止報警器鳴叫。一般直流穩(wěn)壓電源是由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。以下 是一般設(shè)計所采用的電源電路圖，本設(shè)計為了簡便起見，電源就直接用五伏電源代替。系統(tǒng)采用的定時元件為石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。一般來說