【正文】 總量 90％以上；接觸燃繞式氣敏元件 現(xiàn)在 已 經(jīng) 具備了生產(chǎn)基礎(chǔ)和能力；電化學(xué)氣體傳感器 已經(jīng)成功研制出 試制產(chǎn)品 。產(chǎn)量超過(guò) 20萬(wàn)支的主要廠家 共 有 5 家， 有 黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠 、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司、北京電子管廠，其中前四家都超過(guò) 100 萬(wàn)支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)， 1998 年全國(guó)氣敏元件總產(chǎn)量已超過(guò) 600 萬(wàn)支。并由顯示器將其濃度顯示出來(lái)。如果超限則采取報(bào)警以提醒人們危險(xiǎn)信號(hào)。 基于硬件設(shè)計(jì)天然氣濃度巡測(cè)裝置的方法 這類方法主要依賴人工巡視或其他很多種基于聲學(xué)、光學(xué)、化學(xué)等基本原理的儀器設(shè)備對(duì)天然氣罐以及周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)泄漏檢測(cè)。所添加的臭味劑多為硫化物，其中目前四氫噻吩（ THT）使用的最為廣泛。 火焰電離檢測(cè)器（ FID）的原理是通過(guò)計(jì)算烴類氣體在電場(chǎng)中燃燒所產(chǎn)生的帶電碳原子數(shù)目來(lái)計(jì)算該氣體的濃度。在天然氣罐中，該泄漏聲波在超聲波范圍內(nèi)， 以聲波向罐的兩長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 5 端傳播，可以由相應(yīng)的聲學(xué)傳感器檢測(cè)到。 高聚物電纜，該電纜對(duì)油和氣體都十分敏感，沿天然氣罐外壁鋪設(shè)來(lái)進(jìn)行泄漏檢測(cè)。他們的普遍缺點(diǎn)是不能連續(xù)檢測(cè)天然氣罐（聲波法除外），而實(shí)際發(fā)生泄漏的時(shí)間和位置是無(wú)法預(yù)知的，所以我們必須在每時(shí)每刻且在天然氣罐的每一點(diǎn)都需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所以它們一般不作為主要管道的檢測(cè)手段。壓力 /流量變化法是基于如下假設(shè)：在工況穩(wěn)定的情況下，管道出入口處的壓力或者流量的變化超過(guò)一定程度就意味著泄漏的發(fā)生。由于管道的工況變化或嗓聲擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致流量不平衡現(xiàn)象，所以誤報(bào)警率較高。經(jīng)過(guò)多次的方案論證我們得出只有將硬件與軟件相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所要求的功能。下圖為基于本設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖： 氣 敏 傳 感 器 放 大 電 路 A / D 轉(zhuǎn) 換 器單 片 機(jī)顯 示 電 路報(bào) 警 電 路 圖 系統(tǒng)原理框圖 其工作原理如下：首先，將氣敏傳感器放到天然氣檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，傳感器將采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為芯片可以識(shí)別的電壓信號(hào)，通過(guò)放大器的放大信號(hào)被放大到伏特級(jí)別。 下面我們就其軟硬件的選擇加以論述 硬件的選擇 一．本設(shè)計(jì)的主控制器有很多的選擇，但是我們基于設(shè)計(jì)不是很復(fù)雜，開(kāi)發(fā)的成本比較低，性價(jià)比，操作的難易程度等方面來(lái)考慮，我們選擇的是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的 8 位高性能 AT89C51 單片機(jī)，其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)是它的內(nèi)部含有可編程的 Flash 存儲(chǔ)器，用戶可以很方便地進(jìn)行操作程序的擦寫，在嵌入式 控制領(lǐng)域中 AT89C51 單片機(jī)被廣泛應(yīng)用。氣敏傳感器就是 利用 此 性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測(cè)氣體相互 接觸作用 （化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同， 使得 膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度 也相應(yīng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 7 的 不同， 由此 引起聲表面波頻率的變化也不同。 三．由于本裝置需要檢測(cè) 2個(gè)天然氣罐，而每個(gè) 氣罐上有 8個(gè)濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，故要對(duì) 16個(gè)點(diǎn)采集信號(hào)，所以選用多路模擬開(kāi)關(guān)。 其特點(diǎn)是 輸入偏置電流小、增益 高、失調(diào)小、共模抑制能力強(qiáng)、低漂移、 高輸入阻抗、 快響應(yīng)、 穩(wěn)定的 性能及低廉的 價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，能夠節(jié)省 51系列單片機(jī) I/O 資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中 被 廣泛的應(yīng) 用。它的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)碼管的亮度高無(wú)閃爍，并且軟件編程控制比較容易。動(dòng)態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是所需要的硬件電路 較為簡(jiǎn)單，且數(shù)碼管需要的越多這個(gè)優(yōu)勢(shì)越明顯。 七．實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單，其發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，壓電蜂鳴器的特點(diǎn)是：體積小、重量輕、耗電省、厚度薄、造價(jià)低廉 、 可靠性好。其優(yōu)缺點(diǎn)如下所示：C 語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言。 我們知道 匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是 所有語(yǔ)言中 最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。它既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。除此之外軟件部分還實(shí)現(xiàn)抗干擾。用來(lái)抑制電源產(chǎn)生的噪聲。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的 部分保衛(wèi)起來(lái)。 系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)的論證 對(duì)于微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，僅僅只考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的．采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不僅能降低系統(tǒng)的硬件成本。 (2)軟件陷阱技術(shù)：當(dāng)系統(tǒng)受到外界 等各種干擾，其 PC 值可能發(fā)生變化，產(chǎn)生程序“亂飛”等各種情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 10 第三章 硬件部分的設(shè)計(jì) AT89C51 的片內(nèi)結(jié)構(gòu)及引腳描述 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的高性能，低電壓 CMOS8 位單片機(jī)。它由如下功能部件組成： ① 微處理器 (CPU) ② 程序存儲(chǔ)器 (4KB Flash ROM) ③ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM) ④ 4個(gè) 8位可編程并行 I/O口 (P0口、 Pl口、 P2口、 P3口 ) ⑤ 2個(gè) 16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 ⑥ 1個(gè)全雙工串行口 ⑦ 特殊功能寄存器 (SFR) ⑧ 中斷系統(tǒng) 以上各功能部件通過(guò)片內(nèi)單一 總線相連接，基本的結(jié)構(gòu)依舊是傳統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)模式 — CPU加上外圍芯片。 (微處理器 ) AT89C51單片機(jī)中有 1個(gè) 8位的 CPU，與平時(shí)通用的 CPU功能大致相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，但是其增加了面向控制的位處理和位操作和位處理的功能。 AT89C51片內(nèi)集成了 4KB的 Flash存儲(chǔ)器，如果其片內(nèi)程序存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的容量不夠，片外最多可外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器至 64KB。它們分別是兩個(gè)外部中斷源 INT0、 INT1，中斷信號(hào)從 、 引腳輸入；三個(gè)內(nèi)部中斷源：定時(shí)器 0、定時(shí)器 1 溢出中斷、串行口中斷。并且 TH0、 TL0、TH TL1都是 SFR中的特殊功能寄存器。每個(gè)端口都有八條輸入輸出端口線，故共有 32 條線，而且他們都配有端口鎖存器、輸入緩沖器和輸出驅(qū)動(dòng)器。特殊功能寄存器實(shí)際上是片內(nèi)各個(gè)功能部件的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，這些特殊功能寄存器映射在片內(nèi) RAM區(qū) 80H～ FFH的地址區(qū)間內(nèi)。采用總線結(jié)構(gòu)可以減少信息傳輸線的根數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，提高系統(tǒng)可靠性。 (2)Vss(第 20引腳 )：接地線。當(dāng)使用片內(nèi)振蕩器時(shí) 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 13 該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容。在單片機(jī)正常工作時(shí)，此引腳應(yīng)為之≤ 。 PPV 為該引腳的第二功能，為編程電壓輸入端。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE的負(fù)跳沿將 PO口發(fā)出的低 8位地址鎖存在外接的地址鎖存器中，然后 P0口再作為數(shù)據(jù)端口，以實(shí)現(xiàn) P0口的低 8位地址和數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送。因此，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，用戶不宜用 ALE作為精確的時(shí)鐘源或定時(shí)信號(hào)。該引腳連線接外部程序存儲(chǔ)器的 OE (輸出允許 )端；在訪問(wèn)外部 RAM時(shí)， PSEN 信號(hào)無(wú)效。當(dāng)作為普通的 I/O口輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器 寫入 l。 P1口只可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LS型 TTL負(fù)載。當(dāng)作為普通的 I/O輸入時(shí)，應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入 l。當(dāng)作為通用的 I/O輸入時(shí)，也應(yīng)先向端口的輸出鎖存器寫入 1。復(fù)位時(shí)， PC初始化為的地址為 0000H，使 AT89C51 單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行各種所要執(zhí)行的程序。 最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路如圖 33所示。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 15 圖 33 上電復(fù)位電路 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位，如圖 34所示。如下為單片機(jī)最小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 Vcc89C51RSTVss10uFC10K RS1KR89C51RSTCR+5長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 16 圖 35 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng) 氣敏傳感器 人們?yōu)榱藦耐饨绔@取自己想要的信息，必須借助于各種感覺(jué)器官。傳感器的作用早已涉及到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等各種廣泛的領(lǐng)域。主要用于檢測(cè)各種可燃性氣體。 （ 2）鈣鈦礦類氣體傳感器 在 Al2O3陶瓷基片上成形制作的鎳酸鑭薄膜敏感元件，適用于燃燒控制用氣體傳感器，測(cè)定空氣 燃料比 ,其熱穩(wěn)定性相當(dāng)良好。其檢測(cè)機(jī)理是由于吸附在鈀表面的 O2由于 H2濃度的增高而得到解吸，從而致使肖特基勢(shì)壘降低，在一定的正向偏壓下，二極管的電流會(huì)增大。由于 UT會(huì)隨空氣中所含 H2濃度的增高而降低，所以可以利用這一特性檢測(cè) H2以及容易分解出 H2的氣體。一般其固有電阻值在 (103～ 105)Ω范圍內(nèi)。 (2)氣敏元件的靈敏度 氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對(duì)于所要測(cè)量氣體的敏感程度的一種指標(biāo)。 （ c）輸出電壓比靈敏度 KV=Va/Vg: Va 為氣敏元件在潔凈空氣中工作時(shí)，負(fù)載電阻上所輸出的電壓值； Vg 為氣敏元件在規(guī)定濃度的被測(cè)氣體中工作時(shí)，負(fù)載電阻上輸出的電壓值。一般從氣敏元件與一定濃度的被測(cè)氣體接觸時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直到氣敏元件的阻值達(dá)到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的 63％時(shí)為止，所需最短時(shí)間稱為氣敏元件在此濃度下的被測(cè)氣體中的響應(yīng)時(shí)間，通 常用符號(hào) tr 表示。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。它主要包括半導(dǎo)體式氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)式氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體式氣敏傳感器。通過(guò)測(cè)量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。它適合檢測(cè)天然氣，煤氣，氫氣，一氧化碳，烷類氣體，烯類氣體，汽油，煤油，柴油，乙炔，醚蒸汽及煙霧等。 CV DR LR XV 1V H 圖 36 QMN10 的原理圖 顯示部分介紹 為節(jié)省 I/O 口以及防止電流過(guò)大，在設(shè)計(jì)中，我們選擇數(shù)碼管 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。并且更實(shí)用于使用的數(shù)碼管較多的設(shè)計(jì)中。采用 7個(gè)數(shù)碼管。其顯示的數(shù)值為 天然氣當(dāng)前泄露的濃度。獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)電路相對(duì)簡(jiǎn)單，其軟件設(shè)計(jì)也比較容易實(shí)現(xiàn)，但由于每一個(gè)按鍵均需要一根 I/O 口線 ，當(dāng)鍵盤按鍵數(shù)量比較多時(shí)，需要的 I/O 口線也較多，因此獨(dú)立式鍵盤只適合于按鍵較少的應(yīng)用場(chǎng)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 23 合。在有特殊需要的場(chǎng)合，還可以借用一下內(nèi)部的定時(shí)器中斷。程 序查詢是在需要鍵盤輸入的時(shí)候，調(diào)用鍵盤掃描程序，獲得掃描的初始狀態(tài)值。缺點(diǎn)是占用一個(gè)定時(shí)器。但是它卻需要額外的硬件電路來(lái)幫助其實(shí)現(xiàn)中斷請(qǐng)求?，F(xiàn)將其優(yōu)缺點(diǎn)介紹如下： 并行通信可以同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)位，而且可以同時(shí) 在兩個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行傳輸。并行方式主要用在較近距離通信傳輸方面。用以檢驗(yàn)其正確性。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、易編程、成本低的 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷的被相應(yīng)推出，使得微機(jī)控制系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)潔，可靠性更高。中斷查詢方式和中斷模式是各種方式中實(shí)時(shí)性最好的。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是需要使用者判斷什么時(shí)候輸入才可以被響應(yīng)。程序查詢方式和定時(shí)查詢方式相類似，都是通過(guò)讀 I/O狀態(tài)，當(dāng)有按鍵被按下時(shí)相應(yīng)的 I/O 口線變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的鍵對(duì)應(yīng)的 I/O口線保持為高電平，這樣通過(guò)讀 I/O 口狀態(tài)可判斷出是否已經(jīng)有鍵被按下和哪一個(gè)鍵被按下。獨(dú)立式鍵盤可以工作 在很多種方式下，比如中斷方式，程序查詢方式，定時(shí)查詢發(fā)送和中斷查詢方式等。所以設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，故采用的是獨(dú)立式鍵盤。其顯示數(shù)值為 1 或 2。沒(méi) 有小數(shù)點(diǎn)的我們稱之為 7 段數(shù)碼管，有小數(shù)點(diǎn)的我們稱之為八段數(shù)碼管。通過(guò)分時(shí)間的輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，這就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)將 QM— N10 型氣敏傳感器介紹如下： 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 20 表 32 QMN10 型氣 敏傳感器的參數(shù) 型號(hào) 標(biāo)定氣體中電壓 響應(yīng)時(shí)間t1 恢復(fù)時(shí)間t2 最佳工作條件 允許工作條件 測(cè)量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負(fù)載電阻RL 測(cè)量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負(fù)載電阻 RL QMN10 ≥ 2V ≤10s ≤30s 10V 5V 2kΩ 515V kΩ 測(cè)試條件 %丁烷 清凈空氣 清潔空氣中電阻（ Ra） ≤ 20xxkΩ U0=10V Uf=5V RL=2 kΩ 檢測(cè)范圍 50020xx0ppm 元件工耗 ≤ 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4 QMN10 氣敏傳感器，以電壓采樣方式，原理如圖 36所示。以電壓為采樣的方式。 它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號(hào)，根據(jù)這些電信號(hào)的強(qiáng)弱就可以獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控和報(bào)警；還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。 （ 6）氣敏元件的恢復(fù)時(shí)間 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 19 表示在工作溫度下 ,被測(cè)氣體由