【文章內(nèi)容簡介】 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(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(shù)，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(nèi)的目標氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)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(chǎn)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(jù)目標氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量 CO 和 CO冷凍劑煙霧和一些易然氣。由于非碳氫化合物易燃氣體 (如沈陽理工大學學士學位論文 7 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(zhì)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、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機氣體，如O CO H Cl SO2 等。 氣體傳感器的選定 天煤氣 泄漏報警器 主要應(yīng)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(jù)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(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，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(zhì)時，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。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)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(yīng)對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)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(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)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 )。 沈陽理工大學學士學位論文 8 經(jīng)過對比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導體氣敏傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)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(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設(shè)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(shè)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(yīng)快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 煤氣泄露報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 煤氣泄露報警器工作原理 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(yīng)的電壓信號送入 STC12C5A60S2 單片機；然后，在 STC12C5A60S2 單片機內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、氣體濃度比較，對數(shù)據(jù)進行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)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(shè)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(yīng)越快，響應(yīng)時間和恢復時間就越快。為提高響應(yīng)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。 煤氣泄露報警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計的可燃性氣體報警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可煤氣體濃度、可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳 統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 系統(tǒng) 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(shè)計由 3 大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、 STC12C5A60S2 單片機、顯示電路。氣敏傳感器是將現(xiàn)場氣體濃度 非電信號轉(zhuǎn)化為電信號；轉(zhuǎn)換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。 沈陽理工大學學士學位論文 9 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(shè)置好報警的氣體濃度值 ，設(shè)置濃度可調(diào)，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(shè)定值時，裝置會發(fā)出燈光及聲音的報警。 裝置效果圖 圖 2. 錯誤 !未找到引用源。 成品效果圖 沈陽理工大學學士學位論文 10 3 煤氣泄漏檢測報警裝置的硬件部分設(shè)計 硬件電路形象的說就是整個裝置的框架，硬件電路的設(shè)計，直接影響裝置功能能否實現(xiàn)。硬件電路的設(shè)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(tǒng)，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(chǎn)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(tǒng) 8051,但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)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(tǒng) 8051 2. 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～ 420MHz 4. 用戶應(yīng)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) RAM 6. 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(tǒng) I/O 口）可設(shè)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(qū)動能力均可達 20mA，但整個芯片最大不超過 120mA。 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） / IAP（在應(yīng)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(shù)秒即可完成一片 8. 有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無內(nèi)部 EEPROM) 9. 看門狗 MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K 電阻到地） 沈陽理工大學學士學位論文 11 11. 外部掉電檢測電路 : 在 口有一個低壓門檻比較器， 5V單片機為 ，誤差為177。 5%, 單片機為 ，誤差為177。 3% 12. 時鐘源：外部 高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為177。 5% 到177。 10% 以內(nèi) )用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 / 時鐘 常溫下內(nèi)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(nèi)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(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)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(xiàn) 2 個 16 位定時器 14. 3 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 ，可由 T1 的溢出在 輸出時鐘 ,獨立波特率發(fā)生器可以在 口輸出時鐘 15. 外部中斷 I/O 口 7 路 ,傳統(tǒng)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/(也可通過寄存器設(shè)置到 ), CCP1/(也可通過寄存器設(shè)置到 ) 16. PWM(2 路） / PCA（可編程計數(shù)器陣列 ,2 路） 也可用來當 2 路 D/A 使用 也可用來再實現(xiàn) 2 個定時器 也可用來再實現(xiàn) 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(zhuǎn)換 , 10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)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(xiàn)多串口 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標志的才有雙串口， RxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 ) 20. 工作溫度范圍： 40 ~ +85℃ (工業(yè)級 ) / 0 ~ 75℃ (商業(yè)級 ) 沈陽理工大學學士學位論文 12 ： 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(lián)）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(nèi)部結(jié)構(gòu) STC12C5A60S2 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)存儲器 (SRAM)、定時 /計數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門狗及片內(nèi) 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(shù)據(jù)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(tǒng)。 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，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸 出 原 碼 ， 此 時 P0 外 部 必 須 被 拉 高 。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個 內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL門電流，當 P2 口被寫 ―1‖時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 ―1‖時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻 的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。沈陽理工大學學士學位論文 13 當 P3 口寫入 ―1‖后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口 將 輸 出 電 流 （ ILL ） 這 是 由 于 上 拉 的 緣 故 。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳備選功能 RXD （串行輸入） TXD （