【文章內(nèi)容簡介】 表面型氣敏元件，其傳感原理是 SnO2為 n型半導體材料。當施加電壓時，半導體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導體中的電子形成了 O2或 O2原性氣體 H CO、 CH4存在時，使半導體表面電阻下降，電導上升，電導變化與氣體濃度成比倒。 NiO為 P型半導體，氧化性氣體使電導下降，對 O2敏感。 ZnO半導體傳感器也屬于此種類型。 半導體氣體傳感器 ，表面敏感型傳感材料為 SnO2+Pd、 ZnO十 Pt、 AgO、 V20金屬酞青、 P— SnO2。 表面敏感型氣體傳感器可檢測氣體為各種可燃性氣體 C0、 NO2氟利昂。傳感材料 Pt— SnO2的氣體傳感器可檢測氣體為可燃性氣體 CO、 H CH4。 Fe2O la1SSrxCOO8和 TiO CoOMgO— SnO2體傳感西南民族大學電氣信息工程學院論文 11 器可檢測氣體為各種可燃性氣體 C0、 NO2氟利昂。傳感材料 Pt— SnO2容積控制型半導體氣體傳感器可檢測氣體為液化石油氣、酒精、空燃比控制、燃燒爐氣尾氣。 （ 2)容積控制型的是晶格缺陷變化導致電 孕率變化，電導變化與氣體濃度成比例關(guān)系。 Fe2O TiO2屬于此種，對可燃性氣體敏感。 （ 3)熱線性傳感器，是利用熱導率變化的半導體傳感器，又稱熱線性半導體傳感器，是在 Pt絲線圈上涂敷 SnO2層， Pt絲除起加熱作用外，還有檢測溫度變化的功能。施加電壓半導體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應增高，使 Pt絲溫度下降，阻值減小， Pt絲阻值變化與氣體濃度為線性關(guān)系。這種傳感器體積小、穩(wěn)定、抗毒，可檢測低濃度氣體，在可燃氣 體檢測中有重要作用。 (4)非電導型的 FET場效應晶體管氣體傳感器， Pd— FET．場效應晶體管傳感器，利用 Pd吸收 Hz并擴散達到半導體 si和 Pd的界面，減少 Pd的功函，這種對 HCO敏感。非電導型 FET場效應晶體管氣體傳感器體積小，便于集成化，多功能，是具有發(fā)展前途的氣體傳感器。 這種傳感器元件為離子對固體電解質(zhì)隔膜傳導，稱為電化學池，分為陽離子傳導和陰離子傳導，是選擇性強的傳感器，研究較多達到實用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機理是利用隔膜兩側(cè)兩個電池之間的電位差等于濃差電池 的電勢。穩(wěn)定的氧化鉻固體電解質(zhì)傳感器已成功地應用于鋼水中氧的測定和發(fā)動機空燃比成分測量等。 為彌補固體電解質(zhì)導電的不足，近幾年來在固態(tài)電解質(zhì)上燕鍍一層氣體敏膜，把圍周環(huán)境中存在的氣體分子數(shù)量和介質(zhì)中可移動的粒子數(shù)量聯(lián)系起來。 接觸燃燒式傳感器適用于可燃性氣 H CO、 CH4的檢測?？扇細怏w接觸表面催化劑 Pt、 Pd時燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點是選擇性差。 4．電化學傳感器 電化學方式的氣體傳感器常用的有兩種 (1)恒電位電解式 傳感器 是將被測氣體在特定電場下電離，由流經(jīng)的電解電流測出氣體濃度，這種傳感器靈敏度高，改變電位可選擇的檢洌氣體，對毒性氣體檢測有重要作用。 (2)原電池式氣體傳感器 在 KOH電解質(zhì)溶液中， Pt— Pb或 Ag— Pb電極構(gòu)成電池，已成功用于檢測 O2，其靈敏度高，缺點是透水逸散吸潮，電極易中毒。 西南民族大學電氣信息工程學院論文 12 5．光學氣體傳感囂 （ 1)直接吸收式氣體傳感器 紅外線氣體傳感器是典型的吸收式光學氣體傳感器，是根據(jù)氣體分別具有各自固有的光譜吸收譜檢測氣體成分，非分散紅外吸收光譜對 SO CO、 CO NO等氣體具有較高的靈敏度 。 另外紫外吸收、非分散紫外線吸收、相關(guān)分光、二次導數(shù)、自調(diào)制光吸收法對 NO、 NO2SO CH(CH4)等氣體具有較高的靈敏度。 (2)光反應氣體傳感器 是利用氣體反應產(chǎn)生色變引起光強度吸收等光學特性改變，傳感元件是理想的，但是氣體光感變化受到限制，傳感器的自由度小。 (3)氣體光學特性的新傳感器 光導纖維溫度傳感器為這種類型，在光纖頂端涂敷觸媒與氣體反應、發(fā)熱。溫度改變，導致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達到實用化程度，檢測氣體也是成功的。 此外，利用其它物理量變化測量氣體成分的傳感器在不斷開發(fā)，如聲表面 波傳感器檢測 SO NO H2S、 NH H2等氣體也有較高的靈敏度。 在我們方案才用到的是利用物理化學性質(zhì)進行檢測的 MQ2可燃氣體傳感器，對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性， 驅(qū)動電路簡單，較大的電信號輸出 。應用于家庭和生產(chǎn)環(huán)境下的一氧化碳探測裝置，適宜于一氧化碳、煤氣，液化石油氣等的探測。我們用來檢測天然氣，工作很穩(wěn)定。 在 天然氣自動通斷裝置 的設計中，單片機是儀表的核心部件。它一方面接收傳感器檢測到的可 燃性氣體濃度 所 對應的模擬電壓信號，另一 方面要對這一信號進行處理，控制 報警、控制電 路進行相應操作，與此同時判斷是否收到外部中斷請求。在單片機所實現(xiàn)的這些 功 能中，特別是信號處理部分，需要單片機有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃 度 做出快速、準確的檢測，進行相應的處理。同時考慮選擇低價實用的機型，并為制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準備。根據(jù)多方面的比較， 本 設計選用生產(chǎn)的 STC89C52 系列單片機作為報警器的核心控制器。 首先，可燃性氣體濃度信號通過 MQ2 氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過前置放大電路后，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換 ， 輸出一個適合單片機接收的電壓信號，然后，送入 STC89C52 中，線性化數(shù)據(jù)處理后，將電壓信號 運算成對應的數(shù)值，通過 LCD1602 顯示 。當檢測到的可燃性氣體濃度超出上限報警設定值時， 系統(tǒng)首先進行自動處理，排除險情，具體是控制電磁閥，關(guān)閉電磁閥，即天然氣總閥，然后開啟排風扇，監(jiān)測濃度，如果濃度在自動控制作用下，有效下降到安全范圍內(nèi)，單片機不做報警處理，僅作顯示提示。當單片機自動處理過后，天然氣濃度仍然無法有效控制，單片機即做報警處理，提醒人工干預。直到西南民族大學電氣信息工程學院論文 13 手動關(guān)閉警報。 在日常使用過程中，單片機的按鍵可以手動控制電磁閥的通斷和排氣扇的 開關(guān)，應用在正常用氣和排氣通風的場合。 設計 主要完成的任務 本設計是以單片機為主控制器的天然氣及其他烷類氣體檢測控制處理報警的裝置，設計主要完成以下任務： （一） 對單片機系統(tǒng)進行方案的認證，系統(tǒng)的整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設計。 （二）以 STC89C52 作為主控制器，進行硬件電路的設計和改進，完善功能，主要電路分為，傳感器電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、單片機接口電路、聲光報警電路、 1602 顯示電路、EN28J60 網(wǎng)絡模塊、氣閥通風扇控制電路七個部分。 （三）程序的編寫，分模塊的編寫程序，繪制主程序和子程序的流程圖，加入詳細的 文字注釋，便于調(diào)試和后期功能的刪增。 （四）按照設計要求，完成硬件電路，燒錄程序，實現(xiàn)設計功能。 西南民族大學電氣信息工程學院論文 14 第三章 硬件電路 STC89C52 最小系統(tǒng) STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式 控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 【 1】 。 STC89C52 具有以下標準功能 :8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器 ， 2個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 其引腳電路 如圖 所示，STC89C52 主要性能有以下幾點： (1) 與 MCS51單片機產(chǎn)品兼容 ，方便移植程序 (2) ROM是 MCS51系列 2倍， 8K可編程系統(tǒng)空間 (3) 1000次擦寫周期 (4) 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz (5) 三級加密程序存儲器 ，有效保證程序的安全 (6) 4組， 8位共 32個可編程 I/O口線 (7) 三個 16位 定時器 /計數(shù)器 (8) 八個中斷源全雙工 UART串行通道 (9) 低功耗空閑和掉電模式 ， 掉電后中斷可喚醒 (10) 看門狗定時器 (11) 雙數(shù)據(jù)指針 89C52單片機接口說明： 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口緩沖器能接收輸西南民族大學電氣信息工程學院論文 15 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