【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(dǎo)體材料。當(dāng)施加電壓時(shí)，半導(dǎo)體材科溫度升高，被吸附的氧接受了半導(dǎo)體中的電子形成了 O2或 O2原性氣體 H CO、 CH4存在時(shí)，使半導(dǎo)體表面電阻下降，電導(dǎo)上升，電導(dǎo)變化與氣體濃度成比倒。 NiO為 P型半導(dǎo)體，氧化性氣體使電導(dǎo)下降，對 O2敏感。 ZnO半導(dǎo)體傳感器也屬于此種類型。 半導(dǎo)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(xué)電氣信息工程學(xué)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(dǎo)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(dǎo)致電 孕率變化，電導(dǎo)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(dǎo)率變化的半導(dǎo)體傳感器，又稱熱線性半導(dǎo)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(dǎo)體變熱，表面吸氧，使自由電子濃度下降，可燃性氣體存在時(shí)，由于燃燒耗掉氧自由電子濃度增大，導(dǎo)熱率隨自由電子濃度增加而增大，散熱率相應(yīng)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?xì)?體檢測中有重要作用。 (4)非電導(dǎo)型的 FET場效應(yīng)晶體管氣體傳感器， Pd— FET．場效應(yīng)晶體管傳感器，利用 Pd吸收 Hz并擴(kuò)散達(dá)到半導(dǎo)體 si和 Pd的界面，減少 Pd的功函，這種對 HCO敏感。非電導(dǎo)型 FET場效應(yīng)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(dǎo)，稱為電化學(xué)池，分為陽離子傳導(dǎo)和陰離子傳導(dǎo)，是選擇性強(qiáng)的傳感器，研究較多達(dá)到實(shí)用化的是氧化鋯固體電解質(zhì)傳感器，其機(jī)理是利用隔膜兩側(cè)兩個(gè)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(yīng)用于鋼水中氧的測定和發(fā)動(dòng)機(jī)空燃比成分測量等。 為彌補(bǔ)固體電解質(zhì)導(dǎo)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(dòng)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。可燃?xì)怏w接觸表面催化劑 Pt、 Pd時(shí)燃燒、破熱，燃燒熱與氣體濃富有關(guān)。這類傳感器的應(yīng)用面廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是選擇性差。 4．電化學(xué)傳感器 電化學(xué)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(diǎn)是透水逸散吸潮，電極易中毒。 西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院論文 12 5．光學(xué)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(xué)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(dǎo)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(yīng)氣體傳感器 是利用氣體反應(yīng)產(chǎn)生色變引起光強(qiáng)度吸收等光學(xué)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(xué)特性的新傳感器 光導(dǎo)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(yīng)、發(fā)熱。溫度改變，導(dǎo)致光纖溫度改變。利用光纖測溫已達(dá)到實(shí)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(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測的 MQ2可燃?xì)怏w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(dòng)電路簡單，較大的電信號輸出 。應(yīng)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(dòng)通斷裝置 的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)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(yīng)的模擬電壓信號，另一 方面要對這一信號進(jìn)行處理，控制 報(bào)警、控制電 路進(jìn)行相應(yīng)操作，與此同時(shí)判斷是否收到外部中斷請求。在單片機(jī)所實(shí)現(xiàn)的這些 功 能中，特別是信號處理部分，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃 度 做出快速、準(zhǔn)確的檢測，進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時(shí)考慮選擇低價(jià)實(shí)用的機(jī)型，并為制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較， 本 設(shè)計(jì)選用生產(chǎn)的 STC89C52 系列單片機(jī)作為報(bào)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(gè)適合單片機(jī)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(yùn)算成對應(yīng)的數(shù)值，通過 LCD1602 顯示 。當(dāng)檢測到的可燃性氣體濃度超出上限報(bào)警設(shè)定值時(shí)， 系統(tǒng)首先進(jìn)行自動(dòng)處理，排除險(xiǎn)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(fēng)扇，監(jiān)測濃度，如果濃度在自動(dòng)控制作用下，有效下降到安全范圍內(nèi)，單片機(jī)不做報(bào)警處理，僅作顯示提示。當(dāng)單片機(jī)自動(dòng)處理過后，天然氣濃度仍然無法有效控制，單片機(jī)即做報(bào)警處理，提醒人工干預(yù)。直到西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院論文 13 手動(dòng)關(guān)閉警報(bào)。 在日常使用過程中，單片機(jī)的按鍵可以手動(dòng)控制電磁閥的通斷和排氣扇的 開關(guān)，應(yīng)用在正常用氣和排氣通風(fēng)的場合。 設(shè)計(jì) 主要完成的任務(wù) 本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為主控制器的天然氣及其他烷類氣體檢測控制處理報(bào)警的裝置，設(shè)計(jì)主要完成以下任務(wù)： （一） 對單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行方案的認(rèn)證，系統(tǒng)的整體規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （二）以 STC89C52 作為主控制器，進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)和改進(jìn)，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(jī)接口電路、聲光報(bào)警電路、 1602 顯示電路、EN28J60 網(wǎng)絡(luò)模塊、氣閥通風(fēng)扇控制電路七個(gè)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(xì)的 文字注釋，便于調(diào)試和后期功能的刪增。 （四）按照設(shè)計(jì)要求，完成硬件電路，燒錄程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。 西南民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)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(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案 【 1】 。 STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 :8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器 ， 2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 其引腳電路 如圖 所示，STC89C52 主要性能有以下幾點(diǎn)： (1) 與 MCS51單片機(jī)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(chǔ)器 ，有效保證程序的安全 (6) 4組， 8位共 32個(gè)可編程 I/O口線 (7) 三個(gè) 16位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (8) 八個(gè)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(shí)器 (11) 雙數(shù)據(jù)指針 89C52單片機(jī)接口說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口： P0口為一個(gè) 8位漏級 開路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個(gè)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(xué)電氣信息工程學(xué)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作 為第八位地址接收。 P2口： P2口為一個(gè)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(gè) TTL門電流，當(dāng) P2