【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無(wú)形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。 半導(dǎo)體氣敏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，它具有靈敏度高，響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)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)。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2 型氣敏傳感器，這種型號(hào)的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。8 / 52 天燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 天然氣泄露報(bào)警器工作原理 本論文中的燃?xì)庑孤﹫?bào)警器以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ2 型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集氣體信息，而且利用 DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，在 LED 的顯示管中顯示溫度。 首先，氣體傳感器送來(lái)的氣體濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入 AT89C51 單片機(jī)；然后，在 AT89C51 單片機(jī)內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、氣體濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會(huì)閃亮，當(dāng)氣體濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈閃亮。而且利用 DS18B20 溫度傳感器將溫度信號(hào)采集到 AT89C51 單片機(jī)中進(jìn)行輸出，最后在 LED 顯示管中進(jìn)行顯示。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(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證氣體傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向氣體傳感器持續(xù)輸出一個(gè) 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V 的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)。 天然氣泄露報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對(duì)可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃?xì)怏w濃度、可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。 天然氣泄露報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示，該系統(tǒng)以 51 單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、聲音及閃爍報(bào)警等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本。 使用 AT89C51 單片機(jī)，選用氣敏傳感器作為敏感元件，DS18B20 元器件作為溫度傳感器，并且在 LED 中顯示溫度還有氣體的濃度。利用 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報(bào)警電路，開(kāi)發(fā)了可用于家庭或小型單位天然氣泄漏報(bào)警器。整個(gè)設(shè)計(jì)由 4大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、A/D 轉(zhuǎn)換電路、AT89C51 單片機(jī)、聲光報(bào)警電路。氣9 / 52敏傳感器是將現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路是將完成將氣體傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲光報(bào)警模塊由單片機(jī)和報(bào)警電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警功能。天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖 ：氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換器 AT89C51單片機(jī)燈光報(bào)警聲音報(bào)警氣體 濃度圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 氣體檢測(cè)報(bào)警器的功能聲光報(bào)警功能 當(dāng)氣體濃度取值處在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，且聲音越來(lái)越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因?yàn)槿藢?duì)變化的信號(hào)更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶(hù)的注意。 時(shí)鐘溫度傳感器復(fù)位10 / 523 天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì) 主控電路的設(shè)計(jì) 半導(dǎo)體氣敏傳感器（1）半導(dǎo)體的基本介紹半導(dǎo)體傳感器是一種采用半導(dǎo)體氣敏為主要使用材料的傳感裝置，它利用與其氣體接觸時(shí)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電率等物理性質(zhì)發(fā)生變化來(lái)檢測(cè)待測(cè)氣體的成分和濃度。并且，它具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長(zhǎng)及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。（2）半導(dǎo)體的分類(lèi)半導(dǎo)體氣敏傳感器有多種分類(lèi)方法，主要一種是將其分為兩類(lèi)—電導(dǎo)控制型氣敏傳感器和電壓控制氣敏傳感器。其中電導(dǎo)控制型一般以金屬氧化物半導(dǎo)體材料如 SnO、ZnO、FeO 系為基體，加入合適的催化金屬和添加劑，采用燒結(jié)、厚膜或薄膜工藝制成。半導(dǎo)體氣敏傳感器包括硫化氫氣敏傳感器和一氧化碳?xì)饷魝鞲衅鲀蓚€(gè)敏感器件。硫化氫氣敏傳感器是采用 MOS 場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu),利用過(guò)渡金屬作柵極的氣敏元件,當(dāng)空氣中存在硫化氫時(shí),場(chǎng)效應(yīng)晶體管的開(kāi)啟電壓發(fā)生變化,變化的幅度與硫化氫的濃度成比例。一氧化碳?xì)饷魝鞲衅魇抢靡远趸a為基體的鉑－銻－二氧化錫敏感材料制成的表面電阻控制型敏感器件,當(dāng)空氣中有微量的一氧化碳存在時(shí),器件的電阻急劇下降。該兩種敏感器件靈敏度均≤10ppm。響應(yīng)時(shí)間均≤0 秒。感應(yīng)時(shí)間均≤1 秒。（3）半導(dǎo)體氣敏傳感器的原理當(dāng)半導(dǎo)體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，氣體接觸半導(dǎo)體表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由擴(kuò)散，失去運(yùn)動(dòng)能量，一部分分子被蒸發(fā)掉，另一部分殘留分子產(chǎn)生熱分解而固定在吸附處。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力時(shí)，則吸附分子將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，如 O2和 NON,等被稱(chēng)為氧化型氣體或電子接收型氣體。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，則吸附分子將向器11 / 52件釋放出電子，而形成正離子吸附。具有正離子吸附傾向的氣體有 HCO,碳?xì)浠衔锖痛碱?lèi)等，被稱(chēng)為還原型氣體或電子供給型氣體半導(dǎo)體氣敏傳感器的參數(shù)1）工作電壓：5VDC2）靜態(tài)功耗：≤15mW3）工作溫度：－10℃~50℃4）相對(duì)濕度：≤95%5）初期穩(wěn)定時(shí)間：≤3min.6）檢測(cè)濃度范圍：0~2022ppm（一氧化碳）（4）MQ2 的相關(guān)參數(shù)本次的設(shè)計(jì)采用的MQ2氣體傳感器，MQ2氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO 2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。（1）靈敏度特性：12 / 52圖 傳感器典型的靈敏度特性曲線注：圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro） ，橫坐標(biāo)為氣體濃度。Rs 表示傳感器在不同濃度氣體中的電阻值Ro 表示傳感器在1000ppm不同氣體中的電阻值（2）溫/濕度的影響：圖 傳感器典型的溫度、濕度特性曲線圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro） 。Rs表示在含1000ppm 甲烷、不同溫/濕度下傳感器的電阻值Ro表示在含1000ppm 甲烷、20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值 傳感器的相關(guān)的參數(shù)（3）規(guī)格：（4）符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注Vc 回路電壓 ≤24V DCVH 加熱電壓 177。 ACorDC20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH13 / 52 B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性敏感體功耗（Ps）值：Ps=Vc 2Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（Rs）值：Rs=(Vc/V RL1)RL（4）結(jié)構(gòu)，外形MQ2 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 4 所示(結(jié)構(gòu) A 或 B), 由微型 Al2O3 陶瓷管、SnO2 敏感層,測(cè)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。封裝好的氣敏元件有６只針狀管腳，其中４個(gè)用于信號(hào)取出，２個(gè)用于提供加熱電流。RL 負(fù)載電阻 可調(diào)RH 加熱電阻 31Ω177。3Ω 室溫PH 加熱功耗 ≤900mW符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)條件 備注Tao 使用溫度 　　10℃－＋50℃Tas 儲(chǔ)存溫度 　　20℃－＋70℃RＨ 相對(duì)濕度 　　小于　95% RＨO2 氧氣濃度 21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性 最小值大于２％符號(hào) 參數(shù)名稱(chēng) 技術(shù)參數(shù) 備注Rs 敏感體表面電阻 2KΩ20KΩ(2022ppm C3H8 )α(R3000ppm/R1000ppm C3H8)濃度斜率 ≤標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度： 20℃177。2℃ Vc:177。相對(duì)濕度： 65%177。5% V H: 177。適用范圍： 500020220ppm天然氣預(yù)熱時(shí)間 不少于48小時(shí)14 / 52圖 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形MQ2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。此次的 MQ2傳感器因?yàn)樵?protues 的元器件庫(kù)中無(wú)法找到，然后只能利用protel 進(jìn)行設(shè)計(jì)。元器件選擇電源采用輸入 AC：220V 50Hz，輸出 DC：穩(wěn)壓 5V 的電源變壓器；煙霧傳感器 MQ－2；一個(gè) 50K 的電位器；一個(gè) 1 K 的電阻；一個(gè)三腳的開(kāi)關(guān)；晶體管采 部件 材料1 氣體敏感層 二氧化錫2 電極 金（Au）3 測(cè)量電極引線 鉑（Pt）4 加熱器 鎳鉻合金（NiCr ）5 陶瓷管 三氧化二鋁6 防爆網(wǎng) 100目雙層不銹鋼（ SUB316）7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（NiCu ）8 基座 膠木或尼龍9 針狀管腳 鍍鎳銅材（NiCu ）圖 15 / 52用 9013 型號(hào)；繼電器采用 JRC－4100F 5V 的型號(hào)；通電指示燈采用 的淡綠發(fā)光二極管；風(fēng)扇 FAN 為 5V 的單轉(zhuǎn)向小型風(fēng)扇。其原理圖如下圖 ：圖 MQ2 原理圖電路如圖 所示， MQ－2 為煙霧傳感器，F(xiàn)AN 為 5V 電機(jī)。電路采用交流供電，220V 交流市電從插頭引入電路，經(jīng)電源變壓器降壓后變?yōu)橹绷?，直流電壓直接供傳感?MQ－2 的加熱絲 HH 工作，加熱絲給傳感器 MQ－2 預(yù)熱一定時(shí)間后，才能正常檢測(cè)煙霧。 穩(wěn)壓電壓同時(shí)供控制電路工作，接在繼電器、通電指示燈和風(fēng)扇上。當(dāng)MQ－2 所處的環(huán)境煙霧在允許范圍內(nèi)時(shí)，其兩端輸出電極 HH 間導(dǎo)電率很低，則加在電極間兩端 H—H 電壓很低，則輸出電壓升高，晶體管 9013 導(dǎo)通，此時(shí)加在繼電器 JRC－4100F 兩端的電壓達(dá)到它的啟動(dòng)電壓（５V） ，繼電器跳轉(zhuǎn)，通電指示燈熄滅；風(fēng)扇 FAN 電路接通，風(fēng)扇工作，開(kāi)始吸收煙霧。風(fēng)扇產(chǎn)生吸力將煙霧吸入裝有活性炭過(guò)濾篩的殼體，先經(jīng)過(guò)一層活性炭過(guò)濾后，再經(jīng)過(guò)負(fù)離子發(fā)生器，從而除掉有害物質(zhì)。過(guò)濾篩可以拆下來(lái)清理或更換，活性炭也可以更換。當(dāng)煙霧逐漸減少，傳感器 MQ－2 導(dǎo)電率升高，加在電極間兩端 H—H 的電壓升高，輸出電壓變小，晶體管 9013 截止，則繼電器 JRC－4100F 兩端電壓為零，繼電器跳轉(zhuǎn)為常態(tài)，風(fēng)扇 FAN 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，通電指示燈變亮。注：為了使到在煙敏器件電路發(fā)生故障的時(shí)候煙灰缸還能工作，我們另外接了一個(gè)手動(dòng)的開(kāi)關(guān)（如電路圖中的開(kāi)關(guān) K） ，這樣，當(dāng)電路發(fā)生故障的時(shí)候，我們16 / 52可以手動(dòng)的開(kāi)啟電機(jī)，一樣能達(dá)到抽煙過(guò)濾的功能。調(diào)試電路主要通過(guò)調(diào)試可變電阻 ，可以調(diào)節(jié)煙霧傳感器的靈敏度，以獲得滿(mǎn)意的煙霧濃度風(fēng)扇啟動(dòng)點(diǎn)。 單片機(jī)的選擇單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了 I/O 設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱(chēng)前冠以形容詞——“智能型” ，如智能型洗衣機(jī)，各種警報(bào)器中的應(yīng)用等。一方面它要接收來(lái)自傳感器的氣體濃度的模擬信號(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時(shí)，查詢(xún)是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，這一過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到并進(jìn)行相應(yīng)處理。根據(jù)此次的實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)我們采用的是 51 系列的單片機(jī)，根據(jù)多方面的比較我此次采用的是 AT89C51 的單片機(jī)。 AT89C51 單片機(jī)的介紹描述AT89C51 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)帶有 4K 字節(jié)的可反復(fù)擦寫(xiě)的程序存儲(chǔ)器（PENROM） 。和 128 字節(jié)的存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） ，這種器件采用 ATMEL 公司的高密度、不容易丟失存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，并且能夠與 MCS51 系列的單片機(jī)兼容。片內(nèi)含有 8 位中央處理器和閃爍存儲(chǔ)單元，有較強(qiáng)的功能的AT89C51 單片機(jī)能夠被應(yīng)用到控制領(lǐng)域中。17 / 52功能特性AT89C51 提供以下的功能標(biāo)準(zhǔn)：4K 字節(jié)閃爍存儲(chǔ)器，128 字節(jié)隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，32 個(gè)