【文章內(nèi)容簡介】 較高,大約 200～500 ℃。為了進(jìn)一步提高它們的靈敏度, 降低工作溫度, 通常向母料中添加一些貴金屬( 如 Ag、Au、Pt 等) , 激活劑及粘接劑 Al2O3 、SiO2 、ZrO2 等 。例如對于含量在 1 10 5數(shù)量級的H2S 氣體, 添加 1 %ZrO2 的 ZrO2 SnO2 氣體傳感器與未添加 ZrO2 的元件相比, 靈敏度增加約 50 倍左右。 在 SnO2 中添加 Pt能明顯提高響應(yīng)時間。采用粉末濺射技術(shù)制備的表面層摻雜 SnO/ SnO2 : Pt 雙層膜材料氣敏傳感器用來檢測 CO 的濃度, 發(fā)現(xiàn)可降低工作溫度, 在室溫～200 ℃內(nèi)均顯示出較高的靈敏度。通過添加不同的添加劑還能改善氣體傳感器的選擇性, 在 ZnO 中添加 Ag 能提高對可燃性氣體的靈敏度, 加入 V2O5 能使其對氟里昂更加敏感, 加入 Ga2O3 能提高對烷烴的靈敏度。Fe2O3 系也屬于該類氣體傳感器, 用溶膠凝膠法和化學(xué)氣相沉積法合成納米 Fe2O3 對CH4 、H2 、C2H5OH 有很好的敏感性。 向 Fe2O3 中加入少量 SO2 4 及四價金屬離子如 Sn4 + , 由于抑制其晶粒生長而提高靈敏度。近年來采用薄膜技術(shù)和集成電路技術(shù)把加熱元件、溫度傳感器、叉指電極、氣體敏感膜集成在硅襯底上制成的傳感器, 不僅靈敏度比常規(guī)多晶膜傳感器高得多, 并且結(jié)構(gòu)簡單、制作方便, 還可以根據(jù)被測氣體選擇不同的敏感膜, 使得該類傳感器成為很有發(fā)展前景的新型半導(dǎo)體氣體傳感器。但電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏元件一般暴露在大氣中及加熱元件的電壓值決定了氣敏元件的工作溫度, 如何消除濕度和溫度等環(huán)境因素對測量的影響還未得到很好的解決。SnO2 、ZnO、Fe2O3 為基質(zhì)的半導(dǎo)體氣敏材料仍然是目前市場的主流, 但這類材料的納米化、薄膜化已漸成趨勢。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文24 ２ 非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器非電阻式金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要包括 MOS 場效應(yīng)管型氣體傳感器和二極管型氣體傳感器等。氫氣敏 Pd 柵 MOSEFT 是最早研制成功的催化金屬柵場效應(yīng)氣體傳感器, 當(dāng)氫氣與 Pd 發(fā)生作用時, 場效應(yīng)管的閾值電壓將隨氫氣濃度而變化, 以此來檢測氫氣。這種結(jié)構(gòu)的氣體傳感器對氫氣的靈敏度可達(dá) ppm 級, 而且選擇性非常好, 但長期穩(wěn)定性問題目前尚未得到很好解決。A. Fuchs 等人用帶有 KI 敏感膜的場效應(yīng)管氣體傳感器很好地實現(xiàn)了 O3 的檢測, 在 20～80 ppb 濃度分辨率很高 。將 MOSFET 的金屬柵極去掉, 采用 La017Sr013FeO3 納米薄膜作柵極制作了微米尺寸、室溫工作的 OSFET 式氣體傳感器成功實現(xiàn)了對乙醇?xì)怏w的檢測。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文25第四章 瓦斯探測器硬件的設(shè)計與實現(xiàn)一 系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)由單片機，瓦斯氣體檢測電路，LED 報警燈，蜂鳴報警，及晶震電路組成。如圖 41所示，單片機選用 AT89C51，LED 燈由一個紅燈一個綠燈組成，正常工作時，綠燈亮，表示系統(tǒng)開機且正常工作；當(dāng)空氣中的瓦斯氣體濃度到達(dá)危險值時，檢測電路向單片機發(fā)送信號，單片機控制LED紅燈亮，同時控制蜂鳴電路工作，以此來確保井下人員能立即得到警報圖 41 硬件電路示意圖AT89C51 單片機時鐘電路瓦斯檢測選擇開關(guān)LED 報警燈蜂鳴報警電源濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文26二 單片機電路單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用 Atmel公司的 AT89C51，其引腳分配如圖 31所示。在 XTAL1和 XTAL2端外接時英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘，上電復(fù)位電路（9 腳） ，瓦斯檢測電路信號從 ，作為 AT89C51的兩個中斷觸發(fā)信號，下降沿觸發(fā)方式。由 LED燈顯示的綠燈和紅燈；報警信號從。三 瓦斯檢測電路的設(shè)計瓦斯檢測采用氣敏傳感器作為檢測元件，其體電阻隨可燃性氣體或煙霧濃度的改變而改變。電路圖如圖 42所示。平時，可燃性氣體或煙霧濃度在允許范圍內(nèi)，氣敏傳感器 A、B 間電阻值較大，從 B端輸出低電平。當(dāng)可燃性氣體或煙霧濃度達(dá)到一定值后，氣敏傳感器 A、B 間電阻值迅速減小，從 B端輸出高電平。AT89C51 單片機從輸人端口來檢測是否漏氣并作相應(yīng)的處理，即作報警處理。 圖 42 瓦斯檢測傳感器電路濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文27四 LED 燈顯示的設(shè)計顯示部分采用兩個 LED，如圖 43，工作正常時，控制綠燈（D1）亮，當(dāng)探測器檢測到瓦斯氣體濃度超過正常值時，發(fā)送信號，控制紅燈(D2)亮。 圖 43 LED 指示燈電路五 蜂鳴器的設(shè)計蜂鳴器的設(shè)計主要是考慮當(dāng)報警時確保井下人員能及時得知，未看到紅燈時能聽到聲音。在正常時，蜂鳴器不工作，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^臨界值時，蜂鳴器開始發(fā)出的鳴叫，以保證井下人員及時得到報警信息。 圖 44 蜂鳴器電路濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文28六 時鐘電路的設(shè)計 圖 45 時鐘電路 采用內(nèi)部方式如上圖 45，在 XTAL1和 XTAL2端外接時英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性，如果振蕩器已起振，則在 XTAL2引腳上輸出 fosc取決 l 2 MHz。電容 C01和 C02主要作用是幫助起振(諧振)， C01和C02的容量大小對頻率進(jìn)行微調(diào)，電容容量一般在 20一 100 pF之間選擇，當(dāng)時鐘頻率為 12 MHz時典型值為 30 pF.七 復(fù)位電路的設(shè)計這里我們采用單片機按鍵復(fù)位電路。該電路除具有上電復(fù)位功能外，若要復(fù)位，只需按圖 46中的 RESET鍵，此時電源 VCC經(jīng)電阻 RR2 分壓，在 RESET端產(chǎn)生一個復(fù)位高電平。單片機復(fù)位期間不產(chǎn)生 ALE和 PSEN信號，即 ALE=1和 PSEN=1。這表明單片機復(fù)位期間不會有任何取指操作。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文29 圖 46 單片機按鍵復(fù)位電路M C S51V C CV C CR ESETV SS22 ?F1 k?M C S51V C CV C CR ESETV SS22 ?FR ESETR 1R 2(a) (b )200 ?濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文30第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計一 設(shè)計要求軟件總體設(shè)計時，首先應(yīng)對中斷作出安排，AT89C51 具有兩種中斷方式：時鐘中斷和外部中斷。本儀器對瓦斯氣體的采樣周期為 2s，CPU 采用詢問方式處理。 井下環(huán)境復(fù)雜，對井下瓦斯?jié)舛葴?zhǔn)確預(yù)測十分困難，容易發(fā)生誤判，所以設(shè)備的靈敏度和報警的準(zhǔn)確度十分關(guān)鍵。為方便控制，設(shè)計了兩個開關(guān)，每個開關(guān)四種選擇，對應(yīng)于 I/0口 —、—。分別用來調(diào)節(jié)采樣的時間的長短和報警的門閾值的高低。通過一段時間的抽樣結(jié)果可更準(zhǔn)確測定瓦斯?jié)舛?。報警門閾值的選擇可控制報警的級別。通過兩個開關(guān)的調(diào)節(jié)，給使用人員帶來更大方便。軟件流程圖如 51所示，設(shè)計要求如下： 查詢抽樣時間設(shè)置開關(guān)，設(shè)置抽樣時間； 查詢報警閾值設(shè)置開關(guān)，設(shè)置相應(yīng)的報警閾值； 機器開始計數(shù)，按采樣時間設(shè)置值進(jìn)行，并計算出單位時間瓦斯?jié)舛瘸闃又党瑯?biāo)次數(shù) rate(計數(shù)／秒)。 比較 rate與 state大小，當(dāng) rate≥state 時發(fā)出警報信號，直到rate＜state－1 時撤銷報警信號。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文31二 單片機的工作過程假設(shè)機器碼 74H、E0H 已存在 0000H開始的單元中，則此表示把 E0H這個值送入 A累加器。下面我們來說明單片機的工作過程。接通電源開機后，PC =0000H，取指令過程如下：機中的 0000H 送到片內(nèi)的地址寄存器；PC 的內(nèi)容自動加 1變?yōu)?0001H，指向下一個指令字 地址寄存器中的內(nèi)容 0000H通過地址總線送到存儲器，經(jīng)存儲器中的地址譯碼選中 0000H單元； CPU 通過控制總線發(fā)出讀命令； 被選中單元的內(nèi)容 74H送內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，該內(nèi)容過內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送到單片機內(nèi)部的指令寄存器。到此，取指令過程結(jié)束，進(jìn)入執(zhí)行指令過程。執(zhí)行指令的過程： 指令寄存器中的內(nèi)容經(jīng)指令譯碼器譯碼后，說明這條指令是取數(shù)命令，即把一個立即數(shù)送 A中； PC 的內(nèi)容為 0001H，送地址寄存器，譯碼后選中 0001H單元，同時 PC的內(nèi)容自動加 1變?yōu)?0002H； CPU 同樣通過控制總線發(fā)出讀命令； 0001H 單元的內(nèi)容 E0H讀出經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線送至 A。至此，本指令執(zhí)行結(jié)束。PC=0002H，機器又進(jìn)入下一條指令的取指令過程。機器一直重復(fù)上述過程直到程序中的所有指令執(zhí)行完畢，這就是單片機的基本工作過程。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文32三 軟件流程和源程序編寫的部分 C程序如下:includedefine unit unsigned intdefine uchar unsigned charuchar bdata FLAG。sbit FLAG1=FLAG^1。sbit FLAG2=FLAG^2。sbit P1_1=P1^1。sbit P3_2=P3^2。sbit P3_0=P3^0。uchar data time,Dtime,Btime。unit fetch_rate(void)。main(){ char bdata JFLAG。 unit data state,Astate,rate。 do{ P1=0xFF。 FLAG=P1。 TXD=1。 P3_2=1；P3_0=0。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文33 (1) NO YES YES NO YES 返回（1） 圖 51 軟件流程圖 初始化輸入 P1到標(biāo)志 FLAGFLAG6 決定采樣時間 timeTime=2 Time=4 Time=6 Time=8State=2 State=4 State=8State=6FLAG4 決定報警狀態(tài) state在 time 時間采樣計數(shù)現(xiàn)時計數(shù)率 rate=count/time報警取計數(shù)率 rateAstate=sate1撤報警rate 大于等于 state?rate 大于等于 state?濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文34 JFLAG=FLAG6。JFLAG=JFLAGamp。0x03。 swich(JFLAG){ /*采樣時間設(shè)定*/ case 0: time=2。Dtime=20。break。 case 1: time=4。Dtime=40。break。 case 2: time=6。Dtime=60。break。 case 3: time=8。Dtime=80。break。}Btime=Dtime。 JFLAG=FLAG4。JFLAG=JFLAGamp。0x03。 swich(JFLAG){ /*門閾值數(shù)設(shè)定*/ case 0: state=2。break。 case 1: state=4。break。 case 2: state=6。break。 case 3: state=8。break。濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計正文35}FLAG1=0。TM0D=0x01。TH0=0x3C。TL0=0xB0。TR0=1。ET0=1。EA=1。rate=fetch_rate()。Astate=state1。if(rate=state){ TXD=0。P3_2=0。P3_0=1 /*設(shè)置報警*/ do{rate=fetch_rate()。 }while(rate=Bstate)。 TXD=1。P3_2=1。P3_0=0 /*撤報警*/ }}while(1)。}usigned