【文章內(nèi)容簡介】 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。 由于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，典型應用包括測量 CO 和 CO冷凍劑氣體和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃氣體 (如氫 )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氣體的影響。 （ 6）離子感煙傳感器 離子感煙傳感器對于火災初起和陰燃階段的氣體氣溶膠檢測非常有效，可測氣體粒徑范圍為 。它在內(nèi)外電離室里面有放射源镅 241。由于它能使兩極板間空氣分子電離為正、負離子，使電極之間原來不導電的空氣具有導電性。在正常的情況下，內(nèi)外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。當火災發(fā)生時，氣體粒子進入電離室后，電力部分（區(qū)域）的正離子和負離子被吸附到氣體粒子上，使正、負離子相互中和的概率增 加，從而將氣體粒子濃度大小以電流變化量大小表示出來，實現(xiàn)對火災參數(shù)的檢測。 （ 7）光電式感煙傳感器 光電式感煙傳感器由光源、光敏元件和電子開關(guān)組成。平常光源發(fā)出的光，通過透鏡射到光敏元件上，電路維持正常，如果有液化氣從中阻隔，到達光敏元件上的光就顯著減弱，于是光敏元件就把光強的變化變成電的變化，利用光散射原理對火災初期產(chǎn)生的液化氣進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式等 4 種。 光電式感煙探測器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn) 早期火災報警，除應用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。 根據(jù)報警器檢測氣體種類的不同要求，很多場合都會選擇使用半導體氣體傳感 11 信息科學與技術(shù)學院學士學位論文 器。經(jīng)過對比眾多氣體傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體氣體傳感器的優(yōu)點更加突出。半導體氣體傳感器具有靈敏度高、響應快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低，因而得到廣泛應用。因此，本設計中的氣體傳感器選用 MQN5 半導體氣體傳感器。 MQN5 半導體氣體傳感器 本設 計采用 MQN5 半導體氣體傳感器， MQN5 半導體氣體傳感器是以清潔空氣中電導率較低的金屬氧化物二氧化錫 (SnO2)為主體的 N 型半導體氣敏元件。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。在設計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號 [20]。該傳感器具備一般半導體氣體傳感器靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應用十分廣泛。 二氧化錫 (SnO2)半導體氣敏元件 特點： （ 1） SnO2 材料的物理、化學穩(wěn)定性較好，與其他類型氣敏元件相比， SnO2 氣敏元件壽命長、穩(wěn)定性好、耐腐蝕性強。 （ 2） SnO2 氣敏元件對氣體檢測是可逆的，而且吸附、脫離時間短，可連續(xù)長時間使用。 （ 3） SnO2 氣敏元件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠行較高，機械性能良好。 MQN5 氣敏元件 的結(jié)構(gòu)和外形由微型 AL2O3 陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測量電極和加熱器構(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只針狀管腳，其中 4 個用于信號取出， 2個用于提供加 熱電流 [21]。 MQN5 半導體 氣體傳感器 適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、液化氣等的檢測，對可燃性氣體的（ CH C4H H2 等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器， 12 基于單片機的液化氣檢測報警器設計 非常適合多種應用的低成本傳感器。其技術(shù)指標表 21所示。 表 21 MQN5 的技術(shù)指標 加熱電壓（ Vh） AC 或 DC 5177。 回路電壓（ Vc） 負載電陰（ Rl） 清潔空氣中電阻 （ Ra） 靈敏度（ S=Ra/Rdg） 響應時間 (trec) 恢復時間 (trec) 元件功耗 檢測范圍 使用壽命 最大 DC 24V 2KΩ ≤20xx KΩ ≥4(在 1000ppmC4H10 中 ) ≤10S ≤30S ≤ 50—10000ppm 2 年 由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結(jié)構(gòu)就不同。通常氣體傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當信號的數(shù)值符合 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，可以不用放大器放大 ；當信號的數(shù)值不符合 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以 MQN5 半導體 氣體 液化氣 傳感器 要想把采集到的氣體濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經(jīng)過放大器進行放大處理，之后才能將模擬信號經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為可以識別的電信號給單片機。 設計時應注意，氣敏元件開機通電時，其內(nèi)阻很小，但經(jīng)過一段時間后，才能恢復到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。因此， MQN5 氣體傳感器需開機預熱幾分鐘，才可投入使用，以免造成誤報。 單片機的選型 單片機 是 氣體 自動報警系統(tǒng)的心臟，用來接收火災信號并啟動 報警裝置顯示和執(zhí)行相應的保 護和消防動作。在單片機實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的氣體濃度等級，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積 [22]。 單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。由于其微 13 信息科學與技術(shù)學院學士學位論文 小的體積和極低的成本，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和編程語言也大大簡化，因此 被廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。由于MCS 系列單片機集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機提供了極大的便利。 由于單片機技術(shù)在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，本設計考慮了其中兩種方案 [23]。 方案一：采用 PIC 系列單片機 PIC(Peripheral Interface Controller)是外設接 口控制器的簡稱，它是由美國Microchip 公司開發(fā)的嵌入式控制器 (Embedded Controller)。嵌入式控制器國內(nèi)習慣稱為單片機。 PIC 是一種采用精簡指令集計算機 RISC(Reduced Instruction Set Computer)結(jié)構(gòu)、哈佛總線結(jié)構(gòu)、 2 級流水線取指令方式，具有實用、低價、指令集小、簡單易學、低功耗、高速度、體積小、功能強等特點，體現(xiàn)了單片機發(fā)展的一種新趨勢。 PIC 系列單片機的硬件系統(tǒng)設計簡潔，指令系統(tǒng)設計精煉。在所有的單片機品種中，它是最容易學習、最容易應用的單片機品 種之一。 PIC 單片機的特點： （ 1）哈佛總線結(jié)構(gòu)。 PIC 系列單片機不僅采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)。在 PIC 系列單片機中采用的這種哈佛總線結(jié)構(gòu)（與其相對的是馮 .諾依曼結(jié)構(gòu)），就是在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并且采用不同的寬度。便于實現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”，也就是在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進行取指令操作，便于實現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高 CPU 執(zhí)行指令的速度。 （ 2）精簡指令集 (RISC)技術(shù)。精簡指令集是采用 RICS 結(jié)構(gòu)的單片機，數(shù)據(jù)線和指令線分離。即所謂的哈佛 結(jié)構(gòu)。這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。 （ 3）尋址方式簡單。 PIC 系列單片機只有 4 種尋址方式（寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址），容易掌握。 14 基于單片機的液化氣檢測報警器設計 （ 4）功耗低。 PIC 系列單片機的功率消耗極低，是目前世界上功耗最低的單片機品種之一。其中有些型號，在 4MHZ 時鐘頻率下工作時電流不超過 2mA，在睡眠模式下的電流可以低到 1μA以下。 （ 5）驅(qū)動能力強。 （ 6） I2C 和 SPI 串行總線端口。 （ 7）外接電路簡潔。 （ 8）開發(fā)方便。 （ 9）程序存儲器版本齊全。 （ 10）品種豐富。 （ 11）程序保密性強。 PIC 系列單片機與 MCS—51 系列的區(qū)別如下 [24]： MCS—51 是許多人熟悉的單片機之一。 PIC 系列單片機與 MCS—51 系列單片機的組成及結(jié)構(gòu)存在一定區(qū)別。其主要區(qū)別在于總線結(jié)構(gòu)、流水線結(jié)構(gòu)、寄存器組及基本特性方面。 （ 1）總線結(jié)構(gòu)。 MCS—51 的總線結(jié)構(gòu)是馮 .諾依曼型，該系列單片機在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時進行；而 PIC 的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)，由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了 數(shù)據(jù)吞吐率。正因為在 PIC 系列單片機中采用了哈佛總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控制器不同的一點是，程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是 8 位的，但指令總線位數(shù)依基本型（ PIC12CXX/16C5X）、中級型（ PIC16C6X/16C7X/16F87X）、高級型（ PIC17CXX/18CXX）分別為 1 1 16 位。 （ 2）流水線結(jié)構(gòu)。 MCS—51 的取指令和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu)，即取一條指令，執(zhí)行完成后再取下一條指令；而 PIC 的取指令和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu)，當一條指令被執(zhí)行時，允許下一條指令同時被 取出，這樣就實現(xiàn)了單周期指令。 （ 3）寄存器組。 PIC 的所有寄存器，包括 I/O 口、定時器及程序計數(shù)器等都采用 RAM 結(jié)構(gòu)形式，而且都需要一個指令周期就可以完成訪問和操作；而 MCS—51 需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。 15 信息科學與技術(shù)學院學士學位論文 （ 4）基本特性。 PIC 具有高性能精簡指令集計算機 CPU，只需學會 35 條單字指令；而 MCS—51 需要 111 條指令。 PIC 多達 8K14 字節(jié)可重復多次寫入的閃速 FLASH 程序存儲器、多達 3688字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、多達 2568 字節(jié) E2PROM 數(shù)據(jù)存儲器；而 MCS—51 有 4千 字節(jié) EPROM， 128 字節(jié) RAM。 PIC 終端源多達 14 個；而 MCS—51 有中斷源 5 個。 PIC 有 3 個定時器，定時器 Timer0：帶有 8 位預分頻器的 8 位定時器 /計數(shù)器。定時器 Timer1：帶有預分頻器的 16 位定時器 /計數(shù)器，在休眠期間外部晶振 /時鐘可以工作。定時器 Timer2：帶有 8 位周期寄存器、預分頻器和后分頻器的 8 位定時器 /計數(shù)器；而 MCS—51 有 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器（ Timer/Counter）。 PIC 有兩個捕獲（ Capture）、比較（ Compare）、脈沖寬度調(diào)制 PWM 模式、 10位多通道 A/D 轉(zhuǎn)換器、帶有 SPITM（主模式）和 I2CTM（主 /從）的同步串行端口SSP（ Synchronous Serial Port）、帶有 9 位地址檢測的通用同步異步接收發(fā)送器 USART（ USART/SCI）、 8 位寬并行從屬端口（ Parallel Slave Port， PSP）、有節(jié)電鎖定復位（ BrownOut Reset， BOR）的節(jié)電檢測電路等；而 MCS—51 沒有。 Microchip 可提供的 PIC 單片機系列，按其指令的位數(shù)可分為 3 類：初級產(chǎn)品、中級產(chǎn)品和高級產(chǎn)品，每種產(chǎn)品包含多種型號。 初級產(chǎn)品 —— 8 位指令 系列（ PIC16C5XX/PIC12C5XX）其中 PIC16C5X 是最早發(fā)展的系列。適用于各種對成本要求嚴格的嵌入式控制。而 PIC12C5XX 是第一個 8腳低價單片機，其小巧，應用前景廣闊。 中級產(chǎn)品 —— 12 位指令字系列（ PIC12C6XX/PIC16C/FXXX），它是品種最豐富的系列。它在 PIC16C5X 的基礎上進行了很多改進，并保持很高的兼容性。從 8 腳到 68 腳各種形式的封裝， PIC12C6XX/16CXXX 可應用于各種高、中、低檔電子產(chǎn)品設計中。它的特點是保持低價格的前提下具有很高的性能，如帶 A/D、內(nèi) 部EEPROM 數(shù)據(jù)存儲器、雙時鐘工作、比較輸出、捕捉輸入、 PWM 輸出、 I2C 和 SPI接口、異步串行通信（ USART）、模擬電壓比較器及 LCD 驅(qū)動等，已被廣泛引用在各種電子產(chǎn)品中，且表現(xiàn)極佳。 16 基于單片機