【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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) 。 6 天 燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 天 燃?xì)庑孤秷?bào)警器工作原理 本論文中的 燃?xì)庑孤?報(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。 首先， 氣體 傳感器送來的 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。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 燃?xì)庑孤秷?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 燃?xì)庑孤?報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ，該系統(tǒng)以單片機(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，利用 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報(bào)警電路 ，開發(fā)了可用于 家庭或 小型單位 天 燃?xì)庑孤?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。 7 圖 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(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，蜂鳴器開始報(bào)警，且聲音越來越急促，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的注意。 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 電源 時(shí)鐘 復(fù)位 8 第 3 章 天 燃?xì)庑孤﹫?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 傳感器簡(jiǎn)介 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)體氣體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 )。 MQ2/MQ2S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 (SnO2)。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： 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 圖 9 （ 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 （ 3）基本測(cè) 試回路： 圖 傳感器的基本測(cè)試電路 該傳感器需要施加 2個(gè)電壓：加熱器電壓（ VH）和測(cè)試電壓（ VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。 VC則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（ RL）上的電壓（ VRL）。這種傳感器具有輕微的極性， VC需用直流電源。在滿足傳感器電性能要求的前提下， VC和 VH可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)?RL值。 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH圖 Vc VH GND RL VRL 10 （ 4） 規(guī)格： B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 敏感體功耗（ Ps）值： Ps=Vc2179。 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL1)179。 RL （ 5） 結(jié)構(gòu)，外形 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 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 。 符號(hào) 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 24V DC VH 加熱電壓 177。0. 2V ACorDC 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 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% RＨ O2 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 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 2KΩ 20KΩ (2021ppm C3H8 ) 適用范圍： 500020210ppm 天然氣 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 濃度斜率 ≤ 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度： 20℃177。 2℃ Vc:177。 V 相對(duì)濕度： 65%177。5% VH: 177。 V 預(yù)熱時(shí)間 不少于 48小時(shí) 11 圖 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2/MQ2S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 。 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)作為燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的核心部件，一方面它要接收來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)，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中， 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 12 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。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干 擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。 AT89C51 是 Atmel 公司生產(chǎn)的 一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲(chǔ)器（ FPEROM—Flash Programmable and Erasable ReadOnly Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱 單片機(jī) 。 其中 AT89C2051是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形如圖所示 ， 本設(shè)計(jì)用的 AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)， 8位數(shù)據(jù)總線， 40個(gè)引腳， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口， 六個(gè)中斷源，兩層中斷優(yōu)先級(jí)，同時(shí)內(nèi)含 2個(gè)外中斷口， 2個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 另外， AT89C51 是以靜態(tài)邏輯運(yùn)行到零頻率的方式設(shè)計(jì)的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護(hù)模式。休眠模式停止 CPU 運(yùn)行，但允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。掉電模式保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復(fù)位為止。 AT89C51 其工作電壓范圍為 ～ 6V（實(shí)際使用 +5V供電） ，片內(nèi)含 4k bytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲(chǔ)器和 128Kbytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。 13 AT89C51 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu) AT89C51 單片機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所 示 圖 基本結(jié)構(gòu)圖 由圖可見， 89C51 單片機(jī)主要由以下部分組成： （ 1） CPU系統(tǒng) 8 位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器 ；時(shí)鐘電路；總線控制邏輯。 （ 2）存儲(chǔ)器系統(tǒng) 4KB 的程序存儲(chǔ)器（ ROM/EPROM/Flash）； 128KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）。 （ 3） I/O口和其他動(dòng)能單元 4個(gè)并行 I/O口； 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； ,2個(gè)全雙工串行通信口 ；中斷系統(tǒng)（ 5個(gè)中斷源） 14 AT89C51 單片機(jī)的引腳 （ 1）主電源及時(shí)鐘引腳： VCC、 GND 等。 （ 2）編程電源： VPP。 （ 3）控制口線： PSEN（片外取指控制）、 ALE（地址鎖存控制）、 EA(片外存儲(chǔ)器選擇 )、 RST（復(fù)位控制）。 （ 4） I/O控制： P0、 P P P3共四個(gè) 8位口線， VCC： 供電電壓 ，接 +5V。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)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。 15 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