【文章內(nèi)容簡介】 證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 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)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，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)點更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜，且不會發(fā) 生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報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)計選用MQ2 型氣敏 傳感器，這種型號的傳感器 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、壽命長等優(yōu)點 。 6 天 燃氣泄露報警系統(tǒng)的整體設(shè)計方案 天 燃氣泄露報警器工作原理 本論文中的 燃氣泄漏 報警器 以 AT89C51 單片 機為 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 濃度對應(yīng)的電壓信號送入 AT89C51 單片機；然后，在 AT89C51 單片機內(nèi) A/D 轉(zhuǎn)換、 氣體 濃度比較，對數(shù)據(jù)進行 線性化處理，將數(shù)字化電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的十進制濃度值；最后， 判斷 氣體 濃度值是否超出報警限，當 氣體 濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會閃亮，當 氣體 濃度超出設(shè)定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。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)時間和恢復(fù)時間就越快。為提高響應(yīng)時間，保證氣體 傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向 氣體 傳感器持續(xù)輸出一個 5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。 天 燃氣泄露報警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計的可燃性氣體報警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃氣體濃度、可接計算機進行現(xiàn)場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 天 燃氣泄露 報警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 ，該系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、聲音及閃 爍報警等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本 。 使用 AT89C51 單片機，選用 氣敏 傳感器作為敏感元件，利用 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報警電路 ，開發(fā)了可用于 家庭或 小型單位 天 燃氣泄漏 報警器。 整個設(shè)計由 4大部分構(gòu)成：氣敏 傳感器、 A/D轉(zhuǎn)換電路、 AT89C51 單片機、聲光報警電路。 氣敏 傳感器是將現(xiàn)場氣體濃度 非電信號轉(zhuǎn)化為電信號；轉(zhuǎn)換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。聲光報 警模塊由單片機和報警電路組成，由單片機控制實現(xiàn)不同的聲光報警功能。 7 圖 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 氣體檢測報警器的功能 聲光報警功能 當氣體濃度取值處在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏感，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 燈光報警 聲音報警 氣體 濃度 電源 時鐘 復(fù)位 8 第 3 章 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計 主控電路的設(shè)計 半導(dǎo)體 氣 敏 傳感器簡介 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)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，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)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，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應(yīng)的輸出信號。 （ 1） 靈敏度特性： 圖 傳感器典型的靈敏度特性曲線 注：圖中縱坐標為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。 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 試回路： 圖 傳感器的基本測試電路 該傳感器需要施加 2個電壓：加熱器電壓（ VH）和測試電壓（ VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。 VC則是用于測定與傳感器串聯(lián)的負載電阻（ 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可以共用同一個電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當?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個用于信號取出，２個用于提供加熱電流 。 符號 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 負載電阻 可調(diào) RH 加熱電阻 31Ω177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mW 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Tao 使用溫度 10℃－＋ 50℃ Tas 儲存溫度 20℃－＋ 70℃ RＨ 相對濕度 小于 95% RＨ O2 氧氣濃度 21%(標準條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于２％ 符號 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 ≤ 標準工作條件 溫度： 20℃177。 2℃ Vc:177。 V 相對濕度： 65%177。5% VH: 177。 V 預(yù)熱時間 不少于 48小時 11 圖 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2/MQ2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器 。 單片機的選擇 單片機作為燃氣泄漏報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的氣體濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現(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)換后的信號做數(shù)字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現(xiàn)，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到并進行相應(yīng)處理。同時，在能夠滿足報警器設(shè)計的計算速度及接口數(shù)的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(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 。 其中 AT89C2051是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形如圖所示 ， 本設(shè)計用的 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 8位數(shù)據(jù)總線， 40個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口， 六個中斷源，兩層中斷優(yōu)先級，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 另外， AT89C51 是以靜態(tài)邏輯運行到零頻率的方式設(shè)計的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護模式。休眠模式停止 CPU 運行，但允許數(shù)據(jù)存儲器、定時 /計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運行。掉電模式保存數(shù)據(jù)存儲器的內(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只讀程序存儲器和 128Kbytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的 AT89C51提供了高性價比的解決方案。 13 AT89C51 單片機的基本結(jié)構(gòu) AT89C51 單片機的基本結(jié)構(gòu)如圖所 示 圖 基本結(jié)構(gòu)圖 由圖可見， 89C51 單片機主要由以下部分組成： （ 1） CPU系統(tǒng) 8 位 CPU和閃爍存儲器 ；時鐘電路；總線控制邏輯。 （ 2）存儲器系統(tǒng) 4KB 的程序存儲器（ ROM/EPROM/Flash）； 128KB 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）。 （ 3） I/O口和其他動能單元 4個并行 I/O口； 2 個 16 位定時 /計數(shù)器； ,2個全雙工串行通信口 ；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源） 14 AT89C51 單片機的引腳 （ 1）主電源及時鐘引腳： 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(片外存儲器選擇 )、 RST（復(fù)位控制）。 （ 4） I/O控制： P0、 P P P3共四個 8位口線， VCC： 供電電壓 ，接 +5V。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必 須被拉高。 15 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩