【文章內(nèi)容簡介】 測量，主光束通過測量兀件內(nèi)的目標(biāo) 氣體，參考光束通過比較兀件內(nèi)的參考?xì)怏w。在測量和比較兀件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產(chǎn)生一個正比十目標(biāo)氣體濃度的差分信號。非擴(kuò)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(kuò)散和損耗被記錄下來。 不同的氣體吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測量 CO 和 CO2，冷凍劑厭惡和一些易燃?xì)?，由于非碳?xì)浠衔镆兹細(xì)怏w（如氫）不吸收電磁普中 IR部分能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳?xì)浠衔铮⑶矣凶钚?的交叉靈敏度，而且不受其他氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。 常見氣體傳感器可檢測氣體種類 由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測一種或者兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測無機(jī)氣體，如 O CO H Cl SO2等。 簡要例舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測的氣體種類 表 21 各種氣體傳感器可檢測的氣體種類 傳感器的種類 ＣＯ CO2 H2s NH3 HCN HCl CO Cl2 Cl2 NOx SO2 O2 CH4 C2H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ . . 催化燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 氣體傳感器 的主要參數(shù)和特性 ①靈敏度 靈敏度是氣敏傳感器的一個重要參數(shù)，用 K 表示，它標(biāo)志著氣敏元件對氣體的靈敏程度。用 K表示，用其阻值變化量△ R與氣體濃度變化量△ P之比表示。 ②響應(yīng)時間 氣敏傳感器的響應(yīng)時間是指在工作溫度下氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。從氣敏元件與被測氣體接觸，到氣敏元件的阻值達(dá)到新的恒定值所需要的響應(yīng)時間。 ③選擇性 氣敏傳感器在相同條件下，接觸同一濃度、不同種類氣體是，區(qū)分氣體種類的能力成為選擇性，傳感器催某種氣體的選擇性好，就表示傳感器對它有較高的的靈敏度。 ④穩(wěn)定性 當(dāng)檢測的氣體濃度不變時， 氣敏元件的輸出也應(yīng)保持不變，單實(shí)際情況會受其他條件變化的影響而發(fā)生變化，這種在其他條件發(fā)生變化時氣敏元件輸出特性保持不變的能力稱為穩(wěn)定性。 ⑤溫度特性 氣敏元件的特性歲溫度變化兒發(fā)生變化的特性稱為溫度特性。元件自身溫度對靈敏度的影響相當(dāng)大，解決這個問題的措施之一就是用溫度補(bǔ)償法。 . . ⑥濕度特性 氣敏元件的特性歲環(huán)境濕度不同而發(fā)生變化的特性稱為濕度特性。 ⑦電壓特性 氣敏元件的靈敏度隨電壓變化的特性稱為電源電壓特性。 氣體傳感器的選定 根據(jù)傳感器的主要參數(shù)和特性指標(biāo)以及結(jié)合本設(shè)計所要求的檢測濃度范圍， 選MC101 作為本設(shè)計的傳感器 MC101 介紹 簡介 MC101 型催化元件根據(jù)催化燃燒效應(yīng)的原理工作，由檢測元件和補(bǔ)償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度增大而正比例增大，補(bǔ)償元件起到參比及溫度補(bǔ)償作用。 特點(diǎn) 橋路輸出電壓呈線性 響應(yīng)速度快 具有良好的重復(fù)性、選擇性 元件工作穩(wěn)定、可靠 優(yōu)異的抗 H2S，有機(jī)硅中毒能力 表 22 MC101技術(shù)指標(biāo) 產(chǎn)品型號 MC101 產(chǎn)品類型 載體催化氣敏元件 標(biāo)準(zhǔn)封裝 塑料封裝 工作電壓（ V） 177。 工作電流（ mA） 110177。 10 靈敏度 （ mV） 1%甲烷 25~50 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） 5 測量范圍（ %） 0~100 響應(yīng)時間（ 90%） 10s 恢復(fù)時間（ 90%） 30s 使用環(huán)境 40~+70℃低于 95%RH 保存環(huán)境 20~+70℃低于 95%RH 外形尺寸（ mm） 12mm*8mm . . 靈敏度、響應(yīng)恢復(fù)特性 圖 21 靈敏度特性圖 圖 22響應(yīng)恢復(fù) 特性圖 輸出信號隨環(huán)境溫度的變化 圖 23 輸出信號隨環(huán)境溫度的變化圖 . . 圖 24 輸出信號隨環(huán)境溫度的變化圖 輸出信號隨工作電壓的變化 圖 25 輸出信號隨工作電壓的變化圖 圖 26 輸出信號隨工作電壓的變化圖 基本測試電路 圖 27 傳感器基本測試電路圖 . . 第三章 家用燃?xì)庑孤秷缶b置的硬件部分設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計 系統(tǒng)的工作原理是利用燃?xì)鈧鞲衅鲗⒖扇細(xì)鉂舛茸儞Q為 mV 級模擬電流信號，放大器把信號放大后，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器，變換成數(shù)字 量送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對其進(jìn)行分別處理。 MC101催化燃燒式 氣體傳感器 主要是對 CH4氣體濃度進(jìn)行精密的單項(xiàng)檢測。 空氣中的氣體濃度信號同時進(jìn)入單片機(jī)，單片機(jī)對其進(jìn)行分析，并輸出信號到顯示器，當(dāng)檢測信號達(dá)到限定的預(yù)設(shè)值時，單片機(jī)將輸出信號驅(qū)動報警，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲響，報警 LED發(fā)光。 燃?xì)庑孤﹫缶到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，該系統(tǒng)傳感器和單片機(jī)是兩大核心，他們共同配合完成氣體信號采集、顯示、生意及閃爍報警功能，系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，成本 低，有利于減少報警器的體積。 使用 AT89C51單片機(jī)，選用催化式氣敏元件 MC101 作為敏感元件，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器和聲光報警電路，設(shè)計可用于家用燃?xì)庑孤﹫缶鳎?儀器的最基本組成部分包括：氣體傳感器，模數(shù)轉(zhuǎn)化電路， AT89C51 單片機(jī) ，聲光報警電路。 傳感器將氣體濃度信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。經(jīng)過放大電路，將傳感器的輸出端微弱信號轉(zhuǎn)化為 A/D 轉(zhuǎn)化器能識別的電壓信號范圍，單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字處理，并對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過與預(yù)設(shè)值的比較，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)不同的聲光報警功能。 家用燃?xì)鈭缶鞯墓δ? 聲光報警功能 當(dāng)傳感器檢測的氣體濃度達(dá)到預(yù)設(shè)值時，蜂鳴器開始報警，聲音≥ 70dB 并隨著濃度的增加報警音量逐漸加大，同時伴隨紅燈閃爍，通過有明顯變化的信號引起人們的警覺意識。 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 單片機(jī)的選擇 . . 圖 31燃?xì)鈭缶到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 單片機(jī)作為燃?xì)庑孤﹫缶暮诵钠骷?，一方面他要接受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(jìn)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(jī) 實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號做數(shù)字濾波，在進(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，使儀表檢測人員能夠觀測到并進(jìn)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(jī)中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機(jī)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。 單片機(jī) AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4KB 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128B 的隨 機(jī)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(biāo)準(zhǔn) MSC51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位（ CPU 和 Flash 存儲單元）功能強(qiáng)大。 的主要性能參數(shù)如下 ： 氣體傳感器 放大器 A/D轉(zhuǎn)換器 AT89C51單片機(jī) 電源 聲音報警 燈光報警 . . （ 1）與 MSC51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。 （ 2） 4KB 可重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲器。 （ 3） 1000 次擦寫周期。 （ 4）三級加密程序存儲器。 （ 5） 128 8B 內(nèi)部 RAM。 （ 6） 32 個可編程 I/O 口線。 （ 7） 2 個 16 位定時 /計數(shù)器。 （ 8） 6 個中斷源。 （ 9）可編程串行 UART 通道。 （ 10）低功耗空閑和掉電模式。 （ 11）全靜態(tài)操縱： AT89C51 為 0Hz~24MHz。 （ 12） AT89C51 的工作電源電壓為 5V。 引腳功能說明 P0口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn) 時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。 P1口： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做輸入口，做輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗(yàn)期間， P1口接收低 8位地址。 P2口： P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過 內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做輸入口，做輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器或 16 為地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時， P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI. . 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2）寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時， P2 亦接受高位地址和其他控制信號。 P3口 ： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙 向 I/O 口。 P3 口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，他們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。做輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 控制信號線 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作室， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以始終振蕩頻率 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時 目的。更注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE脈沖。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。 PSEN： 程序存儲允許（ PSEN）輸出時外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 EA/VPP： 外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H~FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 時鐘和復(fù)位電路 采用內(nèi)部時鐘方式利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶振，就構(gòu)成了自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路。外接晶振時， C1和 C2 的值通常選擇 30pF 左右； C C2 對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ~12MHz 之間選擇。本設(shè)計選擇了 6MHz，電容為 1uF，為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn) 定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)引腳 XTAL1 和 XTAL2 靠近。 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷. . 復(fù)位信號。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時才撤銷復(fù)位信號，