【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微 孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(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(wú)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(guò)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MQ7 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)。 燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 燃?xì)庑孤秷?bào)警器工作原理 本論文中的燃?xì)庑孤﹫?bào)警器以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心，采用 MQ7 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(lái)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) 進(jìn)行 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) 點(diǎn) 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 點(diǎn) 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) [2]。 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 9 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。 燃?xì)庑孤秷?bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示，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、聲音及燈光報(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 [3]。 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(kāi)發(fā)了可用于家庭或小型單位燃?xì)庑孤﹫?bào)警器。整個(gè)設(shè)計(jì)由 5大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 AT89C51 單片機(jī)、濃度顯示、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)換并將氣體濃度顯示在數(shù)碼管上。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。 氣體濃度 電源 AT89C51單片機(jī) 電源指示 時(shí)鐘 濃度顯示 氣敏傳感器 A/D 轉(zhuǎn)換器 聲音報(bào)警 復(fù)位 燈光報(bào)警 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(kāi)始報(bào)警，并且伴隨紅燈點(diǎn)亮。因?yàn)槿藢?duì)聲音和紅光信號(hào)更為敏感，所以報(bào)警音及燈光更容易引起用戶的注意。 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 10 第 三 章 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 )。 MQ7 氣體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)。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（ 加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（ 加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。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) [4]。 （ 1）靈敏度特性： 圖 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 （ 2）溫 /濕度的影響： 圖 H2 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 11 圖 傳感器典型的溫度、濕度特性曲線 注：圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（ Rs/Ro）。 Rs表示在含 1000ppm 一氧化碳、不同溫 /濕度下傳感器的電阻值 Ro表示在含 1000ppm一氧化碳、 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 注：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 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 12 （ 4）技術(shù)指標(biāo)： 敏感體功耗（ Ps）值可用計(jì)算下式： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs），可用下式計(jì)算： Rs=(Vc/VRL1) RL （ 5）結(jié)構(gòu)，外形 部 件 材料 1 氣體感應(yīng)區(qū) 二氧化錫（ SnO2） 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 過(guò)濾層 活性炭顆粒 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ NiCu） 8 基座 塑料或尼龍 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ NiCu） 圖 MQ7氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 產(chǎn)品型號(hào) MQ7 產(chǎn)品類型 半導(dǎo)體氣敏元件 標(biāo)準(zhǔn)封裝 塑封 檢測(cè)氣體 一氧化碳 檢測(cè)濃度 101000ppmCO 標(biāo)準(zhǔn)電路條件 回路電壓 Vc ≤ 10V DC 加熱電壓 VH 177。0. 2V ACorDC（高） 177。 ACorDC（低） 加熱時(shí)間 TL 60177。 1S（高） 90177。 1S（低） 負(fù)載電阻 RL 可調(diào) 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下元件特性 加熱電阻 RH 31Ω177。 3Ω（室溫） 加熱功耗 PH ≤ 350mW 敏感體表面電阻 Rs 2KΩ 20KΩ (in100ppmCO) 靈敏度 S Rs(in air)/Rs(100ppmCO)≥ 5 濃度斜率 α ≤ (R300ppm/R100ppm CO) 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件 溫度、濕度 20℃177。 2℃； 65%177。5% RH 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路 Vc:177。 V； VH（高） : 177。 V； VH（低） : 177。 V 預(yù)熱時(shí)間 不少于 48小時(shí) 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 13 MQ7氣敏元件的內(nèi)部構(gòu)造如圖 ,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)，為了改善傳感器的選擇性，傳感 器氣室用活性炭過(guò)濾層與外界隔開(kāi)。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。 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(lái)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 。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，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(guò)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 [5]。 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。 [6] 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(kāi)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 公司齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 14 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。 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 [7] 圖 由圖可見(jiàn)， 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） 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文 ） 15 AT89C51 單片機(jī)的引腳 [8] 圖 AT89C51 的引腳排列 引腳的分類 （ 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， 引腳詳細(xì)說(shuō)明 VCC：供電電壓，接 +5V。 GND：接地。 P0 口： P