【文章內(nèi)容簡介】 體電解質(zhì)材料作為氣敏元件。其原理是氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生離子，形成電動勢，鋇 U量電動勢從而測量氣體濃度。由于這種傳感器電導(dǎo)率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領(lǐng)域。如測量 H2S YSTAuWO3， NH3 的 NH39。4CaCO3 等。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢。 (3) 接觸燃燒式氣體傳感器 這類傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式氣體傳感器。其工作原理是：氣敏材料在通電狀態(tài)下，可燃性氣體 氧化燃燒或在催化劑作用下 氧化燃燒，產(chǎn)生的熱量使電熱絲升溫，從而使其電阻值發(fā)生變化，測量阻值變化從而測量氣體濃度。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸 F限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測，普遍應(yīng)用于石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測和報警。這類傳感器只能測量可燃性氣體，對不可燃性氣體不敏感。在燃?xì)獗ㄏ孪迌?nèi)輸出為線性、只與燃?xì)鉂舛瘸烧?、溫度和濕度的變化對其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、反映準(zhǔn)確、精度高、再現(xiàn)性好。其不足的是催化劑壽命有限，當(dāng)在可燃性氣體與空氣的混合物中有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則 有可能在無焰催化燃燒的同時，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)滯緩或中毒，使靈敏度降低。 (4) 高分子氣體傳感器 利用高分子氣敏材料制作的氣體傳感器近年來得到很大的發(fā)展。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數(shù)、材料表面聲波傳播速度和頻率、材料重量等物理性能發(fā)生變化 D21 高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。高分子氣體傳感器具有對特定氣體分子靈敏度高 ，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡單，能在常溫下使用，可以彌補其它氣體傳感器的不足。 (5) 電化學(xué)傳感器 這類傳感器由膜電極和電解液灌封而成。氣體濃度信號將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號傳出。它的優(yōu)點是 :反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大于等于兩年 )。它主要適用于毒性氣體的檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 （ 3）可燃?xì)怏w傳感器的選擇 可燃?xì)怏w檢測報警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測可燃?xì)怏w 種類的 要求，一般選用接觸燃燒式可燃?xì)怏w傳感器和半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器。 使用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。 阻緩是當(dāng)在可燃?xì)怏w與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，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，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類的物質(zhì)時，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)懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質(zhì)時，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。 因此，經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對傳感器的維護(hù)，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(hù)成本。 半導(dǎo)體 可燃?xì)怏w 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煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，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 可燃?xì)怏w 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)過對比上述兩種可燃?xì)怏w傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體可燃?xì)怏w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(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器作為報警器可燃?xì)怏w信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計選用 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。 MQ2 傳感器簡介 MQ2是鄭州煒盛電子科技有限公司生產(chǎn)的可燃?xì)怏w傳感器，對一氧化碳、甲烷，液化石油氣具有很高的靈敏度和良好的選擇性。具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性， 驅(qū)動電路簡單，較大的電信號輸出 。應(yīng)用于家庭和生產(chǎn)環(huán)境下的一氧化碳探測裝置，適宜于一氧化碳、煤氣，液化石油氣等的探測。 MQ2 傳感器詳細(xì)說明 MQ2 型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。因此，它具有優(yōu)秀的長期穩(wěn)定性，在正常使用條件下，其使用壽命可達(dá) 5年。 圖 21給出了 MQ2 元件對不同氣體的靈敏度特性。溫度為 20 攝氏度，濕度為 65%，氧氣濃度為 21%， RL=l0k， Ro 為 1000ppmLPG（液化石油氣）中氣敏元件電阻， Rs 為不同氣體不同濃度下氣敏元件電阻。 圖 21 MQ2 靈敏度特性曲線 MQ2 工作原理： 傳感器的表面電阻 Rs 是通過與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL上的有效電壓信號 VRL輸出而獲得的。二者之間的關(guān)系為： 公式（ 31） 圖 22 為負(fù)載測試曲線圖，是利用測試回路測得在傳感器由潔凈空氣轉(zhuǎn)移至一氧 化碳或甲烷氣氛中時， RL 上的信號輸出變化情況，輸出信號的測定是在一個完整的加熱周期或在兩個完整的加熱周期內(nèi)測得。 圖 22 負(fù)載測試曲線圖 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(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。 MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所 示 (結(jié)構(gòu) A or 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。 圖 23 傳感器的測試電路 圖 24傳感器外形 可燃?xì)怏w探測報警控制器的總體設(shè)計 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 顯示電路 單片機(jī) 地址鎖存器 內(nèi)存擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換 濃度傳感器 NGC0001 Vc VH GND RL VRL A A B B 系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51為核心 ，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、聲音報警等功能。其中傳感器采用的是 NGC0001，該傳感器外形小，氣體響應(yīng)快，性能穩(wěn)定，低功耗，常適用于泄漏監(jiān)測器。 A/D轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0832，該傳感器是采樣頻率為 8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換的器件，具有功耗低，性能穩(wěn)定的特點。整體系統(tǒng) 要求工作穩(wěn)定、通用性強、功耗低。保證報警器的精確性及可靠性的同時，有利降低報警器的成本。 系統(tǒng)的工作流程 本設(shè)計部分主要由傳感器， A/D轉(zhuǎn)換器，單片機(jī)， 液晶顯示 和蜂鳴器，等組成。首先，傳感器送來的可燃?xì)?體濃度對應(yīng)的電壓信號送入 A/D轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832中，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后輸入到微控制器內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將電壓信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的濃度值 。最后，將實際可燃?xì)怏w濃度送 液晶 顯示，當(dāng)有可燃?xì)怏w濃度超出設(shè)定的限定值時，則單片機(jī)將驅(qū)動蜂鳴器實現(xiàn)報警功能，同時采取降低超標(biāo)氣體濃度。 在可燃性氣體報警控制器的設(shè)計中，單片機(jī)是儀表的核心部件。它一方面接收傳感器檢測到的可燃性氣體濃度所對應(yīng)的模擬電壓信號，另一方面要對這一信號進(jìn)行處理，控制報警、控制 電路進(jìn)行相應(yīng)操作斷。在單片機(jī)所實現(xiàn)的這些功能中，特別是信號處理部分，需要單片機(jī)有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃度做出快速、準(zhǔn)確的檢測，進(jìn)行相應(yīng)的處理。同時考慮選擇低價實用的機(jī)型，并為制同一系列的低功耗產(chǎn)品做準(zhǔn)備。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計選用生產(chǎn)的 復(fù)位電路（手動控制） 報警 AT89C51 系列單片機(jī)作為報警器的核心控制器。 首先，可燃性氣體濃度信號通過 MQ2氣體傳感器將可燃性氣體濃度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，輸出一個適合單片機(jī)接收的電壓信號，然后，送入 AT89C51 中，最后，將濃度值送入 液晶 1602 顯示。當(dāng)檢測到的可燃性氣 體濃度超出上限報警設(shè)定值時，報警器發(fā)出聲音報警 。 可燃性氣體探測報警器的設(shè)計 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、聲音報警、自動控制等功能。 通過預(yù)設(shè)氣體濃度，傳感器進(jìn)行檢測氣體濃度，假如超過預(yù)設(shè)氣體濃度時，將發(fā)出聲音報警。 圖 31 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) AT89C51 系列單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點 單片機(jī) 報警 輸出控制 5V電源 濃度比較 濃度采樣電路 硬件設(shè)計中最核心的器件是單片機(jī) 80C51，它一方面控制 A/D 轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，另一方面，將采集到的數(shù)字電壓值經(jīng)計算機(jī)處理得到相應(yīng)的二進(jìn)制代碼，與設(shè)定的值作比較。整個系統(tǒng)的軟件編程就是通過匯編語言對單片機(jī) 80C51 實現(xiàn)其控制功能。 80C51 系列 80C51 系列單片機(jī)產(chǎn)品繁多，主流地位已經(jīng)形成。多年來的應(yīng)用實踐已經(jīng)證明， 80C51 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟，許多單片機(jī)芯片傾力于提高 80C51 系列產(chǎn)品的綜合功能，從而形成了 80C51的主流產(chǎn)品的地位，近年來推出的與 80C51兼容的主要產(chǎn)品有： ATMEL 公司融入 Flash 存儲