【文章內容簡介】 、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn) 定性 (使用壽命 )。 經過對比上述兩種可燃氣體傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體可燃氣體傳感器的優(yōu)點更加突出：靈敏度高、響應快、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，本設計采用半導體可燃氣體傳感器作為報警器可燃氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用 MQ2 型煙霧傳 感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、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的可燃氣體傳感器，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， 驅動電路簡單，較大的電信號輸出 。應用于家庭和生產環(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 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。二者之間的關系為： 公式（ 31） 圖 22 為負載測試曲線圖，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測得。 圖 22 負載測試曲線圖 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。 MQ2氣敏元件的結構和外形如圖所示 (結構 A or B),由微型 Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層 ,測量電極和加熱器構成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內，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 可燃氣體探測報警控制器的總體設計 系統(tǒng)總體結構設計 顯示電路（十進制數(shù)碼管） 復位電路（手 動控制） 單片機 地址鎖存器 內存擴展 A/D 轉換 風扇電路 濃度傳感器 NGC0001 Vc VH GND RL VRL A A B B 圖 25 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)以單片機 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，氣體響應快，性能穩(wěn)定，低功耗，常適用于泄漏監(jiān)測器。 A/D轉換器采用的是ADC0809，該傳感器是采樣頻率為 8位的、以逐次逼近原理進行模 — 數(shù)轉換的器件，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 本設計部分主要由傳感器， A/D轉換器，單片機，數(shù)碼管和蜂鳴器，換氣扇等組成。首先，傳感器送來的可燃氣體濃度對應的電壓信號送入 A/D轉換芯片ADC0809中，將模擬量轉化成數(shù)字量后輸入到微控制器內，進行數(shù)據(jù)處理，將電壓信號轉化成為對應的濃度值 。最后，將實際可燃氣體濃度送數(shù)碼管顯示，當有可燃氣體濃度超出設定的限定值時，則單片機將驅動蜂鳴器實現(xiàn)報警功能，同時采取降低超標氣體濃度。 在可燃性氣體報警控制器的設計中，單片機是儀表 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的模擬電壓信號，另一方面要對這一信號進行處理，控制報警、控制電路進行相應操作斷。在單片機所實現(xiàn)的這些功能中，特別是信號處理部分，需要單片機有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃度做出快速、準確的檢測，進行相應的處理。同時考慮選擇低價實用的機型，并為制同一系列的低功耗產品做準備。根據(jù)多方面的比較，本設計選用生產的AT89C51 系列單片機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換成電壓信號，經過 A/D 轉換 ，輸出一個適合單片機接收的電壓信號，然后，送入 AT89C51 中，最后，將濃度值送入 LED數(shù)碼管顯示。當檢測到的可燃性氣體濃度超出上限報警設定值時，報警器發(fā)出聲音報警，同時啟動驅動排氣裝置，實現(xiàn)排氣系統(tǒng)的自動控制。 報警電路（ 555 定時器） 控制電路（ 8255） 可燃性氣體探測報警器的設計 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結構如圖 31 所示，系統(tǒng)以 AT89C51 單片機為核心，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。 通過預設氣體濃度，傳感器進行檢測氣體濃度，假如超過預設氣體濃度時，將發(fā)出聲音報警，并自動啟動排氣裝置。 圖 31 可燃性氣體報警控制器系統(tǒng)結構 AT89C51 系列單片機系統(tǒng)結構特點 硬件設計中最核心的器件是單片機 80C51，它一方面控制 A/D 轉換器實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉換，另一方面，將采集到的數(shù)字電壓值經計算機處理得到相應的二進制代碼，與設定的值作比較。整個系統(tǒng)的軟件編程就是通過匯編語言對單片機 80C51 實現(xiàn)其控制功能。 80C51 系列 單片機 聲、光報警 輸出控制 5V電源 濃度比較 濃度采樣電路 80C51 系列單片機產品繁多，主流地位已經形成。多年來的應用實踐已經證明， 80C51 的系統(tǒng)結構合理，技術成熟，許多單片機芯片傾力于提高 80C51 系列產品的綜合功能，從而形成了 80C51的主流產品的地位，近年來推出的與 80C51兼容的主要產品有： ATMEL 公司融入 Flash 存儲器技術推出的 AT89 系列單片機； Philips 公司推出的 80C5 80C552 系列高性能單片機； 華邦公司提出的 W78C5 W77C51 系列高速低價單片機； ADI 公司推出的 Adμ C8ⅹⅹ系列高精度 ADC 單片機； LG 公司推出的 GMS90/97 系列低壓高速單片機； Maxim 公司推出的 DS89420 高速 (50MIPS)單片機； Cygnal 公司推出的 C8051F 系列高速單片機。 由此可見， 80C51 已經成為事實上的單片機主流系列，所以，本次設計選擇80C51 單片機。 80C51 的基本結構 80C51 單片機主要由以下部分組成： （ 1） CPU 系統(tǒng) 8位 CPU，含布爾處理器；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，可擴至 64KB）； 128KB 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM，可再擴 64KB）；特殊功能寄存器 SFR。 （ 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； 1個全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源， 2個優(yōu)先級） 80C51 單片機的的封裝和引腳 80C51 系列單片機采用雙列直插式（ DIP） .QFP44（ Quad Flat Pack）和 LCC（ Leaded Chip Caiier）形式封裝。這里僅介紹常用的總線型 DIP40 封裝。如圖32 所示。 40 個引腳按引腳功能大致可分為 4個種類：電源、時鐘、控制和 I/O 引腳 (1) 電源 : VCC 芯片電源，接 +5V； VSS 接地端； 圖 32 80C51 單片機的的封裝和引腳 (2)時鐘 :XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。 (3) 控制線 :控制線共有 4根， ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內 EPROM 編程脈沖 ALE 功能：用來鎖存 P0 口送出的低 8位地址 PROG 功能：片內有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 PSEN:外 ROM 讀選通信號。 RST/VPD:復位 /備用電源。 RST（ Reset）功能：復位信號輸入端。 VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接 備用電源。 EA/Vpp:內外 ROM 選擇 /片內 EPROM 編程電源。 EA 功能：內外 ROM 選擇端。 Vpp 功能：片內 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，施加編程電源 Vpp。 (4) I/O 線 80C51 共有 4個 8位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個引腳。 P3 口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。 80C51 單片機的時鐘 (1)振蕩器和時鐘電路 80C51 內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。 80C51 的時鐘產生方法有以下兩種。 a 內部時鐘方式 利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳 XTALl和 XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內部時鐘電路。外接晶振時， Cl和 C2的值通常選擇為 30pF 左右； Cl、 C2對頻率有微調作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ～ 12MHz 之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機引腳XTALl 和 XTAL2 靠近。 圖 33 80C51 時鐘電路接線方法 b 外部時鐘方式 此方式是利用外部振蕩脈沖接入 XTALl 或 XTAL2。 HMOS 和 CHMOS 單片機外時鐘信號接入方式不同。 80C51 單片機的復位 在整個 聲光 報警系統(tǒng)中，要進行實驗，必須對整個系統(tǒng)先復位。 復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位。其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現(xiàn)。 復位電路設 計 單片機的外部復位電路有上電復位和上電和按鍵均有效的復位兩種。 我們在設計單片機復位時，選用上電復位。 上電復位 上電復位利用電容器的充電實現(xiàn)， 圖 34 是 80C51 單片機的上電 +按鍵復位電路。 上電要求接通電源后，單片機實現(xiàn)自動復位操作。上電瞬間 RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電， RST 引腳的高電平將逐漸下降。 RST 引腳的高電平只要能保持足夠的時間（ 2 個機器周期），單片機就可以進行復位操作。該電路典型的電阻值和我電容參數(shù)為：晶振為 12MHZ，電容值為 10uF，電阻值為 。