【文章內容簡介】 生的壓差愈大， 產生的壓差愈大，這樣可依據壓差來衡量流量 的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程 ( 的大小。這種測量方法是以流動連續(xù)性方程 ( 質量守恒定律 )和伯努利方程 能量守恒定律 )為 和伯努利方程 (能量守恒定律 質量守恒定律 和伯努利方程 能量守恒定律 為 基礎的。 基礎的。壓差的大小不僅與流量還 與其他許多 因素有關， 因素有關，例如當節(jié)流裝置形式或管道內流體 的物理性質 (密度 粘度 )不同時 密度、 不同時， 的物理性質 密度、粘度 不同時，在同樣大小 的流量下產生的壓差也是不同的。 的流量下產生的壓差也是不同的。 流量 傳感器的選定 天 燃氣泄漏報警器 主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃氣體 泄漏的場所，根據報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏 傳感器。 使 用接觸燃燒式氣敏 傳感器，其探頭的阻緩及中毒 ,是不可避免的問題。阻緩是當在氣體 與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應緩慢反應滯緩，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，導致該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時，則傳感器將使催化元件產生不可逆轉的中毒，以致靈敏度很快就喪失。當懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 5 因此，經常對傳感器 進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經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。 半導體氣敏 傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的氣體傳感器，它具有靈敏度高，響應快、體積小、 結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導體氣敏 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 )。 經過對比上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發(fā)現半導體氣敏 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象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣敏 傳感器中，本設計選用MQ2 型氣敏 傳感器，這種型號的傳感器 具備一般半導體氣敏 傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點 。 天 燃氣泄露報警系統(tǒng)的整體設計方案 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 濃度對應的電壓信號送入 AT89C51 單片機；然后，在 AT89C51 單片機內 A/D 轉換、 氣體 濃度比較，對數據進行 線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；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，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，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。 6 天 燃氣泄露報警器的結構 為適應家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設計的可燃性氣體報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃氣體濃度、可接計算機進行現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)結構框圖如圖 所示，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。 整個設計由 4大部分構成：氣敏 傳感器、 A/D 轉換電路、 AT89C51 單片機、聲光報警電路。 氣敏 傳感器是將現場氣體濃度 非電信號轉化為電信號；轉換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號到數字信號的轉換。聲光報警模塊由單片機和報警電路組成，由單片機控制實現不同的聲光報警功能。 氣敏 傳感器 A/D 轉換器 AT89C51 單片機 燈光報警 聲音報警 氣體 濃度 電源 時鐘 復位 7 圖 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)結構框圖 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。 第 3 章 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設計 主控電路的設計 半導體 氣 敏 傳感器簡介 半導體氣敏 傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的氣體傳感器，它具有 靈敏度高，響應快、體積小、結構簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。半導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率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。 （ 1） 靈敏度特性： 8 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 （ 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 圖 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH圖 9 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，需要選擇恰當的 RL值。 （ 4） 規(guī)格： B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 符號 參數名稱 技術條件 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 RH 加熱電阻 31Ω177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mW 符號 參數名稱 技術條件 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 參數名稱 技術參數 備注 Vc VH GND RL VRL 10 敏感體功耗（ Ps）值： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL1) RL （ 5） 結構，外形 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結構和外形如圖 所示 (結構 A 或 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 。 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 預熱時間 不少于 48小時 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 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 11 圖 MQ2/MQ2S 氣敏元件的結構和外形 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)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現的功能中，將模數轉換后的信號做數字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現，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處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數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上，能夠不提高成本，縮小體積。 AT89C51 是 Atmel 公司生產的 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 以反復擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，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 ， 本設計用的 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 8 位數據總線， 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， 同時內含 2 個外中斷口， 2個 16位可編程定時計數器 ,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 12 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 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，但允許數據存儲器、定時 /計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運行。掉電模式保存數據存儲器的內容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復位為止。 AT89C51 其工作電壓范圍為 ～ 6V（實際使用 +5V 供電） ，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128Kbytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲單元，內置功能強大的微型計算機的 AT89C51 提供了高性