【導(dǎo)讀】度達到一定范圍時可能引起自燃甚至爆炸，這樣就會造成很大的危險。危害到人們的生命以及財產(chǎn)的安全。該設(shè)計包括監(jiān)測系統(tǒng)的組成、工作原理及硬件、軟件設(shè)計的方法。了有力的科學(xué)手段。目前，人們對氣敏傳感器的測試方法主要停留在用人工手動的方。式來進行操作，開發(fā)出一種實用高效的智能化傳感器測試裝置是非常的必要的。本文根據(jù)人們的需要設(shè)計出了一種高效有用的天然氣實時巡測裝置。關(guān)鍵詞：天然氣；氣敏傳感器；報警；AT89C51；

　　

【正文】 )氣敏元件的靈敏度 氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于所要測量氣體的敏感程度的一種指標(biāo)。它可以表示氣體敏感元件的電參量（ 如電阻型氣敏元件的電阻值）與被測氣體濃度之間的依從關(guān)系。表示方法主要有三種 : （ a）電阻比靈敏度 K （ b）氣體分離度 RC1 為氣敏元件在濃度為 C1 的被測量氣體中的阻值： RＣ 2 為氣敏元件在濃度為 C2 的被測量氣體中的阻值。通常，濃度 C1 大于濃度C2。 （ c）輸出電壓比靈敏度 KV=Va/Vg: Va 為氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上所輸出的電壓值； Vg 為氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中工作時，負載電阻上輸出的電壓值。 （ 3）氣敏元件的分辨率 氣敏元件的分辨率 表示氣敏元件對被測氣體的識別能力（選擇）以及對其 干擾氣體所產(chǎn)生的抑制能力。氣敏元件分辨率 S表示為 Va為氣敏元件在潔凈空氣中工作時，負載電阻上的輸出電壓值； Vg為氣敏元件在規(guī)定濃度的被測氣體中工作時，負載電阻上輸出的電壓值 Vgi 為氣敏元件在 i種氣體濃度為規(guī)定值中工作時，負載電阻上的輸出電壓值。 （ 4）氣敏元件的響應(yīng)時間 氣敏元件的響應(yīng)時間 表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應(yīng)速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的 63％時為止，所需最短時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應(yīng)時間，通 常用符號 tr 表示。 （ 5）氣敏元件的加熱電阻和加熱功率 : 氣敏元件一般可以工作在 200℃以上的高溫。為氣敏元件提供必要工作溫度的加熱電路的電阻 (指加熱器的電阻值 )稱為加熱電阻，用 RH表示。直熱式的加熱電阻值一般小于 5Ω；旁熱式的加熱電阻大于 20Ω。氣敏元件正常工作所需的加熱電路功率，稱為加熱功率，用ＰＨ表示。一般在 (～ )W 范圍。 （ 6）氣敏元件的恢復(fù)時間 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 19 表示在工作溫度下 ,被測氣體由該元件上解吸的速度 ,一般從氣敏元件脫離被測氣體時開始計時 ,直到其阻值恢復(fù)到在潔凈空氣中阻值的 63％時所需時間。 氣敏傳感器的工作原理 氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體式氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)式氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體式氣敏傳感器。它的主要應(yīng)用有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（ R1 R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測等。 它將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電化學(xué)信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控和報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。 氣敏傳感器就是利用聲表面的波速和頻率會隨外界環(huán)境條件的變化而發(fā)生漂移的性能在壓電晶體表面涂抹一層具有選擇吸附氣體性的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與被測氣體相互接觸，發(fā)生反應(yīng)（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率均已發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。 在本次設(shè)計中，從檢測對象來看，天然氣的主要成份是 CH4 ，所以選用 OMN10氣敏傳感 器。以電壓為采樣的方式。 QMN10 型氣敏元件是以金屬氧化物 SnO2 為主體材料的 N 型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高 。它適合檢測天然氣，煤氣，氫氣，一氧化碳，烷類氣體，烯類氣體，汽油，煤油，柴油，乙炔，醚蒸汽及煙霧等。它具有以下幾個特點： 用于很多種可燃性氣體的檢測（ CH C4H H2等）； 靈敏度較高； 響應(yīng)速度較快； 輸出信號比較大 ； 壽命長，工作時穩(wěn)定可靠?，F(xiàn)將 QM— N10 型氣敏傳感器介紹如下： 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 20 表 32 QMN10 型氣 敏傳感器的參數(shù) 型號 標(biāo)定氣體中電壓 響應(yīng)時間t1 恢復(fù)時間t2 最佳工作條件 允許工作條件 測量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負載電阻RL 測量回路電壓Uc 加熱電壓Uf 負載電阻 RL QMN10 ≥ 2V ≤10s ≤30s 10V 5V 2kΩ 515V kΩ 測試條件 %丁烷 清凈空氣 清潔空氣中電阻（ Ra） ≤ 20xxkΩ U0=10V Uf=5V RL=2 kΩ 檢測范圍 50020xx0ppm 元件工耗 ≤ 靈敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4 QMN10 氣敏傳感器，以電壓采樣方式，原理如圖 36所示。 V1隨氣體濃度變化，其關(guān)系為： V1= F（ c）≈ VH RL Cm∕ 10n 其中： C 為氣體濃度； m 、 n — 由傳感器及氣體決定的常數(shù)，且 m1； VH— 工作電壓； VD— 燈絲加熱電壓。 CV DR LR XV 1V H 圖 36 QMN10 的原理圖 顯示部分介紹 為節(jié)省 I/O 口以及防止電流過大，在設(shè)計中，我們選擇數(shù)碼管 動態(tài)顯示驅(qū)動。數(shù)碼管動態(tài)顯示接口電路是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示 方式之一，動態(tài)驅(qū)動是長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 21 將所有數(shù)碼管的 8個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通電路由各自獨立的 I/O 口線控制，當(dāng)單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是哪一個數(shù)碼管會顯示出相應(yīng)的字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出想要的字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會顯示。通過分時間的輪流控制各個數(shù)碼管的的 COM 端，這就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在 輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間可以設(shè)定為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，時間足夠短，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。并且更實用于使用的數(shù)碼管較多的設(shè)計中。 LED 數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為其顯示字段的顯示器件，下圖為一位 LED 顯示器的外形和引腳圖，其中 7只發(fā)光二極管 (a~g 七段 )構(gòu)成字型“ 8”，另外還有一只發(fā)光二極管 dp 作為小數(shù)點。沒 有小數(shù)點的我們稱之為 7 段數(shù)碼管，有小數(shù)點的我們稱之為八段數(shù)碼管。 f2g3e4d5A6c8DP7b9a10 圖 37 數(shù)碼管的外形及引腳圖 其內(nèi)部引腳圖分為共陰極以及共陽極兩種，下面就這兩種分別加以介紹： abcdefgdpVCC 圖 38 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 22 abcdefgdp 圖 39 共陰極數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖 本設(shè)計采用的是數(shù)碼管與單片機的 P0口相連。采用 7個數(shù)碼管。其中第一個數(shù)碼管顯示的內(nèi)容是：顯示的濃度為哪個天然氣罐。其顯示數(shù)值為 1 或 2。第二個數(shù)碼管顯示的內(nèi)容是測的是哪個點。其顯示的數(shù)值為 天然氣當(dāng)前泄露的濃度。其連接圖如下 EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T1151234567839383736353433322122232425262728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C51+5VabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7SEG_DPabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7SEG_DPabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7SEG_DPabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7SEG_DPabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpDS?DPY_7SEG_DPabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpabfcgdeLED1234567abcdefg8dpdpA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7774LS138 圖 310 7 位數(shù)碼管動態(tài)顯示圖 按鍵部分介紹 本設(shè)計只有兩個小按鈕，一個總起始按鈕，一個停止檢測的按鈕。所以設(shè)計比較簡單，故采用的是獨立式鍵盤。 獨立式鍵盤的各個按鍵之間是彼此獨立毫無關(guān)系的，每一個按鍵都連接相應(yīng)的一根 I/O 口線。獨立式鍵盤設(shè)計電路相對簡單，其軟件設(shè)計也比較容易實現(xiàn)，但由于每一個按鍵均需要一根 I/O 口線 ，當(dāng)鍵盤按鍵數(shù)量比較多時，需要的 I/O 口線也較多，因此獨立式鍵盤只適合于按鍵較少的應(yīng)用場長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 23 合。一般情況下，按鍵的個數(shù)等于所占用的 I/O 端口數(shù)。獨立式鍵盤可以工作 在很多種方式下，比如中斷方式，程序查詢方式，定時查詢發(fā)送和中斷查詢方式等。在中斷方式下，按鍵的數(shù)量要受到外部中斷源個數(shù)的限制。在有特殊需要的場合，還可以借用一下內(nèi)部的定時器中斷。所以在這種模式下，按鍵的數(shù)目要小于外部中斷源和單片機內(nèi)部定時器中斷數(shù)量的和。程序查詢方式和定時查詢方式相類似，都是通過讀 I/O狀態(tài)，當(dāng)有按鍵被按下時相應(yīng)的 I/O 口線變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的鍵對應(yīng)的 I/O口線保持為高電平，這樣通過讀 I/O 口狀態(tài)可判斷出是否已經(jīng)有鍵被按下和哪一個鍵被按下。兩者的區(qū)別在于掃描的時間和組織的形式有所不同。程 序查詢是在需要鍵盤輸入的時候，調(diào)用鍵盤掃描程序，獲得掃描的初始狀態(tài)值。由于采用這種結(jié)構(gòu)，在不需要輸入的時刻， CPU 是不對鍵盤進行相應(yīng)的處理，鍵盤被旁路。這種結(jié)構(gòu)的缺點是需要使用者判斷什么時候輸入才可以被響應(yīng)。定時查詢是利用定時器產(chǎn)生內(nèi)部中斷，每次中斷查詢一次 I/O 口線，實時性較強。缺點是占用一個定時器。中斷掃描方式需要占用一個外部中斷源，只要有鍵按下就會發(fā)出中斷請求， CPU 會響應(yīng)中斷，查詢各按鍵對應(yīng) I/O 口的狀態(tài)。中斷查詢方式和中斷模式是各種方式中實時性最好的。中斷掃描方式相對其他中斷方式來講可以接的按鍵更 多。但是它卻需要額外的硬件電路來幫助其實現(xiàn)中斷請求。 EA/VP31X119X218RESET9INT012INT113T014T1151234567839383736353433322122232425262728RD17WR16PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89C51+5VC1SWPBC2SWPB1kΩVCC C310uFS0S1+5V 圖 311單片機按鍵部分的接口電路 長春工業(yè)大學(xué)學(xué)士論文 24 A/D 轉(zhuǎn)換介紹以及 MAX187 簡介 A/D 轉(zhuǎn)換器是過程儀器儀表、設(shè)備等檢測與控制裝置中應(yīng)用比較廣泛的器件。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、易編程、成本低的 A/D 轉(zhuǎn)換器不斷的被相應(yīng)推出，使得微機控制系統(tǒng)的電路更加簡潔，可靠性更高。 我們知道 A/D 轉(zhuǎn)換有兩種情況：串行通信和并行通信，他們有各自的優(yōu)缺點?，F(xiàn)將其優(yōu)缺點介紹如下： 并行通信可以同時傳輸多個數(shù)據(jù)位，而且可以同時 在兩個設(shè)備之間進行傳輸。發(fā)送設(shè)備將要傳送的數(shù)據(jù)位通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，有的還會附加一位數(shù)據(jù)校驗位。用以檢驗其正確性。接收設(shè)備可同時接收到發(fā)送的所有數(shù)據(jù)，無需做任何變換就可進行直接使用。并行方式主要用在較近距離通信傳輸方面。計算