【正文】 鍍鎳銅材（ NiCu） 8 基座 膠木或尼龍 9 針狀管腳 鍍鎳銅材（ NiCu） 圖 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 14 頁 共 44 頁 圖 MQ2/MQ2S氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形 MQ2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。 V 相對濕度： 65%177。 α (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 濃度斜率 ≤ 天然氣 標(biāo)準(zhǔn)工作條件 溫度： 20℃177。 3Ω 室溫 PH 加熱功耗 ≤ 900mW 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)條件 ) 氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性 最小值大于２％ 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)參數(shù) 備注 Rs 敏感體表面電阻 2KΩ 20KΩ (2020ppm C3H8 ) 適用范圍： 500020200ppm 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13 頁 共 44 頁 敏感體功耗（ Ps）值： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL1) RL （ 4） 結(jié)構(gòu)，外形 MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖 4所示 (結(jié)構(gòu) A或 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。 Rs表示在 含 1000ppm 甲烷、不同溫 /濕度下 傳感器 的電阻值 Ro表示在含 1000ppm 甲 烷、 20℃ /65%RH環(huán)境條件 下 傳感器 的電阻值 表 傳感器的相關(guān)的參數(shù) （ 3） 規(guī)格： （ 4） B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 符號 參數(shù)名稱 技術(shù)條件 備注 Vc 回路電壓 ≤ 24V DC VH 加熱電壓 177。 （ 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。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。如果半導(dǎo)體的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，則吸附分子將向器件釋放出電 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 11 頁 共 44 頁 子，而形成正離子吸附。當(dāng)半導(dǎo)體的功函數(shù)小于吸附分子的 電子 親和力時(shí)，則吸附分子 將從器件奪得電子而變成負(fù)離子吸附，半導(dǎo)體表面呈現(xiàn)電荷層。感應(yīng)時(shí)間均 ≤1 秒。該兩種敏感器件靈敏度均 ≤10ppm。硫化氫氣敏傳感器是采用 MOS 場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu) ,利用過渡金屬作柵極的氣敏元件 ,當(dāng)空氣中存在硫化氫時(shí) ,場效應(yīng)晶體管的開啟電壓發(fā)生變化 ,變化的幅度與硫化氫的濃度成比例。其中電導(dǎo)控制型一般以金屬氧化物 半導(dǎo)體材料 如 SnO、 ZnO、 FeO 系為基體，加入合適的催化金屬和添加劑，采用 燒結(jié)、厚膜或薄膜工藝制成。并且，它具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間快、使用壽命長及價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的傳感器之一。因?yàn)槿藢ψ兓男盘柛鼮槊舾?，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。聲光?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。 整個(gè)設(shè)計(jì)由 4大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 AT89C51 單片機(jī)、聲光報(bào)警電路。 使用 AT89C51 單片機(jī)，選用 氣敏 傳感器作為敏感元件， DS18B20 元器件作為溫度傳感器，并且在 LED 中顯示溫度還有氣體的濃度。 天然氣 泄露 報(bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示，該系統(tǒng)以 51單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、聲音及閃爍報(bào)警等功能。 天然氣 泄露報(bào)警器的結(jié)構(gòu) 為適應(yīng)家庭對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)場遠(yuǎn)測和實(shí)時(shí)控制等功能。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。而且利用 DS18B20 溫度傳感器將溫度信號采集到 AT89C51 單片機(jī)中進(jìn)行輸出，最后在 LED 顯示管中進(jìn)行顯示。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 8 頁 共 44 頁 天燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 天然氣 泄露報(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 MQ2 型電阻式半導(dǎo)體傳感器采集氣體信息，而且利用 DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行溫度采集，在 LED 的顯示管中顯示溫度。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。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 )。一般連續(xù)使用兩個(gè)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(shí)增加了報(bào) 警器的維護(hù)成本。當(dāng)懷疑檢測環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。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(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。 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。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 44 頁 氣體傳感器的選定 天 燃?xì)庑孤﹫?bào)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?xì)怏w泄漏的場所，根據(jù)報(bào)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(dǎo)體氣敏傳感器。 紅外線傳感器常用于無接觸溫度測量，氣體成分分析和無損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。檢測元件按工作原理可分為熱敏檢測元件和光電檢測元件。 紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測元件和轉(zhuǎn)換電路。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外線。 （ 7） .紅外傳感器 利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。由于該過程中會(huì)產(chǎn)生電流，電化學(xué)傳感器又常被稱為電流氣體傳感器或微型燃料電池。 通過電極間連接的電阻器，與被測氣濃度成正比的電流會(huì)在正極與 負(fù)極間流動(dòng)。 穿過屏障擴(kuò)散的氣體與傳感電極發(fā)生反應(yīng)，傳感電極可以采用氧化機(jī)理或還原機(jī)理。 氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后是憎水屏障，最終到達(dá)電極表面。 （ 5） .電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感 器通過與被測氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作。 SAW 傳感器輸出為準(zhǔn)數(shù)字信號，因此可簡便地與微處理器接口。主要?dú)饷舨牧嫌芯郛惗∠⒎鄱嘣嫉?，用來測量苯乙烯和甲苯等有機(jī)蒸汽。兩者之間的區(qū)域淀積 了能吸附 VOC 的聚合物膜。 2)濃差電池式氣體傳感器 濃差電池式氣體傳感器的工作原理是：氣敏材料吸收氣體時(shí)形成濃差電池，測量輸出的電動(dòng)勢就可測量氣體體積分?jǐn)?shù)，目前主要有聚乙烯醇 磷酸等材料。其主要優(yōu)點(diǎn)是制作工藝簡單、成本低廉。 （ 4） .高分子氣體傳感器 國外在高分子氣敏材料的研究和開發(fā)上有了很大的進(jìn)展，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(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合等特點(diǎn)，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測具有重要作用。例如，在Pt 絲上涂敷活性催化劑 Rh 和 Pd 等制成的傳感器，具有廣譜特性，即可以檢測各種可燃?xì)怏w。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，測量電阻變化從而測量氣體濃度。大大提高氣體泄漏事故處置的工作效率和安全性，對于控制事故損失具有重要的作用。如測量 H2S 的 YSTAuWO測量 NH3 的 NH+4CaCO3 等。其原理是氣敏材料在通過氣體時(shí)產(chǎn)生離子，從而形成電動(dòng)勢，測量電動(dòng)勢從而測量氣體濃度。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 4 頁 共 44 頁 氣體傳感器的選型 氣體傳感器屬于氣敏傳感器，是氣 電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過 A/D 轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。 4故障報(bào)警：傳感器短路，短路時(shí)應(yīng)發(fā)出與可燃?xì)怏w濃度超范圍報(bào)警有明顯區(qū)別的聲，光報(bào)警。 對于該警報(bào)器設(shè)計(jì)的要求 1. 對可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測，可燃?xì)怏w濃度達(dá)到報(bào)警設(shè)定值時(shí)，應(yīng)能報(bào)警。鍵盤可以通過不同的應(yīng)用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設(shè)定，并且儲存報(bào)警的上限和報(bào)警時(shí)間，方便查詢和日后的工作調(diào)查。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復(fù)雜，智能性差。電路簡單、可靠但是靈活性和實(shí)用性差。如美國在燃?xì)庑孤﹫?bào)警器中嵌入微處理器，使燃?xì)庑孤﹫?bào)警器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智 能化、涉多功能化。在這些方面，國內(nèi)應(yīng)該增強(qiáng)安全意識增強(qiáng)。國外可燃性氣體泄漏報(bào)警器發(fā)展很快，是由于人們安全意識增強(qiáng)，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于燃?xì)庑孤﹫?bào)警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。有的可燃性氣體泄漏報(bào)警器可自 動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝?；有的可燃性氣體泄漏報(bào)警器在報(bào)警時(shí)可自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y門，以防燃?xì)饫^續(xù)泄漏。 國內(nèi)外研究情況及其發(fā)展 、可燃性氣體泄漏報(bào)警器種類與結(jié)構(gòu) 可燃性氣體泄漏報(bào)警器，多用于大型公寓、飲食餐店、醫(yī)院、學(xué)校、工廠的各種氣體報(bào)警器和系統(tǒng)，有單體分離型報(bào)警器、外部報(bào)警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動(dòng)系統(tǒng)、防止中毒報(bào)警防護(hù)系統(tǒng)等。所以怎樣預(yù)防燃?xì)庵卸九c爆炸已成為 人們的迫切需要。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 2 頁 共 44 頁 、課題研究的意義 人們面對可燃性氣體泄漏而危及生命健康情況，有沒有一個(gè)徹底的解決辦法？據(jù)有關(guān)專家介紹，可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警器是對付燃?xì)庑孤┑闹匾A(yù)防手段之一。室內(nèi)天然氣泄漏會(huì)使室內(nèi)空氣中的氧氣相對稀薄，由于天然氣是無色無味，人很難察覺到，尤其當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時(shí)，天然氣的泄漏就更加危險(xiǎn)，甚至?xí)谷酥舷ⅰ? 天然氣主要成分是烷烴，其中甲烷含量在 95%以上。其主要質(zhì)量控制指標(biāo)為蒸發(fā)殘余物和硫含量等，有時(shí)也控制烯烴含量。由天然氣所得的液化氣的成分基本不含烯烴。是由煉廠氣或天然氣 (包括油田伴生氣 )加壓、降溫、液化得到的一種無色、揮發(fā)性氣體。常見于家庭居室內(nèi)通風(fēng)差得情況下，煤爐產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道泄漏氣中的一氧化碳吸入會(huì)導(dǎo)致一氧化碳中毒。室內(nèi)存在的有害氣體的另一主要來源為可燃性氣體的泄漏，主要可分為天然氣泄漏、液化氣泄漏和煤氣泄漏。s life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important means. This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microputer as the core design can realize the gas alarm soundlight alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them we choose MQ2 of gas detection sensor, it has a high sensitivity, fast response, strong antijamming capability etc, and the price is low, service life long. by AT89C51 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if beyond the li