【正文】 度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大約兩年 )。 （ 5）電化學(xué) 傳感器 電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。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，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。 （ 4） 高分子氣體傳感器 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 5 頁 共 46 頁 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。 （ 3）接觸燃燒式氣體傳感器 當(dāng)易燃?xì)怏w接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應(yīng)而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。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，其產(chǎn)量僅次于半導(dǎo)體氣體傳感器的一類傳感器。非電阻式半導(dǎo)體氣敏元件則利用其電流或電壓隨氣體含量的變化來檢測氣體，主要有 MOS 二極管式和結(jié)型二極管式及場效應(yīng)管式。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。自 1962 年半導(dǎo)體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是，任何一 個 完整的氣體傳感器都必須具備以下條件 [3]： 被測環(huán)境 復(fù)位電路 時鐘電路 單 片 機(jī) 電 路 顯示電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 氣敏傳感器 及其適配電路 報(bào)警電路 存儲模塊 供電電路 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 4 頁 共 46 頁 (1)能選擇性地檢測某種單一氣體，而對共存的其它氣體不響應(yīng)或 低響應(yīng)； (2)對被測氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的氣體濃度； (3)對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好； (4)長期工作穩(wěn)定性好； (5)使用壽命長； (6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。單片機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行處理分析，看是否超過某個預(yù)設(shè)值，如果超過則會啟動報(bào)警電路，反之則為正常狀態(tài)；同時顯示天然氣濃度并存儲數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 系統(tǒng)工程流程：氣體 信號檢測電路由 氣敏 傳感器和信號調(diào)理電路組成，將 氣體 信號轉(zhuǎn)化為模擬的電信號。 在本設(shè)計(jì)中，信號采集系統(tǒng)的主要功能就是快速準(zhǔn)確的檢測被測氣體中天然氣的含量，通過 LCD 顯示屏將天然氣濃度顯示出來并且存儲，當(dāng)氣體濃度達(dá)到一定門限值時發(fā)出聲光報(bào) 警。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 3 頁 共 46 頁 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個具有數(shù)據(jù)采集、存儲和報(bào)警功能系統(tǒng)。 系統(tǒng) 以 MQ4氣體傳感器和 AT89C51 單片機(jī)為核心 , 設(shè)計(jì)氣體 濃度信號采集系統(tǒng) 。 這兩項(xiàng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，為氣體檢測系統(tǒng)的發(fā)展提供了更好的平臺。在我國當(dāng)前，智能化的儀器儀表是單片微型機(jī)應(yīng)用最多，最為活躍的領(lǐng)域。現(xiàn)在的社會是數(shù)字化的社會，是信息的時代。目前的單片微型機(jī)早已從最初的四位、八位字長，發(fā)展到十六位、三十二位字長。目前國內(nèi)用于燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測的也主要是這兩種氣體傳感器 [1]。 從技術(shù)發(fā)展的角度看，根據(jù)使用傳感器原理的不同，常見的氣體檢測儀器儀表各自有適用氣體及應(yīng)用領(lǐng)域，新技術(shù)新產(chǎn)品正在成為未來氣體檢測儀器儀表的主流。 基于此， 本論文擬設(shè)計(jì)一種便攜式的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)，用于監(jiān)測空氣中天燃?xì)鈿怏w的濃度，并且能將氣體的濃度顯示在液晶上，當(dāng)空氣中的可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到一定的警界值時，發(fā)出報(bào)警信號，從而能夠保障人們自身和生產(chǎn)與生活的安全。再者， 計(jì)算機(jī)的普及和信 息技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。但是人的感官缺乏對各種有害氣體的感知，特別是對有害氣體濃度定量的判斷能力，因而研制能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器系統(tǒng)就變得尤為必要。 這些 氣體在帶給人們能源、生產(chǎn)生活 提供 方便的同時， 它們本身 是有毒、易燃的化學(xué)物品，給燃?xì)馊季哂脩羯钌盥裣铝嘶馂?zāi)、中毒、爆炸的隱患。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 1 頁 共 46 頁 1 引言 研究背景及意義 隨著工業(yè)化的發(fā)展，我們的生活及環(huán)境的污染迅速增加，環(huán)境中存在著各種有毒有害、易燃易爆氣體，從家用液化石油氣、城市煤氣以及天然氣到工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響我們的生存。 此外，我國燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天然氣已成為多數(shù)家庭的燃料。 一方面人類對各種有毒有害氣體的承受能力是有限的 ，另一方面易燃易爆氣體超過一定濃度，就可能引起火災(zāi)或爆炸，造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。 傳統(tǒng)的分析氣體組分和濃度的方法是以色譜法為代表的各種化學(xué)計(jì)量方法，盡管其測量精度很高，但操作手續(xù)繁雜，實(shí)驗(yàn)周期長，無法對有毒、有害氣體進(jìn)行實(shí)時、連續(xù)、瞬時檢測，而氣體傳感器則滿足這種要求，并且在人們?nèi)粘Ｉ钪袑p少氣體爆炸、火災(zāi)等事故已經(jīng)發(fā)揮著越來越大的作用。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，其 設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品體積小、成本低、運(yùn)用靈活、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠工作。 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 氣敏傳感器及單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的的兩大核心內(nèi)容。未來一段時間，使用半導(dǎo)體和催化原理的氣體檢測儀器儀表依靠著價(jià)格優(yōu)勢仍會占據(jù)部分低端市場。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 共 46 頁 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展， LSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)也在不斷提高，為單片微型機(jī)的進(jìn)步提供了有力的技術(shù)支持。技術(shù)的發(fā)展，集成度的提高，使得單片微型機(jī)在 社會主義現(xiàn)代化建設(shè)的各個領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大、越來越多的作用。許多的模擬技術(shù)都被數(shù)字技術(shù)所取代，這意味著智能化的各種設(shè)備及產(chǎn)品會越來越多的呈現(xiàn)在我們的眼前。而且隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，電阻型氣敏傳感器的工作穩(wěn)定性也相對提高，成本也在不斷的下降 [2]。 研究目標(biāo)及內(nèi)容 本文所設(shè)計(jì)的氣敏傳感器的信號采集系統(tǒng)采用單片機(jī) AT89C51，本設(shè) 計(jì)能將在測試環(huán)境中的氣體傳感器輸出的模擬電壓通過 A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī) AT89C51中進(jìn)行處理后通過液晶顯示，通過設(shè)置報(bào)警值，當(dāng)檢測到的濃度達(dá)到或者超過設(shè)定值時，用單片機(jī)控制發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警，同時打開喇叭發(fā)出聲音報(bào)警，來達(dá)到報(bào)警的目的。完成以下內(nèi)容 ： (1)研究天然氣氣體傳感器的基本工作原理，并選擇一個可供設(shè)計(jì)的具體型號，給出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)； (2)設(shè)計(jì)與所選傳感器匹配的放大、采集、存儲電路，要求確定具體的放大倍 數(shù)、采樣速率、采樣時間、進(jìn)而確定采樣容量； (3)設(shè)計(jì)報(bào)警電路并控制顯示天然氣氣體濃度； (4)繪制測試系統(tǒng)原理圖和 PCB 圖。要求能實(shí)時記錄并存儲空氣中的天然氣氣體的濃度，并在濃度超某一臨界值時具有報(bào)警功能。為了實(shí)現(xiàn)以上功能：系統(tǒng)應(yīng)該具備氣體傳感器及其適配電路模塊、 A/D 轉(zhuǎn)換電路模塊、單片機(jī)控制模塊、 LCD 液晶顯示模塊、聲光報(bào)警單元、存儲模塊，供電模塊這幾部分。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從檢測電路送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號后再送入單片機(jī)。 圖 硬件設(shè)計(jì)框圖 氣體傳感器的選型 氣體傳感器介紹 氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件 :一個氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。 常見氣體傳感器簡介 [4] （ 1）半導(dǎo)體氣體傳感器 半導(dǎo)體氣體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氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。 該傳感器己成為世界上產(chǎn)量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。 電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器依據(jù)其電阻隨氣體含量的不同而變化的特征來檢測氣體。 （ 2）固體電解質(zhì)氣體傳感器 固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)氣敏材料作為氣敏元件，其原理是利用氣敏材料在通過氣體時產(chǎn)生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。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。接觸燃燒式氣體傳感器的檢測元件一般為鉑金屬絲 (也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層 )，使用時將鉑絲通電，保持 300℃ ～ 400℃的高溫，此時若與氣體接觸，氣體就會在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會上升，鉑絲的電阻值也上升 ,通過測量鉑絲 的電阻值變化的大小，就知道氣體的濃度。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。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(bǔ)其它氣體傳感器的不足。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。它主要適用于毒性氣體檢測。 （ 6）熱傳導(dǎo)傳感器 熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測量原理不同。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳 導(dǎo)率的函數(shù)，而對于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)率是它固有的物理特性。在測量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。非擴(kuò)散式紅外探測器 NDIR (nondispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。由于非碳?xì)浠衔镆兹細(xì)怏w (如氫 )不吸收電磁譜中 IR 部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢測各種還原性煙 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 46 頁 霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH等。 表 各種氣體傳感器可檢測的氣體種類 傳感器種類 CO CO2 H2S NH3 HCN HCl CO Cl2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導(dǎo)體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質(zhì)傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ 接觸燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學(xué)式傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質(zhì)氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 注：○好 ◎不太好 氣體傳感器的選定