【正文】 產(chǎn)品研究進(jìn)入中試 ； （ 4）國內(nèi)氣敏 元件傳感器產(chǎn)量已超過 “ 九五 ” 初期的 400 萬支。如美國 GeneralMonitors 公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準(zhǔn)和監(jiān)視故障狀況功能，實(shí)現(xiàn)了智能化；還有前已涉及的美國 IST 公司的具有微處理器的“MegaGa s” 傳感器實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。10 － 6硫化氫低功耗氣體傳感器，美國 IST 提供了壽命達(dá) 10年以上的氣體傳感器，美國 FirstAlert 公司推出了生物模擬型（光化反應(yīng)型）低功耗 CO 氣體傳感器等。 目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢(shì)集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應(yīng)用整機(jī)相結(jié)合，這也是氣體傳感器一直追求的目標(biāo)。 國外氣體傳感器發(fā)展很快，一方面是由于人們安 全意識(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性和生西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 3 活舒適性要求提高；另一方面是由于傳感器市場(chǎng)增長受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。隨著先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器發(fā)展的趨勢(shì)是微型化、智能化和多功能化。可燃?xì)怏w傳感器的發(fā)展也成為氣體檢測(cè)系統(tǒng)的代 表性標(biāo)志。美國工業(yè)科學(xué)公司（ ISC）一臺(tái)攜帶式氣體監(jiān)控儀可實(shí)現(xiàn)4種氣體監(jiān)測(cè)，采用了統(tǒng)一的軟件，只需要換氣體傳感器，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定氣體監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)型式有袖珍型便攜式、手推式、固定式報(bào)警等；工業(yè)用固定式報(bào)警又有壁掛式、臺(tái)放式、單臺(tái)監(jiān)控式、多路巡檢式等。美國目前已有 6個(gè)州立法，規(guī)定家庭、公寓等都要安裝 CO 報(bào)警器。 在應(yīng)用方面， 目前最廣泛的是可燃性氣體氣敏元件傳感器，已普及應(yīng)用于氣體泄漏檢測(cè)和監(jiān)控，從工廠企業(yè)到居民家庭，應(yīng)用十分廣泛。 、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài) 民用可燃?xì)怏w報(bào)警器為居民家庭用的燃?xì)鈭?bào)警器，一般安裝在廚房，遇燃?xì)庑孤r(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。所以怎樣防止煤氣中毒與爆炸已成為人們的迫切需要。單片機(jī)有利于為現(xiàn)代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設(shè)施。人們對(duì)居住環(huán)境要求的日見增高，體現(xiàn)在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。有關(guān)部門經(jīng)長期測(cè)試同樣得出結(jié)論，燃?xì)鈭?bào)警器防止一氧化碳中毒事故發(fā)生的有效率達(dá) 95%以上。 、 課題研究的目的 人們面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，就真的沒有一個(gè)徹底的解決辦法嗎？據(jù)有關(guān)專家介紹，使用燃?xì)鈭?bào)警器是對(duì)付燃?xì)鉄o形殺手的重要手段之一。近年來，我國部分地區(qū)非職業(yè)性一氧化碳中毒事件時(shí)有發(fā)生。人呆在煤氣泄漏的空間內(nèi)，甲烷的不完全燃燒 可能會(huì)生成一氧化碳，人體吸入有毒氣體一氧化碳后，一氧化碳將會(huì)迅速與血液中的紅細(xì)胞結(jié)合導(dǎo)致人體中毒昏迷，如果長時(shí)間吸入泄露的煤氣甚至?xí)l(fā)生中毒死亡。有甚者，因室內(nèi)煤氣濃度過高，引起煤氣爆炸的事故也不少見。西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒論 、 課題研究的背景 隨著我國燃?xì)獾淖兏锛拔鳉鈻|輸工程的進(jìn)行，煤氣或天燃?xì)庖殉蔀槎鄶?shù)家庭的燃料。每年，因煤氣泄露造成的煤氣中毒事故中，因使用熱水器不當(dāng)或產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，造成的煤氣中毒事故，全國均有不少事例。 家用煤氣有時(shí)會(huì)因各種原因發(fā)生泄漏，煤氣的主要成分是甲烷，甲烷是一種可燃性氣體，遇到明火會(huì)發(fā)生燃燒甚至爆炸，所以如果在煤氣泄漏時(shí)打電話，使用家用電器的話，煤氣遇到電火花可能會(huì)發(fā)生爆炸事故。一氧化碳中毒屬內(nèi)科急癥，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)及治療，將會(huì)危及生命。 特別是冬春季高發(fā)， 例如像家用燃?xì)鉄崴魅找嫫占?，因使用不?dāng)造成一氧化碳中毒人數(shù) 也 與日俱增。 燃?xì)鈱＜抑赋觯細(xì)庑孤┗驈U氣排放而大量產(chǎn)生的一氧化碳是燃?xì)庵卸臼马憫?yīng)的根源，如采有用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器就能得到及時(shí)的警示。 計(jì)算機(jī)的普及和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對(duì)家庭及住宅小區(qū)提出了更高的要求，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地發(fā)展起來。 單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，煤氣泄漏則是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y(cè)量和控制的一 個(gè)問題。為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行有效的預(yù)防對(duì)策。為此我們開發(fā)研制了智能西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 2 煤氣報(bào)警系統(tǒng)。有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把燃?xì)馀懦鍪彝猓挥械膱?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 [8]。僅以用于安全保護(hù)家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器為例，日本早在 1980 年 1 月開始實(shí)行安裝城市煤氣、液化石油氣報(bào)警器法規(guī)， 1986 年 5月日本通產(chǎn)省又實(shí)施了安全器具普及促進(jìn)基本方針。報(bào)警器種類也相當(dāng)繁多，有用于一般家庭、集體住宅、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。氣體檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化、多功能化。美國國際傳感器技術(shù)（ IST）公司應(yīng)用一種 “MegaCas 傳感器和微程序控制單元，可檢測(cè) 100 種以上毒性氣體和可燃性氣體，通過其 “ 氣體檢索 ” 功能掃描，能很快確定是哪一種氣體。 近年來，由于在工業(yè)生產(chǎn)、家庭安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定性方面的要求越來越高，因此對(duì)氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。深入研究和把握有機(jī)、無機(jī)、生物和各種材料的特性及相互作用，理解各類氣體傳感器的工作原理和作用機(jī)理，正確選擇各類傳感器的敏感材料，靈活運(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電子技術(shù)、光纖技術(shù)等，使傳感器性能最優(yōu)化是氣體傳感器的發(fā)展方向。因此，國外氣體傳感器技術(shù)得到了較快發(fā)展，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)猜測(cè)，美國 1996 年 — 2021 年氣體傳感器年均增長率為（ 27～ 30）％。如日本費(fèi)加羅公司推出了檢測(cè)（ ～ 10） 179。二是增強(qiáng)可靠性，實(shí)現(xiàn)元件和應(yīng)用電路集成化，多功能化，發(fā)展 MEMS 技術(shù)，發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)適用的變送器和智能型傳感器。 氣敏元件傳感器作為新型敏感元件傳感器在國家列為重點(diǎn)支持發(fā)展的情況下，國內(nèi)已有一定的基礎(chǔ)。產(chǎn)量超過 20萬支的主要廠家有 5 家，黑龍江敏感集團(tuán)、太原電子廠、云南春光器材廠、天津費(fèi)加羅公司（合資）、北京電子管廠（特種電器廠），其中前四家都超過 100 萬支，據(jù)行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)， 1998 年全國氣敏元件總產(chǎn)量已超過 600 萬支。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 4 、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本內(nèi)容 針對(duì)經(jīng)常發(fā)生的煤氣泄漏中毒事件，采用煤氣、甲烷、乙烷及 一氧化碳等氣體傳感器、單片機(jī)、電磁閥和電鈴，設(shè)計(jì)一套有毒氣體檢測(cè)、報(bào)警電路，顯示室內(nèi)空氣質(zhì)量（分優(yōu)、良、中、好、差五級(jí)），用單片機(jī)模塊分路控制繼電器、發(fā)光二極管和電鈴。其中硬件部分由各報(bào)警感應(yīng)器、感應(yīng)器控制器、 主控器 等設(shè)備組成。氣敏傳感器用來檢測(cè)空氣中煤氣的濃度，當(dāng)空氣中煤氣含量超過允許標(biāo)準(zhǔn)濃度后，感應(yīng)器所獲得的感應(yīng)信號(hào)均被感應(yīng)器控制器所接收，再由感應(yīng)器控制器對(duì)各感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)識(shí)別和處理，并將處理后的感應(yīng)信號(hào)通過串口送至 主控器 ，由 主控器 對(duì) 其采取相應(yīng)的警報(bào)動(dòng)作。 本課題在硬件設(shè)計(jì)方面主要研究組成家用煤氣泄漏報(bào)警控制系統(tǒng)的單片機(jī)芯片、氣體傳感器總線的使用方法，同時(shí)研究電路設(shè)計(jì)思路、電路組成，包括控制芯片、氣體傳感器、單片機(jī)、顯示電路等的選用和設(shè)計(jì)，最后給出結(jié)構(gòu)框圖、電路原理圖。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 5 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ) 微處理器的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，提高了人們生活的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)的現(xiàn)代化和自動(dòng)化 ?；?8位和 16位單片機(jī)的嵌入式設(shè)備 (如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示、過程控制、工業(yè)自動(dòng)化等 )的實(shí)時(shí)應(yīng)用、測(cè)控系統(tǒng)正在走向網(wǎng)絡(luò)智能化。 、 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案與選擇 針對(duì)目前主要處理芯片的不同，本文提出了 2 種實(shí)現(xiàn)方案，分別為基于 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)方 案以及基于 Rabbit RCM5700 實(shí)現(xiàn)方案。 、 基于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案 基于 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的 煤氣報(bào)警器 的具體方案如圖 21 所示。 可燃 氣體傳感器輸出為模擬量，需要利用 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給 8051單片機(jī)；晶振和鍵盤控制作為 8051 單片機(jī)的外圍輸入電路，蜂鳴器作為報(bào)警用的 8051單片機(jī)的外圍輸出電路；顯示電路采用了 LED 顯示 ，由 8051 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)顯示 。該方案主要包括了 可燃?xì)怏w傳感器 、 A/D 轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制電路、 Rabbit RCM5700 模塊 電路、晶振、蜂鳴器以及 LED 顯示電路。 圖 22 基于 Mini Core 的實(shí)現(xiàn) 、 方案選擇 方案 1 中采用的是 8051 單片機(jī)實(shí)現(xiàn) 煤氣報(bào)警器 ，該方案具有結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)簡單，器件成本較低的特點(diǎn)，是一種較為廣泛采用的實(shí)現(xiàn)方案。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的 Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng) , 一個(gè)包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的 C 語言集成開發(fā)環(huán)境。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。 Rabbit MiniCore 系列產(chǎn)品采用超小型 mini PCI Express 接口，具有可互相兼容的以太網(wǎng)與 WiFi 無線網(wǎng)兩個(gè)版本，除了擁有 Mini 的外型，使得產(chǎn) 品的設(shè)計(jì)更加容易之外，它還配置了 32 個(gè)通用輸入 /輸出端口、 6 個(gè)串行端口和一臺(tái) Rabbit 5000微處理器。由于該模塊具有設(shè)計(jì)靈活，外圍擴(kuò)展功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，可以構(gòu)成當(dāng)今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案，可以為系統(tǒng)方便可靠增加網(wǎng)絡(luò)連接。 既 基于 Mini Core 實(shí)現(xiàn)的 家用煤氣報(bào)警系統(tǒng)， 利用 可燃 氣體傳感器檢測(cè)某一環(huán)境中 可燃?xì)?體 含量的指標(biāo)，對(duì)于 可燃 氣體的檢測(cè)，由于 可燃 氣體傳感器輸出量為模擬量，需要將其進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換后送給 Rabbit RCM5700 模塊，當(dāng)其含量超過設(shè)定值時(shí)，由主芯片 Rabbit RCM5700 模塊控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警 。典型應(yīng)用在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄和上傳、儲(chǔ)罐監(jiān)控、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、遠(yuǎn)程能源管理等領(lǐng)域。 Rabbit 充分結(jié)合了易于使用和最大限度的降低產(chǎn)品成本提供可以構(gòu)成當(dāng)今體積最緊湊、成本最低的嵌入式解決方案。 Rabbit Semiconductor 公司專注于此，推出的產(chǎn)品在行業(yè)內(nèi)被廣泛應(yīng)用，十幾年來，以其產(chǎn)品質(zhì)量的高穩(wěn)定性、 容易開發(fā)、資源豐富、支持聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)獲得業(yè)界的高度認(rèn)可，譬如 RCM3200、 LP3500 在工控和水利、電力領(lǐng)域已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)的經(jīng)典應(yīng)用。 新的 Mini Core RCM5700 模塊在體積極其緊湊的 mini PCI Express 板型結(jié)構(gòu)內(nèi)集成了豐富的嵌入式功能，并且成本極低。 RCM5700 可以在任何客戶定制開發(fā)的母板上增加新的網(wǎng)絡(luò)連接。52pin mini PCI Express 插槽式的板邊連接器引出了 RCM5700 的 I/O 總線，并行端口和串口到 RCM5700 固定的母板上 ，如圖 23。 主要特點(diǎn)： (1) 微處理器為 Rabbit5000(內(nèi)含 128 KB 的 SDRAM)，主頻為 50MHz； (2) 程序存儲(chǔ)器為 1 MB 閃存； (3) 32 個(gè) GPIO(可配置 )； (4) 6個(gè) (可配置 )CMOS 兼容的串 El； (5) 帶實(shí)時(shí)時(shí)鐘 (電池供電 )； (6) 10 個(gè) 8位定時(shí)器， 10位和 l6位定時(shí)器各 1個(gè)； (7) 有兩路觸發(fā)輸入和兩路正交解碼輸入； (8) 帶有看門狗； (9) 支持 10／ 100Base— T以太網(wǎng)功能； (10) 接口為 Mini PCI Express 接口。編程開發(fā)采用我們經(jīng)過業(yè)界廣為驗(yàn)證的 Dynamic C 開發(fā)系統(tǒng)，一個(gè)包括編輯器、鏈接器、裝載器和編譯器在內(nèi)的 C 語言集成開發(fā)環(huán)境。這種開發(fā)環(huán)境減少了工作量，加速了軟硬件集成。 有兩種類型的開發(fā)包供用戶進(jìn)行開發(fā)和測(cè)試軟件。 RCM5700 開發(fā)包還包括你評(píng)測(cè) RCM5700所需要的開發(fā)板。你可以立即為 RCM5700 模塊編寫和測(cè)試包括以太網(wǎng)和 TCP/IP 應(yīng)用在內(nèi)的軟件。 2）比購買和組裝單獨(dú)組件更具競(jìng)爭力的價(jià)格。用于下載經(jīng)編譯的 Dynamic 文件的 Rabbit Field Utility。 5）參考設(shè)計(jì)使集成的以太網(wǎng)能利用無需特許權(quán)的 TCP/IP 軟件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。下述物品在開發(fā)包的標(biāo)準(zhǔn)版本中提供。 配有支架 / 接頭的接口板。 能通過接口板 對(duì) RCM5700 進(jìn)行編程的 USB 線。 西南科 技大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 24 RCM5700 模塊接口定義 根據(jù) RCM5700 模塊接口定義可知， 52 個(gè)接口可以劃分為幾個(gè)主要部分：端口 Port A、Port B、 Port C、 Port D、 Port E、 Serial Port A、 RAM、 Misc. I/O 等，具體如圖25所示。 、 一氧化碳傳感器的選擇 市面上的煤氣感應(yīng)器多種多