【正文】 ................................ 30 1 緒論 課題背景和意義 隨著 我國改革開放的不斷深入， 工業(yè)化的發(fā)展，人類的生活水平在不斷地提高。我們的 生活環(huán)境中存在著各種各樣的有毒有害，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)生產過程中產生的氣體、交通工具中排放的各種氣體都在不斷地污染環(huán)境，影響人類的生存。由于人們感官缺乏對各種可燃氣體的感知，特別是對可燃氣體濃度的判斷能力是有限的，因而研制出能夠感知并判別氣體的種類和測量氣體濃度的儀器就變得尤為必要。 隨著城市煤氣、天然氣事業(yè)及化學工業(yè)的迅速發(fā)展，易燃、易爆的氣體種類和應用范圍在不斷增加，這些易燃易爆氣體在生產和使用過程中，一旦發(fā)生泄漏將會引起中毒、火災、爆炸等重大事故， 人們在對安全生產的重視程度日益增加的同時，對生產技術 手段也進行不斷的提高， 研制一種新型 、 性能穩(wěn)定、準確監(jiān)測可燃性氣體報警控制器勢在必行 。 因此，本次設計 采用了 “ 探測器 +單片機控制電路 ” 設計思路。AT89C51 芯片具有功能強大，性價比高等一系列優(yōu)點，適合產品大規(guī)模生產。 正是由于可燃性氣體報警控制器對于安全生產的重要性，國內外有眾多廠家研制、生產這一產品。 國內外研究現(xiàn)狀 在很多礦井的工作過程中，以及家用沼氣、液化氣灶的使用過程中，都會出現(xiàn)可燃氣體泄露的情況，而這種情況一旦發(fā)生，就會引起爆炸或中毒，會產生極大的危害。采用氣敏探頭為半導體式氣敏傳感器，工作原理是隨著探頭附近可燃氣體濃度上升，通電預熱后的半導體構件對敏感氣體的吸附作用，內部化學反應加快，氣敏探頭感應體電阻值呈指數(shù)率下降，這種電阻的變化被信號轉換電路將其轉變成可以測量的電信號。設計在監(jiān)測電路后級的單片機利用其內部定時器可精確測定方法寬度 ，通過公式計算即可計算出所探測到的燃氣濃度參數(shù)。該系統(tǒng)的優(yōu)點所實現(xiàn)的可燃氣監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測全面 ,性價比高 ,運行可靠。 （ 2）由監(jiān)測元件，放大電路，報警系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)組成。對于大多數(shù)可燃氣體監(jiān)測報警器均是采用催化燃燒原理制造。當氣體濃度達到預先設置的報警值時，儀器發(fā)出聲光報警。但易受環(huán)境因素影響測量值。此方案設計的可燃氣體監(jiān)測報警器由 穩(wěn)壓電源電路，數(shù)碼管，單片機，傳感器， A/D 轉換器，二極管，蜂鳴器構成。設計主要應用于保護現(xiàn)場及操作者的安全，提高現(xiàn)場安全度。 設計主要內容計主要指標： （ 1）濃度值檢測設計范圍為 00%～ 50%； （ 2）用十進制數(shù)碼顯示當前的實際濃度； （ 3）設計顯示危險登記； （ 4）用語音實現(xiàn)報警。 主要做以下設計 ： (1) A/D 轉換器控制程序，要控制 A/D 轉換器能按照要求的時間分別對可燃氣監(jiān)測傳感器測得的結果進行數(shù)據(jù)的轉換并傳送給單片機。 (3) 發(fā)光二極管，蜂鳴器的控制程序，當超過設定濃度，進行聲光 報警 . (4) 電路正常工作時綠燈閃爍。 方案二 鑒于此系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，提出如下方案并進行分析。 分析：此設計十分簡單，也十分實用。 方案三 以 MCS51 系列單片機 AT89C2051 為核心，本著設計簡單、調試方便、安裝靈活 、安全可靠，節(jié)約成本的原則，完成該設計。 （ 2）能設定可燃氣體濃度報警值，范圍在 1%25%。 3%LEL （ 4）正常工作：綠燈閃爍，蜂鳴器不報警。 ②從報警區(qū)移到干凈空氣區(qū)， 30秒內應正常顯示。 （ 7）聲、光設置手動自檢功能。 分析：此設計的電路雖然功能齊全，但電路整體結構比較復雜，用到的元器件較多，成本較高，涉及到的軟硬件設計比較繁雜。 氣體傳感器的選型 可燃性氣體傳感器是一個氣 電變換器，它的作用是把可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )變成電信號，進而由單片機采集信號、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以便報警控制。因此，傳感器的選型是非常重要的。過去氣體傳感器主要用于煤氣、液化石油氣、天然氣以及礦井中的瓦斯氣體的檢測與報警，目前需要檢測的氣體種類由原來的還原性氣體 (H2， C4H10， CH4 等 )擴展到毒性氣體 (CO， NO2， H2S， NO， NH3， PH3 等 )。 (2) 利用物理性質的氣體傳感器 :如熱導、光干涉、紅外吸收等。 下面對工業(yè)上常用的幾種氣體 傳感器作以簡單介紹。由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，這類傳感器得到了廣泛的應用。該傳感器己成為世界上產量最大、使用最廣的氣體傳感器之一。它 使用固體電解質材料作為氣敏元件。由于這種傳感器電導率高，靈敏度和選擇性好，因而得到了廣泛的應用，幾乎打入了石化、環(huán)保、礦業(yè)等各個領域。4CaCO3 等。 (3) 接觸燃燒式氣體傳感器 這類傳感器可分為直接接觸燃燒式和催化接觸燃燒式氣體傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器在環(huán)境溫度下非常穩(wěn)定，并能對爆炸 F限的絕大多數(shù)可燃性氣體進行檢測，普遍應用于石化工廠、造船廠、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測和報警。在燃氣爆炸下限內輸出為線性、只與燃氣濃度成正比、溫度和濕度的變化對其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、反映準確、精度高、再現(xiàn)性好。 (4) 高分子氣體傳感器 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。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，且結構簡單，能在常溫下使用，可以彌補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的檢測。 （ 3）可燃氣體傳感器的選擇 可燃氣體檢測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)生可燃煙霧泄漏的場所，根據(jù)報警器檢測可燃氣體 種類的 要求，一般選用接觸燃燒式可燃氣體傳感器和半導體可燃氣體傳感器。 阻緩是當在可燃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。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。 因此，經(jīng)常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。 半導體 可燃氣體 傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器，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。 經(jīng)過對比上述兩種可燃氣體傳感器的應用特性，發(fā)現(xiàn)半導體可燃氣體傳感器的優(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(xiàn)象，維護成本較低等。而在眾多半導體氣體傳感器中，本設計選用 MQ2 型煙霧傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性， 驅動電路簡單，較大的電信號輸出 。 MQ2 傳感器詳細說明 MQ2 型氣敏元件的敏感層是用非常穩(wěn)定的二氧化錫制成的。 圖 21給出了 MQ2 元件對不同氣體的靈敏度特性。 圖 21 MQ2 靈敏度特性曲線 MQ2 工作原理： 傳感器的表面電阻 Rs 是通過與其串聯(lián)的負載電阻 RL上的有效電壓信號 VRL輸出而獲得的。 圖 22 負載測試曲線圖 該傳感器需要施加 2個電壓：加熱器電壓（ VH）和測試電壓（ Vc）。 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）。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。 MQ2氣敏元件的結構和外形如圖所 示 (結構 A or 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。 圖 23 傳感器的測試電路 圖 24傳感器外形 可燃氣體探測報警控制器的總體設計 系統(tǒng)總體結構設計 顯示電路 單片機 地址鎖存器 內存擴展 A/D 轉換 濃度傳感器 NGC0001 Vc VH GND RL VRL A A B B 系統(tǒng)以單片機 AT89C51為核心 ，配合外圍電路共同完成信號采集、濃度顯示、聲音報警等功能。 A/D轉換器采用的是ADC0832，該傳感器是采樣頻率為 8位的、以逐次逼近原理進行模 — 數(shù)轉換的器件，具有功耗低，性能穩(wěn)定的特點。保證報警器的精確性及可靠性的同時，有利降低報警器的成本。首先，傳感器送來的可燃氣 體濃度對應的電壓信號送入 A/D轉換芯片 ADC0832中，將模擬量轉化成數(shù)字量后輸入到微控制器內，進行數(shù)據(jù)處理，將電壓信號轉化成為對應的濃度值 。 在可燃性氣體報警控制器的設計中，單片機是儀表的核心部件。在單片機所實現(xiàn)的這些功能中，特別是信號處理部分，需要單片機有較快的運行速度，才能對現(xiàn)場氣體濃度做出快速、準確的檢測，進行相應的處理。根據(jù)多方面的比較，本設計選用生產的 復位電路（手動控制） 報警 AT89C51 系列單片機作為報警器的核心控制器。當檢測到的可燃性氣 體濃度超出上限報警設定值時，報警器發(fā)出聲音報警 。 通過預設氣體濃度，傳感器進行檢測氣體濃度，假如超過預設氣體濃度時，將發(fā)出聲音報警。整個系統(tǒng)的軟件編程就是通過匯編語言對單片機 80C51 實現(xiàn)其控制功能。多年來的應用實踐已經(jīng)證明， 80C51 的系統(tǒng)結構合理，技術成熟，許多單片機芯片傾力于提高 80C51 系列產品的綜合功能，從而形成了 80C51的主流產品的地位，近年來推出的與 80C51兼容的主要產品有： ATMEL 公司融入 Flash 存儲器技術推出的 AT89 系列單片機； Philips 公司推出的 80C5 80C552 系列高性能單片機； 華邦公司提出的 W78C5 W77C51 系列高速低價單片機； ADI 公司推出的 Adμ C8ⅹⅹ系列高精度 ADC 單片機； LG 公司推出的 GMS90/97 系列低壓高速單片機； Maxim 公司推出的 DS89420 高速 (50MIPS)單片機； Cygn