【正文】 況，而這種情況一旦發(fā)生，就會(huì)引起爆炸或中毒，會(huì)產(chǎn)生極大的危害。采用氣敏探頭為半導(dǎo)體式氣敏傳感器，工作原理是隨著探頭附近可燃?xì)怏w濃度上升，通電預(yù)熱后的半導(dǎo)體構(gòu)件對(duì)敏感氣體的吸附作用，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加快，氣敏探頭感應(yīng)體電阻值呈指數(shù)率下降，這種電阻的變化被信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成可以測(cè)量的電信號(hào)。設(shè)計(jì)在監(jiān)測(cè)電路后級(jí)的單片機(jī)利用其內(nèi)部定時(shí)器可精確測(cè)定方法寬度，通過(guò)公式計(jì)算即可計(jì)算出所探測(cè)到的燃?xì)鉂舛葏?shù)。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)全面 ,性?xún)r(jià)比高 ,運(yùn)行可靠。 （ 2）由監(jiān)測(cè)元件，放大電路，報(bào)警系統(tǒng)，顯示系統(tǒng)組成。對(duì)于大多數(shù)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警器均是采用催化燃 燒原理制造。當(dāng)氣體濃度達(dá)到預(yù)先設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，儀器發(fā)出聲光報(bào)警。但易受環(huán)境因素影響測(cè)量值。此方案設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)報(bào)警器由 穩(wěn)壓電源電路，數(shù)碼管，單片機(jī)，傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換器，二極管，蜂鳴器構(gòu)成。設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)及操作者的安全，提高現(xiàn)場(chǎng)安全度。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容計(jì)主要指標(biāo)： （ 1）濃度值檢測(cè)設(shè)計(jì)范圍為 00%～ 50%； （ 2）用十進(jìn)制數(shù)碼顯示當(dāng)前的實(shí)際濃度； （ 3）設(shè)計(jì)顯示危險(xiǎn)登記； （ 4）用語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)報(bào)警。 主要做以下設(shè)計(jì) ： (1) A/D 轉(zhuǎn)換器控制程序，要控制 A/D 轉(zhuǎn)換器能按照要求的時(shí)間分別對(duì)可燃?xì)獗O(jiān)測(cè)傳感器測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換并傳送給單片機(jī)。 (3) 發(fā)光二極管，蜂鳴器的控制程序，當(dāng)超過(guò)設(shè)定濃度，進(jìn)行聲光 報(bào)警 . (4) 電路正常工作時(shí)綠燈閃爍。 方案二 鑒于此系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，提出如下方案并進(jìn)行分析。 分析：此設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，也十分實(shí)用。 方案三 以 MCS51 系列單片機(jī) AT89C2051 為核心，本著設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、安裝靈活、安全可靠，節(jié)約成本的原則，完成該設(shè)計(jì)。 （ 2）能設(shè)定可燃?xì)怏w濃度報(bào)警值，范圍在 1%25%。 3%LEL （ 4）正常工作：綠燈閃爍，蜂鳴器不報(bào)警。 ②從報(bào)警區(qū)移到干凈空氣區(qū)， 30秒內(nèi)應(yīng)正常顯示。 （ 7）聲、光設(shè)置手動(dòng)自檢功能。 分析：此設(shè)計(jì)的電路雖然功能齊全，但電路整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用到的元器件較多，成本較高，涉及到的軟硬件設(shè)計(jì)比較繁雜。 氣體傳感器的選型 可燃性氣體傳感器是一個(gè)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(hào)，進(jìn)而由單片機(jī)采集信號(hào)、數(shù)據(jù)處理、濃度顯示以便報(bào)警控制。因此，傳感器的選型是非常重要的。過(guò)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(cè)與報(bào)警，目前需要檢測(cè)的氣體種類(lèi)由原來(lái)的還原性氣體 (H2， C4H10， CH4 等 )擴(kuò)展到毒性氣體 (CO， NO2， H2S， NO， NH3， PH3 等 )。 (2) 利用物理性質(zhì)的氣體傳感器 :如熱導(dǎo)、光干涉、紅外吸收等。 下面對(duì)工業(yè)上常用的幾種氣體傳感器作以簡(jiǎn)單介紹。由于具有靈敏度高、響應(yīng)快、輸出信號(hào)強(qiáng)、耐久性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等諸多優(yōu)點(diǎn)，這類(lèi)傳感器得到了廣泛的應(yīng)用。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。它使用固體電解質(zhì)材料作為氣敏元件。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(gè)領(lǐng)域。4CaCO3 等。 (3) 接觸燃燒式氣體傳感器 這類(lèi)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(duì)爆炸 F限的絕大多數(shù)可燃性氣體進(jìn)行檢測(cè)，普遍應(yīng)用于石化工廠(chǎng)、造船廠(chǎng)、礦井隧道、浴室、廚房等處可燃性氣體的監(jiān)測(cè)和報(bào)警。在燃?xì)獗ㄏ孪迌?nèi)輸出為線(xiàn)性、只與燃?xì)鉂舛瘸烧取囟群蜐穸鹊淖兓瘜?duì)其工作狀態(tài)影響很小、選擇性好、 反映準(zhǔn)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(lái)得到很大的發(fā)展。高分子氣體傳感器具有對(duì)特定氣體分子靈敏度高，選擇性好，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)將電解液分解成陰陽(yáng)帶電離子，通過(guò)電極將信號(hào)傳出。它主要適用于毒性氣體的檢測(cè)。 （ 3）可燃?xì)怏w傳感器的選擇 可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警 器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣 站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)可燃?xì)怏w 種類(lèi)的要求，一般選用接觸燃燒式可燃?xì)怏w傳感器和半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器。 阻緩是當(dāng)在可燃?xì)怏w與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無(wú)焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之類(lèi)的物質(zhì)時(shí)，則傳感器將 使催化元件產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的中毒，以致靈敏度很快就喪失。 因此，經(jīng)常對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，是保證其準(zhǔn)確性的必要的途徑。 半導(dǎo)體 可燃?xì)怏w 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煙霧傳感器以及用單 晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 經(jīng)過(guò)對(duì)比上述兩種可燃?xì)怏w傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出：靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計(jì)選用 MQ2 型煙霧傳 感器，這種型號(hào)的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性， 驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，較大的電信號(hào)輸出 。 MQ2 傳感器詳細(xì)說(shuō)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(duì)不同氣體的靈敏度特性。 圖 21 MQ2 靈敏度特性曲線(xiàn) MQ2 工作原理： 傳感器的表面電阻 Rs 是通過(guò)與其串聯(lián)的負(fù)載電阻 RL上的有效電壓信號(hào) VRL輸出而獲得的。 圖 22 負(fù)載測(cè)試曲線(xiàn)圖 該傳感器需要施加 2個(gè)電壓：加熱器電壓（ VH）和測(cè)試電壓（ Vc）。 Vc 則是用于測(cè)定與傳感器串聯(lián)的負(fù)載電阻（ RL）上的電壓（ VRL）。在滿(mǎn)足傳感器電性能要求的前提下， Vc和 VH可以共用同一個(gè)電源電路。 MQ2氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形如圖所示 (結(jié)構(gòu) A or B),由微型 Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層 ,測(cè)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。 圖 23 傳感器的測(cè)試電路 圖 24傳感器外形 可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警控制器的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 顯示電路（十進(jìn)制數(shù)碼管） 復(fù)位電路（手 動(dòng)控制） 單片機(jī) 地址鎖存器 內(nèi)存擴(kuò)展 A/D 轉(zhuǎn)換 風(fēng)扇電路 濃度傳感器 NGC0001 Vc VH GND RL VRL A A B B 圖 25 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、濃度顯示、聲音報(bào)警等功能。 A/D轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0809，該傳感器是采樣頻率為 8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模 — 數(shù)轉(zhuǎn)換的器件，具有功耗低，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。保證報(bào)警器的精確性及可靠性的同時(shí)，有利降 低報(bào)警器的成本。首先，傳感器送來(lái)的可燃?xì)怏w濃度對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809中，將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量后輸入到微控制器內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的濃度值 。 在可燃性氣體報(bào)警控制器的設(shè)計(jì)中，單片機(jī)是儀表 的核心部件。在單片機(jī)所實(shí)現(xiàn)的這些功能中，特別是信號(hào)處理部分，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)行速度，才能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度做出快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，進(jìn)行相應(yīng)的處理。根據(jù)多方面的比較，本設(shè)計(jì)選用生產(chǎn)的AT89C51 系列單片機(jī)作為報(bào)警器的核心控制器。當(dāng)檢測(cè)到的可燃性氣體濃度超出上限報(bào)警設(shè)定值時(shí)，報(bào)警器發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)排氣裝置，實(shí)現(xiàn)排氣系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 通過(guò)預(yù)設(shè)氣體濃度，傳感器進(jìn)行檢測(cè)氣體濃度，假如超過(guò)預(yù)設(shè)氣體濃度時(shí)，將發(fā)出聲音報(bào)警，并自動(dòng)啟動(dòng)排氣裝置。整個(gè)系統(tǒng)的軟件編程就是通過(guò)匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī) 80C51 實(shí)現(xiàn)其控制功能。多年來(lái)的應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明， 80C51 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)成熟，許多單片機(jī)芯片傾力于提高 80C51 系列產(chǎn)品的綜合功能，從而形成了 80C51的主流產(chǎn)品的地位，近年來(lái)推出的與 80C51兼容的主要產(chǎn)品有： ATMEL 公司融入 Flash 存儲(chǔ)器技術(shù)推出的 AT89 系列單片機(jī)； Philips 公司推出的 80C5 80C552 系列高性能單片機(jī)； 華邦公司提出的 W78C5 W77C51 系列高速低價(jià)單片機(jī)； ADI 公司推出的 Adμ C8ⅹⅹ系列高精度 ADC 單片機(jī)； LG 公司推出的 GMS90/97 系列低壓高速單片機(jī)； Maxim 公司推出的 DS89420 高速 (50MIPS)單片機(jī)； Cygnal 公司推出的 C8051F 系列高速單片機(jī)。 80C51 的基本結(jié)構(gòu) 80C51 單片機(jī)主要由以下部分組成： （ 1） CPU 系統(tǒng) 8位 CPU，含布爾處理器；時(shí)鐘電路；總線(xiàn)控制邏輯。 （ 3） I/O 口和其他動(dòng)能單元 4個(gè)并行 I/O 口； 2個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 1個(gè)全雙工異步串行口；中斷系統(tǒng)（ 5個(gè)中斷源， 2個(gè)優(yōu)先級(jí)） 80C51 單片機(jī)的的封裝和引腳 80C51 系列單片機(jī)采用雙列直插式（ DIP） .QFP44（ Quad Flat Pack）和 LCC（ Leaded Chip Caiier）形式封裝。如圖32 所示。 (3) 控制線(xiàn) :控制線(xiàn)共有 4根， ALE/PROG:地址鎖存允許 /片內(nèi) EPROM 編程脈沖 ALE 功能：用來(lái)鎖存 P0 口送出的低 8位地址 PROG 功能：片內(nèi)有 EPROM 的芯片，在 EPROM 編程期間，此引腳輸入編程脈沖。 RST/VPD:復(fù)位 /備用電源。 VPD 功能：在 Vcc 掉電情況下，接 備用電源。 EA 功能：內(nèi)外 ROM 選擇端。 (4) I/O 線(xiàn) 80C51 共有 4個(gè) 8位并行 I/O 端口： P0、 P P P3 口，共 32 個(gè)引腳。 80C51 單片機(jī)的時(shí)鐘 (1)振蕩器和時(shí)鐘電路 80C51 內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時(shí)鐘脈沖，外部還需附加電路。 a 內(nèi)部時(shí)鐘方式 利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTALl和 XTAL2兩端跨接晶體振蕩器（簡(jiǎn)稱(chēng)晶振），就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時(shí)鐘電路。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳XTALl 和 XTAL2 靠近。 HMOS 和 CHMOS 單片機(jī)外時(shí)鐘信號(hào)接入方式不同。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作。其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。 復(fù)位電路設(shè) 計(jì) 單片機(jī)的外部復(fù)位電路有上電復(fù)位和上電和按鍵均有效的復(fù)位兩種。 上電復(fù)位 上電復(fù)位利用電容器的充電實(shí)現(xiàn)， 圖 34 是 80C51 單片機(jī)的上電 +按鍵復(fù)位電路。上電瞬間 RST引腳獲得高電平，隨著電容的充電， RST 引腳的高電平將逐漸下降。該電路典型的電阻值和我電容參數(shù)為：晶振為 12MHZ，電容值為 10uF，電阻值為 。 表 31 復(fù)位后的內(nèi)部特殊功能寄存器狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TMOD 00H ACC 00H TCON 00H B 00H TH0 00H BSW 00H TL0 00H SP 07H TH1 00H DPTR 0000H TL0 00H P0～