煤氣泄漏報警器論文.doc

_摘 要隨著社會科學技術的發(fā)展帶動的經(jīng)濟增長，廣大居民對自身的生活質量和生活環(huán)境越來越重視，因此天然氣、煤氣的廣泛使用為人們帶來了極大的方便，與此同時也帶給人們潛在的危險。由于近幾年來人們更多地采用更安全的天然氣燃料，導致對煤氣燃料的疏忽，由煤氣導致的家庭煤氣中毒與爆炸事件不在少數(shù)，因此有一個能及時并準確檢查煤氣泄漏報警裝置十分重要。本次設計是基于單片機和氣體傳感器作為可燃性氣體泄漏報警器設計的核心器件，配合其他的器件即可實現(xiàn)室內(nèi)溫度顯示和報警功能等。設計中單片機作為系統(tǒng)的控制器件，選用氣體傳感器來實現(xiàn)對可燃性氣體的檢測。煤氣泄漏報警器主要由單片機控制系統(tǒng)電路、溫度信號和氣體信號的采集及模數(shù)轉換電路、聲光報警電路、數(shù)碼管顯示電路構成。此次設計合理，價格低廉、電路原理簡單易懂，具有一定的實用性價值。論文主要針對控制系統(tǒng)電路和其它模塊電路之間的接口連接方式以及系統(tǒng)的軟件設計進行重點的分析和講解。 關鍵詞：煤氣泄漏；單片機；氣體傳感器精品資料_ABSTRACTWith the development ofsocial science and technologydriveneconomic growth，the majority of residents ontheir ownquality of lifeand living environmentseriously more and more，so it is widelyusedin natural gas，coal gasbrings great convenience to people,at the same timealsobringpotential danger. In recent years，more and more peopleusing natural gas as fuel formoresecurity，leading to thegasfuelgascausedbynegligence，thefamilyof gas poisoningandexplosionin the minority，soonecantimely and accuratelyis very important tocheck the gasleakage alarm device.This designs thecore device ofgas sensor based onsingle chip microcomputerandthe combustible gas leakagealarm design，cooperate with otherdevices can achievethe indoor temperaturedisplay andalarm functions.The design ofMCU as the controldevice,thegas sensor fordetectionofcombustible gas.The alarmis mainly composed of single chip computercontrol system circuit，analog temperature signalacquisition andsignal conversion circuitandgas,sound and light alarm circuit，digital displaycircuit composed ofa gas leak.Thereasonable design,low price，simplecircuit,has some practical value.The software design ofpaperbetween the control systemcircuit and othercircuit moduleinterface connection modeand systemanalysis andexplanation of the key.Keywords：gas leakage；MCU；gas sensor_目錄第1章 引言51.1 選題背景51.2 設計課題的目的及意義51.3 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀61.3.1可燃性氣體泄漏報警器種類與結構61.3.2國內(nèi)外情況及其發(fā)展趨勢6第2章 系統(tǒng)概述82.1 課題的主要任務82.2 方案的選擇82.3 單片機的選型82.3.1 AT89C52單片機簡介92.3.2 單片機引腳功能介紹102.4氣體傳感器選型122.4.1 氣體傳感器的介紹122.4.2 氣體傳感器的分類132.4.3 MQ-2氣體傳感器152.5煤氣泄漏報警器的工作結構和原理162.6系統(tǒng)組成17第3章 硬件設計193.1 MQ-2氣體傳感器感應模塊193.2 DS18B20溫度傳感器感應模塊193.2.1 DSl8B20簡介203.2.2 DSl8B20具體參數(shù)及工作方式243.2.3 18B20接口電路253.3 AT89C52單片機273.3.1 AT89C52單片機管腳圖273.3.2 時鐘電路273.3.3 復位電路283.4 A/D轉換模塊293.5 按鍵控制模塊293.6 數(shù)碼管顯示模塊303.8 蜂鳴器報警模塊31第4章 軟件設計324.1 系統(tǒng)主程序設計及流程圖324.2 A/D轉換模塊程序設計334.4 顯示模塊程序設計33第5章 軟件調試與仿真35結論39參考文獻40致謝41附錄42附錄一：總體原理圖設計42附錄二：程序代碼43外文資料原文59譯文60_第1章 引言1.1 選題背景在當今社會發(fā)展中，現(xiàn)代科技的發(fā)展給人類帶來了很大的方便，隨著電子信息技術的快速進步，從單片機問世以來，就一直受到人們的關注和重視，隨著近幾十年人們對單片機的不斷開發(fā)和利用，使得單片機被廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中。然而，人生安全問題也越來越受到人們的重視。在現(xiàn)代的多數(shù)農(nóng)村以及城郊結合部地區(qū)，煤氣罐非常常見?？扇夹詺怏w給我們帶來的方便不言而喻，但它們對人體的危害也是顯而易見的，為了人們生命安全，煤氣泄漏報警器的存在是非常重要的。因此設計一款基于單片機的可燃性氣體泄漏的報警控制系統(tǒng)來對燃氣濃度進行檢測，防止因燃氣泄漏導致濃度過高而引起的煤氣中毒和爆炸事件，為人們提供安全的保障。與此同時也會減少不必要的財產(chǎn)損失。1.2 設計課題的目的及意義隨著人們生活水平的不斷提高，從20世紀70年代末中國的一些城市家庭便開始使用煤氣罐作為燃料。直至現(xiàn)在，很多北方地區(qū)、農(nóng)村家庭以及許多家庭旅館、餐廳仍然在使用煤爐、煤氣罐等。每年，全國因煤氣泄漏致使的人員傷亡事故仍時常發(fā)生。甚者，也有因煤氣濃度過高引起爆炸等。濟南1.3煤氣大爆炸1995年1月3日17時50分，濟南市和平路羊頭峪東溝街地下電力電纜溝突然發(fā)生大爆炸，造成2.2 km路段的人行道和部分路面不同程度損壞，嚴重地段的臨街建筑物玻璃炸毀，鋪路花磚炸裂，快車道上61人受傷，12人死亡，7輛過路車損壞，直接經(jīng)濟損失400余萬元。此次大爆炸的原因仍然是煤氣泄漏引起的。1995年1月3日17時50分，該街一家玻璃店的煤爐首先引爆了煤氣，緊接著煤氣管道上方的7條10000 V的高壓電纜突然跳閘，產(chǎn)生的電火花再次引爆儲存在溝內(nèi)的煤氣而發(fā)生連續(xù)爆炸。爆炸形成了一條3 km長的丁字形爆炸區(qū)。行駛中的車輛被炸翻、砸壞，多處高空電線和電線桿被炸斷，馬路兩側的部分樓房玻璃被震碎，臨街圍墻坍塌，商亭支離破碎，平房屋頂掀起，3輛摩托車隨著爆炸聲飛掛到3 m高的房頂上，鋪設人行道的水泥方磚落在60 m以外的宿舍院內(nèi)。這類似的新聞不在少數(shù)，由于近幾年來人們更多地采用更安全的天然氣燃料，導致對煤氣燃料的疏忽，由煤氣導致的家庭煤氣中毒與爆炸事件不在少數(shù)，因此有一個能及時并準確檢查煤氣泄漏報警裝置十分重要。研究各種氣體的檢測方法與氣體傳感器也隨之成為一個重要課題。1.3 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1可燃性氣體泄漏報警器種類與結構 煤氣泄漏報警器因能檢測多種可燃性氣體，所以多用于大型公寓、飲食餐店、醫(yī)院、學校、工廠的各種氣體報警器和系統(tǒng)，有單體分離型報警器、外部報警系統(tǒng)、集中監(jiān)視系統(tǒng)、遮斷連動系統(tǒng)、防止中毒報警防護系統(tǒng)等?？扇夹詺怏w泄漏報警器可發(fā)出聲光報警，或伴有數(shù)字顯示，或聯(lián)動外部設備。有的可燃性氣體泄漏報警器可自動開啟排風扇，把燃氣排出室外；有的可燃性氣體泄漏報警器在報警時可自動關閉燃氣閥門，以防燃氣繼續(xù)泄漏。 1.3.2國內(nèi)外情況及其發(fā)展趨勢 當前應用最廣泛的可燃性氣體泄漏報警器與氣敏元件傳感器，已普及應用于氣體泄漏檢測和監(jiān)控，僅用于安全保護家用燃氣泄漏報警器為例，不少發(fā)達國家已經(jīng)明確規(guī)定家庭、公寓等要求安裝相應的報警器。國外可燃性氣體泄漏報警器發(fā)展很快，是由于人們安全意識增強，對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高；另一方面是由于燃氣泄漏報警器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。因此，國外燃氣報警器技術得到了較快發(fā)展，據(jù)有關統(tǒng)計猜測，美國在1996年2002年就煤氣報警器的年均增長率為2730。在這些方面，國內(nèi)應該增強安全意識增強?？扇夹詺怏w泄漏報警器的發(fā)展趨勢集中表現(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，與應用整機相結合，這也是燃氣泄漏報警器一直追求的目標；二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型可燃性氣體泄漏氣報警器。如美國在燃氣泄漏報警器中嵌入微處理器，使燃氣泄漏報警器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化、涉多功能化。目前，一般的煤氣報警器功能單一，性能未定性差，而且大型的監(jiān)控系統(tǒng)價格不菲，需要專門人員管理，不適合居家使用。家用煤氣泄漏的檢測與報警是非常重要的煤氣安全設備，它是安全使用煤氣的最后一道防線。煤氣泄漏報警器的探測煤氣的傳感器主要是有氧化物半導體、催化燃燒型、熱線型氣體傳感器，還有少量其他類型。這些傳感器都是通過對周圍環(huán)境中的煤氣的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學反映或者電化學反應，造成傳感器的電物理特性的改變。煤氣泄漏報警器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、公司、倉庫、化工等眾多領域。氣體傳感器檢測的氣體有，一氧化碳，二氧化碳，甲烷，氫氣等可燃或者有毒氣體！煤氣泄漏報警器從功能上可分為僅有泄漏報警功能的報警器和可以指示所探測到氣體濃度并且具有報警功能的檢測報警器。從使用場所上可分為民用報警器和商用報警器。民用的通常是獨立的在住宅中使用的煤氣報警器，功能簡單。商用的主要使用在煤氣運輸、儲存場所、使用煤氣和可能有煤氣泄漏的工廠和公共場所。城市煤氣規(guī)范中規(guī)定地下室，半地下室，地上密閉空間的用氣房間，建筑的管道井，封閉計量表房等都要安裝煤氣報警器。建筑和煤氣的相關規(guī)范和法規(guī)也推薦使用民用煤氣泄漏報警裝置。工業(yè)用固定式氣體報警器是由報警控制器和探測器組成，控制器可放置于值班室。主要對各監(jiān)測點進行監(jiān)控，探測器安裝于氣體最容易泄漏的地點。探測器將檢測到的氣體濃度轉換成電信號，通過線纜傳輸?shù)娇刂破鳎瑵舛仍礁咝盘栐綇?，當氣體濃度達到或者超過報警點時，報警器發(fā)出報警信號，如果是閥門泄漏可啟動電磁閥及排氣扇等設備自動排除隱患。便攜式檢測儀為手持式，工作人員可隨身攜帶，方便檢測不同地點的氣體濃度。家庭用氣體檢測器價格便宜，使用方便，省空間。目前，隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平的提高，傳感器日益小型化，集成度不斷提高，使得氣體檢測儀器越來越小。能用一種儀器檢測多種不同氣體是氣體檢測儀的發(fā)展趨勢。國外在氣體傳感器的研究和應用方面達到了很高水平，形成了多系列多品種的產(chǎn)品。相比之下我國的研究和應用比較滯后，特別在產(chǎn)品開發(fā)上亟待加強。隨著中國在世界加工制造業(yè)領域地位的不斷提高，國內(nèi)外技術交流的頻繁開展，在傳感器制造方面的條件正在成熟，加上政府對可燃性氣體安全立法的重視和人們對安全的需要，對氣體傳感器需求的持續(xù)增長，氣體傳感器的市場正在不斷成熟，相信在幾年內(nèi)我國會出現(xiàn)自己知識產(chǎn)權的氣體傳感器產(chǎn)品。第2章 系統(tǒng)概述2.1 課題的主要任務1.氣體檢測，將燃氣泄漏狀態(tài)處理成高低電平信號，將該信號輸入到單片機，通過單片機編程控制報警電路的工作狀態(tài)。2.溫度顯示，通過溫度傳感器，將室內(nèi)溫度轉換為16位二進制數(shù)，通過單片機I/O接口傳入單片機，并通過編程在數(shù)碼管上顯示出當前溫度值。3.要求報警器設計的性能可靠，經(jīng)濟合理。當出現(xiàn)天然氣和液化氣泄漏時，報警器能及時報警。2.2 方案的選擇方案一，通過傳感器感受到可燃性氣體，降低自身的阻值，來增大電流，并且驅動蜂鳴器報警。電路簡單、可靠但是靈活性和實用性差。 方案二，可以通過傳感器感知信號多級放大電路，并用電位器調節(jié)得到固定的電壓值，當?shù)玫娇扇夹詺怏w信號時，電阻值立刻變小，放大器的放大倍數(shù)增加，電壓也就隨著增加，驅動三極管導通報警電路。該方案有一定的靈活性和可執(zhí)性，但是電路比較復雜，智能性差。 方案三，通過單片機作為主控單元，并且能夠通過傳感器把模擬信號通過A/D信號轉換為數(shù)字信號，并且讀取和顯示出來。鍵盤可以通過不同的應用場合和針對不同氣體做出不同的濃度設定，并且儲存報警的上限和報警時間，方便查詢和日后的工作調查。 綜合考慮，由于使用單片機設計靈活性更強、用途更寬廣，所以本設計采用方案三。2.3 單片機的選型單片機是煤氣泄漏報警系統(tǒng)的心臟，用來接收可燃性氣體濃度信號并啟動報警裝置顯示和執(zhí)行相應的報警。在單片機實現(xiàn)的控制功能中，需要單片機有較快的運算速度，使檢測人員和用戶在報警器系統(tǒng)正常工作時能夠及時地觀測到實時的氣體濃度等級，并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器系統(tǒng)設計的計算速度及接口功能要求的同類型單片機中，要考慮選擇價格低廉且體積輕巧的機型，在保證了報警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎上，能夠不提高成本，縮小體積。由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機，在單片機家族的眾多成員中，51系列單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的市場，成為國內(nèi)單片機應用領域中的主流。其中，51系列單片機的優(yōu)點是價錢便宜，I/O口多，程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51系列單片機是最理想的選擇，因此設計采用AT89C52。2.3.1 AT89C52單片機簡介 AT89C52是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應用于各種控制領域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。其主要工作特性是：片內(nèi)程序存儲器內(nèi)含8KB的Flash程序存儲器，可擦寫壽命為1000次；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)含256字節(jié)的RAM；具有32根可編程I/O口線；具有3個可編程定時器；中斷系統(tǒng)是具有8個中斷源、6個中斷矢量、2個級優(yōu)先權的中斷結構；串行口是具有一雙工的可編程串行通信口；具有一個數(shù)據(jù)指針DPTR；低功耗工作模式有空閑模式和掉電模式具有可編程的3級程序鎖定位；AT89C52工作電源電壓為5（1+0.2）V，且典型值為5V；AT89C52最高工作頻率為24MHz。其管腳圖2.1如下所示：圖2-1 AT89C52管腳圖2.3.2 單片機引腳功能介紹 VCC：電源 GND：接地 P0口：P0口是一個8位漏級開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0口端口寫“1”時，引腳作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接受指令字節(jié)：在程序效驗時，輸出指令字節(jié)。程序效驗時，需要外部上拉電阻。 P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位是雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電平。對P1口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻的原因，將輸出電流ILL。在Flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖級可驅動吸收或輸出電流4個TTL邏輯電平。對P2口寫“1”時，通過內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。 在訪問外部好曾許存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址。在這種應用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在Flash編程和校驗時，P2口接收低8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯電平。對P3口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入端口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流ILL。在Flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 RST：復位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期以高電平將使用單片機復位。 ALE/：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 ：振蕩器反相放大器的輸出端。2.4氣體傳感器選型氣體傳感器作為煤氣泄漏報警器中不可缺少的核心器件，是氣體測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。煤氣泄漏報警器的信號采集由氣體傳感器負責。氣體傳感器是一種將氣體的成份、濃度等信息轉換成可以被人員、儀器儀表、計算機等利用的信息的裝置。它能夠將氣體的種類及其濃度有關的信息轉換為電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中存在的情況有關的信息，從而達到檢測、監(jiān)控、報警的功能?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。2.4.1 氣體傳感器的介紹氣體傳感器是模擬傳感器。它能將空氣中的氣體濃度變量轉換成有一定對應關系的輸出信號的裝置。氣體傳感器就是通過監(jiān)測環(huán)境中氣體的濃度來實現(xiàn)燃氣泄漏爆炸事件的。當氣體探頭碰到某些特定的氣體或煙霧，氣體探頭內(nèi)部阻值發(fā)生變化，產(chǎn)生一個模擬值，從而對其進行控制。氣體傳感器利用氣體敏感元件的電阻受氣體（主要是可燃顆粒）濃度影響阻值變化的原理向單片機發(fā)送氣體濃度相應的模擬信號。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煤氣泄漏傳感器的體積也逐漸變小，提高了煤氣泄漏傳感器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運輸和市場推廣。目前，煤氣泄漏傳感器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領域。在國內(nèi)的產(chǎn)品中，無論哪家生產(chǎn)的煤氣泄漏傳感器，都可以探測到燃氣泄漏的發(fā)生，都具有比較高的靈敏度，而且在安裝中都比較簡單。但是，由于各生產(chǎn)的設備不可通用，獨立為正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通訊。使得用戶面對眾多廠家生產(chǎn)的煤氣泄漏傳感器感到不知所措。而這也正是國內(nèi)產(chǎn)品市場的一個重大缺陷。2.4.2 氣體傳感器的分類早在上個世紀70年代，氣體傳感器就已經(jīng)成為傳感器領域一個大系，屬于化學傳感器一個分支。目前流行于市場氣體傳感器大約有如下一些種類：1、催化燃燒式氣體傳感器這種傳感器是白金電阻表面制備耐高溫催化劑層，一定溫度下，可燃性氣體其表面催化燃燒，燃燒是白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度函數(shù)。催化燃燒式氣體傳感器選擇性檢測可燃性氣體：凡是可以燃燒，都能夠檢測；凡是不能燃燒，傳感器都沒有任何響應。當然，“凡是可以燃燒，都能夠檢測”這一句有很多例外，總來講，上述選擇性是成立。催化燃燒式氣體傳感器計量準確，響應快速，壽命較長。傳感器輸出與環(huán)境爆炸危險直接相關，安全檢測領域是一類主導位傳感器。缺點：可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性。暗火工作，有引燃爆炸危險。大部分元素有機蒸汽對傳感器都有中毒作用。目前這種傳感器主要供應商中國、日本、英國（發(fā)明國）！目前中國是這種傳感器最大用戶（煤礦），也擁有最佳傳感器生產(chǎn)技術，盡管不斷有各種各樣代理商宣傳上干擾社會對這種傳感器認識，畢竟，催化燃燒式氣體傳感器主流制造商國內(nèi)。2、半導體式氣體傳感器它是利用一些金屬氧化物半導體材料，一定溫度下，電導率環(huán)境氣體成份變化而變化原理制造。比如，酒精傳感器，就是利用二氧化錫高溫下遇到酒精氣體時，電阻會急劇減小原理制備。半導體式氣體傳感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體檢測。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測需求。下列幾種半導體式氣體傳感器是成功：甲烷（天然氣、沼氣）、酒精、一氧化碳（城市煤氣）、硫化氫、氨氣（包括胺類，肼類）。高質量傳感器可以滿足工業(yè)檢測需要。缺點：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器選擇性都唯一，輸出參數(shù)能確定，不宜應用于計量準確要求場所。目前這種傳感器主要供應商日本（發(fā)明者），其次是中國，最近有新加入了韓國，其他國家如美國這方面也有相當工作，始終沒有匯入主流！中國這個領域投入人力和時間都不亞于日本，多年來國家政策導向以及社會信息閉塞等原因，我國流行于市場半導體式氣體傳感器性能質量都遠遜于日本產(chǎn)品，相信，市場進步，民營資本進一步興起，中國產(chǎn)半導體式氣體傳感器達到和超越日本水平已經(jīng)指日可待！3、電化學式氣體傳感器相當一部分可燃性、有毒有害氣體都有電化學活性，可以被電化學氧化還原。利用這些反應，可以分辨氣體成份、檢測氣體濃度。電化學氣體傳感器分很多子類：（1）原電池型氣體傳感器（也稱：加伏尼電池型氣體傳感器，也有稱燃料電池型氣體傳感器，也有稱自發(fā)電池型氣體傳感器），他們原理行同我們用干電池，電池碳錳電極被氣體電極替代了。以氧氣傳感器為例，氧陰極被還原，電子電流表流到陽極，那里鉛金屬被氧化。電流大小與氧氣濃度直接相關。這種傳感器可以有效檢測氧氣、二氧化硫、氯氣等。（2）恒定電位電解池型氣體傳感器，這種傳感器用于檢測還原性氣體非常有效，它原理與原電池型傳感器不一樣，它電化學反應是電流強制下發(fā)生，是一種真正庫侖分析傳感器。這種傳感器已經(jīng)成功用于：一氧化碳、硫化氫、氫氣、氨氣、肼、等氣體檢測之中，是目前有毒有害氣體檢測主流傳感器。（3）濃差電池型氣體傳感器，具有電化學活性氣體電化學電池兩側，會自發(fā)形成濃差電動勢，電動勢大小與氣體濃度有關，這種傳感器成功實例就是汽車用氧氣傳感器、固體電解質型二氧化碳傳感器。（4）極限電流型氣體傳感器，有一種測量氧氣濃度傳感器利用電化池中極限電流與載流子濃度相關原理制備氧（氣）濃度傳感器，用于汽車氧氣檢測，和鋼水中氧濃度檢測。目前這種傳感器主要供應商遍布全世界，主要德國、日本、美國，最近新加入幾個歐洲供應商：英國、瑞士等。中國這個領域起步很早，產(chǎn)業(yè)化進程效果不佳。4、熱導池式氣體傳感器每一種氣體，都有自己特定熱導率，當兩個和多個氣體熱導率差別較大時，可以利用熱導元件，分辨其中一個組分含量。這種傳感器已經(jīng)傳感器用于氫氣檢測、二氧化碳檢測、高濃度甲烷檢測。這種氣體傳感器可應用范圍較窄，限制因素較多。這是一種老式產(chǎn)品，全世界各都有制造商。產(chǎn)品質量全世界大同小異。5、磁性氧氣傳感器這是磁性氧氣分析儀核心，目前也已經(jīng)實現(xiàn)了“傳感器化”進程。它是利用空氣中氧氣可以被強磁場吸引原理制備。這種傳感器只能用于氧氣檢測，選擇性極好。大氣環(huán)境中氮氧化物能夠產(chǎn)生微小影響，這些干擾氣體含量往往很少，磁氧分析技術選擇性幾乎是唯一！6、紅外線氣體傳感器大部分氣體中紅外區(qū)都有特征吸收峰，檢測特征吸收峰位置吸收情況，就可以確定某氣體濃度。這種傳感器過去都是大型分析儀器，近些年，以MEMS技術為基礎傳感器工業(yè)發(fā)展，這種傳感器體積已經(jīng)由10升，45公斤巨無霸，減小到2毫升（拇指大小）左右。使用無需調制光源紅外探測器使儀器完全沒有機械運動部件，完全實現(xiàn)免維護化。紅外線氣體傳感器可以有效分辨氣體種類，準確測定氣體濃度。這種傳感器成功用于：二氧化碳、甲烷檢測。2.4.3 MQ-2氣體傳感器MQ-2半導體傳感器是以清潔空氣中電導率較低的金屬氧化物二氧化錫(SnO2)為主體的N型半導體氣敏元件。當傳感器所處環(huán)境中存在燃氣氣體時，傳感器的電導率隨空氣中氣體濃度的增加而增大。在設計報警器時只有使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。該傳感器具備一般半導體氣體傳感器靈敏度高、電導率變化大、響應和恢復時間短、抗干擾能力強、輸出信號大、壽命長和工作穩(wěn)定等優(yōu)點，在市面上應用十分廣泛。 MQ-2氣體傳感器適用于煙霧、天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣等的檢測，對可燃性氣體的（CH4、C4H10、H2等）的檢測很理想。這種傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃性氣體有良好的靈敏度，能夠檢測多種可燃性氣體，十分適合應用在家庭的氣體泄漏報警器中。是一款便攜式氣體檢測器，非常適合多種應用的低成本傳感器。其技術指標表2-1。表2-1 MQ-2的技術指標加熱電壓（Vh） AC或DC 50.2V 回路電壓（Vc）負載電陰（Rl）清潔空氣中電阻 （Ra） 靈敏度（S=Ra/Rdg）響應時間(trec)恢復時間(trec)元件功耗檢測范圍最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm 由于物理量和測量范圍的不同，傳感器的工作機理和結構就不同。通常氣體傳感器輸出的電信號是模擬信號（已有許多新型傳感器采用數(shù)字量輸出）。當信號的數(shù)值符合A/D轉換器的輸入等級時，可以不用放大器放大；當信號的數(shù)值不符合A/D轉換器的輸入等級時，就需要放大器放大。所以MQ-2氣體傳感器要想把采集到的氣體濃度模擬信號傳送給單片機控制器就必須經(jīng)過將模擬信號經(jīng)過A/D轉換器轉化為可以識別的電信號給單片機。 2.5煤氣泄漏報警器的工作結構和原理煤氣泄漏報警器是能夠檢測環(huán)境中的可燃性氣體濃度，并具有報警功能的儀器。該報警系統(tǒng)的最基本組成部分應包括：信號采集及模數(shù)轉換電路、單片機控制電路、字符顯示電路、聲光報警電路等部分組成。 為適應家庭和工業(yè)等場所對可燃性易爆氣體安全性要求，設計的煤氣泄漏報警器具有顯示報警狀態(tài)等功能。報警器采用延時的工作方式，煤氣泄漏報警器以AT89C52單片機為控制核心，選用MQ-2傳感器采集氣體濃度信息，配合外圍電路構成煤氣泄漏報警系統(tǒng)。報警器系統(tǒng)結構如圖2.2。 圖2-2 報警器系統(tǒng)結構圖利用氣敏元件可以直接測定環(huán)境中的甲烷、CO等可燃性氣體的濃度，選取并采用了MQ-2氣體傳感器來測定。A/D轉換器可以將氣敏元件采集到的模擬信號轉換成單片機能識別的數(shù)字信號，將數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)分析與處理，當濃度超過設置的上限值，單片機控制進行報警；且采用DS18B20溫度傳感器采集室內(nèi)的溫度信號，并通過編程在數(shù)碼管上顯示出當前溫度值。本設計選用AT89C52單片機，通過控制外部A/D轉換電路進行信號的模數(shù)轉換，并在濃度超出設定值時，單片機驅動蜂鳴器報警發(fā)出響聲。2.6系統(tǒng)組成本設計以單片機為核心設計的一種數(shù)字濃度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)整體框圖主要由主控制器、單片機復位、氣體傳感器、溫度傳感器、上限值調節(jié)、時鐘振蕩、數(shù)碼管顯示、蜂鳴報警器組成。系統(tǒng)框圖如圖2.4；圖2-3 系統(tǒng)框圖_第3章 硬件設計3.1 MQ-2氣體傳感器感應模塊 MQ-2可用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，可以探測液化氣、丁烷、丙烷、甲烷等。本設計選取了MQ-2作為氣體傳感器，它將檢測到的氣體濃度模擬信號通過單片機P1口送入單片機。這個部分的信號采集電路引腳圖如圖3.1所示：圖3-1 MQ-2信號采集電路引腳圖 MQ-2的1、2、3腳接5V直流電源VCC，5腳接地，4、6腳輸出模擬信號送入單片機，起到信號采集的作用。3.2 DS18B20溫度傳感器感應模塊本設計采用的DS18B20溫度傳感器，其溫度測量范圍從-55到+125，精度為0.5，可在1秒鐘內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。它具有獨特的單總線接口，僅需要占用一個I/O端口即可以完成與微處理器間的通信，占用微處理器的端口較少, 可節(jié)省大量的引線和邏輯電路，為讀寫以及溫度轉換帶來方便，同時，它可以從數(shù)據(jù)線本身獲得能量，不需要外接電源；它支持3V5.5V 的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；此外，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，DS18B20能直接讀出被測量的溫度，并且可以根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式，它可在1秒鐘內(nèi)把溫度變換成數(shù)字；由DS18B20 組建的溫度測量單元體積小，便于攜帶和安裝。它具有負壓特性，電源極性接反時，僅僅是不能正常工作，但溫度計不會因發(fā)熱而燒毀。整體來說DS18B20 的性能是新一代產(chǎn)品中最好的,性能價格比也非常出色，所以我們選擇它來作為設計部件。技術性能描述：獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 測溫范圍 55+125，固有測溫誤差0.5。支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。工作電源3.05.5V在使用中不需要任何外圍元件測量結果以912位數(shù)字量方式串行傳送不銹鋼保護管直徑 6適用于DN1525, DN40DN250各種介質工業(yè)管道和狹小空間設備測溫標準安裝螺紋 M10X1, M12X1.5, G1/2”任選 PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設備連接。3.2 DS18B20溫度傳感器感應模塊3.2.1 DSl8B20簡介 DSl8B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司繼DSl820之后最新推出的智能改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測溫度并且可根據(jù)要求通過簡單的編程實現(xiàn)9l2位的數(shù)字直讀方式?？梢苑謩e存93.75ms和750ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DSl8B20讀出的信息或寫入DSl8B20的信息僅需要一根口線(單線接口)讀寫，溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接DSl8B20供電，而無需額外電源。因而使用DSl8B20可使系統(tǒng)結構更趨簡單，可靠性更高。他在測溫精度，轉換時間，傳輸距離，本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的溫度測量控制系統(tǒng)的組成、設計方案、電路原理、程序設計過程。DS18B20多點溫度測量系統(tǒng)是以AT89C52單片機作為控制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對象，用數(shù)碼管顯示，運用C語言實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設計完成了冷庫溫度的監(jiān)控和報警等令人滿意的效果。DSl8B20采用3腳PR35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結構框圖如8所示： 圖3-2 DSl8B20的內(nèi)部結構圖DS18B20的內(nèi)部結構主要有四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖9所示： 圖3-3 DS18B20的管腳 DS18B20的引腳說明如下： GND :地 DQ ：數(shù)據(jù)I/O VDD :電源 NC ：空腳64位激光ROM開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號共有48位，最后8位是前56位的CRC校本文系統(tǒng)地介紹了基于DS18B20的多點溫度測量控制系統(tǒng)的組成、設計方案、電路原理、程序設計以及系統(tǒng)仿真過程。DS18B20冷庫溫度監(jiān)控報警系統(tǒng)是以AT89C52單片機作為控制核心，智能溫度傳感器DS18B20為控制對象，用數(shù)碼管顯示，運用C語言編程實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。設計完成溫度的測量，與上下限溫度報警值設置。借助單片機編程軟件Keil實現(xiàn)了系統(tǒng)軟、硬件的交互聯(lián)調，并結合數(shù)碼管、DS18B20和AT89C52單片機最小系統(tǒng)進行了電路焊接和調試，實現(xiàn)了課題設計目的。DSl8B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除EEPRAM。后者用于存儲TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EEPRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)，他的內(nèi)容用與確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率，DSl8B20 工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數(shù)值。低5位一直都是1，TM是測試模式位，用于設置DSl8B20在工作模式還是在測試模式。如表3-1所示。在DSl8B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動，Rl和R0決定溫度轉換精度位數(shù)。 TMR1R011111表3-1 字節(jié)各位的定義由表3-2可見，設定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉換時間就越長。因此，在實際應用中要在分辨率和轉換時間權衡考慮。高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節(jié)組成，其分配如表3所示。其中溫度信息(第l，2字節(jié))，TH和TL值第3，4節(jié)，第68字節(jié)，表現(xiàn)為全邏輯1；第9字節(jié)讀出的是前面所有的8字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。R1R0分辨率溫度最大轉換時間/ms 00993.750110187.51011275.001112750.00表3-2 數(shù)據(jù)分辨率和轉換時間當DSl8B20接收到溫度轉換命令后，開始啟動轉換，如表3-3所示。轉換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展到二進制補碼形式儲存在高速暫存存儲器的第l，2字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前面，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8位CRC表3-3 碼制轉換在DSl8B20完成溫度變換之后，溫度值與貯存TH和TL內(nèi)的觸發(fā)值相比較因為這些寄存器僅僅是8位，所以0.5位在比較時被忽略。TH或TL的最高有較位直接對應于l6位溫度奇存器的符號位。如果溫度測量的結果高于TH或低于TL，那么器件內(nèi)告警標志將置位。每次溫度測量更新此標志。只要告警標志置位，DSl8B20將對告警搜索命令做出響應。這允許并聯(lián)連接許多DSl8B20，同時進行溫度測量。如果某處溫度超過極限，那么可以識別出正在告警的器件并立即將其讀出而不必讀出非告警的器件。3.2.2 DSl8B20具體參數(shù)及工作方式 溫度輸入（2進制）輸出（16進制）+1250000 0111 1101 000007D0H+850000 0101 0101 00000550H+25.06250000 0001 1001 00010191H+10.1250000 0000 1010 001000A2H+0.50000 0000 0000 10000008H00000 0000 0000 00000000H-0.51111 1111 1111 1000FFF8H-10.1251111 1111 0101 1110FF5EH-25.06251111 1111 0101 1110EE6FH-551110 1110 0110 1111FE90H表3-4 部分溫度轉換值參數(shù)特性：（1）獨特的單線接口只需l個接口引腳即可通信（2）多點綜合測溫能力使分布式溫度檢測應用得以簡化（3）不需要外部元件（4）可用數(shù)據(jù)線供電（5）需備份電源（6）測量范圍從-55至+125增量值為0.5（7）以9位數(shù)字值方式讀出溫度（8）在1秒(典型值)內(nèi)把溫度變換為數(shù)字（9）用戶可定義的非易失性的溫度告警設置（10）告警搜索命令識別和尋址溫度在編定的極限之外的器件溫度告警情況（11）應用范圍包括恒溫控制工業(yè)系統(tǒng)消費類產(chǎn)品溫度計或任何熱敏系統(tǒng)極限參數(shù)：（1）任何引腳相對于地的電壓-0.5V至+7.0V（2）運用溫度-55至+125（3）貯存溫度-55。C至+125（4）焊接溫度260/l0秒3.2.3 18B20接口電路圖3-4 溫度傳感器接口電路圖（2） DS18B20控制方法 DS18B20有六條控制命令：溫度轉換 44H 啟動DS18B20進行溫度轉換 讀暫存器 BEH 讀暫存器9個字節(jié)內(nèi)容 寫暫存器 4EH 將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié) 復制暫存器 48H 把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中 重新調E2RAM B8H 把E2RAM中的TH、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié) 讀電源供電方式 B4H 啟動DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPU （3） DS18B20供電方式DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3.1所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個三極管來完成對總線的上拉。本設計采用電源供電方式， P2.3口接單線總線為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個上拉電阻和STC89C52的P2.3來完成對總線的上拉。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10 s。采用寄生電源供電方式是VDD和GND端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三狀態(tài)的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過3個步驟：l 初始化。l ROM操作指令。l 存儲器操作指令。 DSl8B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除EEPRAM。后者用于存儲TH，TL值。數(shù)據(jù)先寫入RAM，經(jīng)校驗后再傳給EEPRAM。而配置寄存器為高速暫存器中的第5個字節(jié)，他的內(nèi)容用與確定溫度值的數(shù)字轉換分辨率，DSl8B20 工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換為相應精度的數(shù)值。低5位一直都是1，TM是測試模式位，用于設置DSl8B20在工作模式還是在測試模式。如表1所示。在DSl8B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動，Rl和R0決定溫度轉換精度位數(shù)。本設計采用的DS18B20溫度傳感器，其溫度測量范圍從-55到+125，精度為0.5，可在1秒鐘