畢業(yè)設計（論文）-基于單片機的天燃氣泄漏報警系統(tǒng)設計

摘 要 隨著天然氣的大量使用 ,每一座居民大樓都被天然氣所 “ 籠罩 ” 。天然氣的普及給公共生活帶來了方便 ,減少了城市的污染 ,提高了生活質量和效率 ,但是同時 ,天然氣也是潛在的 “ 危險品 ”, 一旦發(fā)生大面積泄漏 ,處置不及時就可能引發(fā)大爆炸 ,給居民的生命財產安全帶來巨大的威脅。 面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，我們需要一個解決辦法。使用天燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。 本論文以半導體氣敏 傳感器和 單片機技術 為核心 設計的氣體報警器可實現聲光報警功能， 是 一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉、智能化的氣體報警器， 具有一定的實用價值。 其中選用 MQ-2 傳感器實現對氣體 的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長 。 其與 ADC0808 轉換器連接，將氣體信號轉換成單片機可識別的數字信號，經 AT89C51 單片機 處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某個預設值 (也就是報警限 )，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài) 關鍵詞 ： 傳感器 報警器 單片機 Abstract With the wide use of natural gas, each a residential towers were gas enveloped. The popularity of natural gas to public life brought convenient, reduce the citys pollution and improve the life quality and efficiency, but at the same time, natural gas is also potential dangerous, once produce large leak, disposal not timely could trigger, the big bang to peoples life and property safety brought great threat. Facing the gas leak all kinds of accidents caused by threats, we need a solution. Use of natural gas alarm is deal with gas invisible killer one of the important means. This papers to the semiconductor gas sensors and single chip microcomputer as the core design can realize the gas alarm sound-light alarm functions, is a kind of simple structure, stable performance, easy to use, inexpensive and intelligent gas alarm, has certain practical value. Among them choose MQ - 2 of gas detection sensor realize, has a high sensitivity, fast response, strong anti-jamming capability etc, and the price is low, service life long. ADC0808 converters connected with the gas signal, convert microcontroller can identify the digital signal processing, by AT89C51 for processing the data and analysis, whether is equal to or greater than the a default value (that is, the alarm limit), if will automatically start alarm circuit warning voice, conversely for normal state Keywords: sensor alarm MCS 目 錄 第 1 章 緒論 . 1 1.1 家庭燃氣泄漏報警的概述 . 1 1.2 家庭燃氣泄漏報警的現狀 . 1 1.3 家庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢 . 2 1.4 燃氣泄漏報警研究意義與目的 . 2 1.5 設計任務 . 2 第 2 章 天燃氣泄漏報警系統(tǒng)的方案設計 . 1 2.1 天燃氣報警系統(tǒng)的設計思路 . 1 2.2 氣體傳感器的選型 . 1 2.2.1 氣體傳感器介紹 . 1 2.2.2 氣體傳感器的選定 . 5 2.3 天燃氣泄露報警系統(tǒng)的整體設計方案 . 6 2.3.1 天燃氣泄露報警器工作原理 . 6 2.3.2 天燃氣泄露報警器的結構 . 6 2.3.3 氣體檢測報警器的功能 . 7 第 3 章 天燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設計 . 8 3.1 主控電路的設計 . 8 3.1.1 半導體 氣 敏 傳感器簡介 . 8 3.1.2 單 片機的選擇 . 11 3.1.3 AT89C51 單片機的基本結構 . 13 3.1.4 AT89C51 單片機的引腳 . 14 3.1.5 AT89C51 單片機的時鐘電路 . 16 3.1.6 AT89C51 單片機的復位電路 . 17 3.2 外圍接口電路的設計 . 19 3.2.1 ADC0808 轉換器的介紹 . 19 3.2.2 ADC0808 轉換器和 AT89C51 單片機的接口電路 . 20 3.2.3 聲音報警電路 . 21 3.2.4 燈光報警電路 . 22 3.3 總電路設計 . 23 第 4 章 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的軟件部分設計 . 26 4.1 主 程序設計流程與編程 . 26 4.1.1 主程序設計流程圖 . 26 4.1.2 主程序的編程 . 27 4.2 程序調試 . 29 4.2.1 程序調試的步驟 . 30 4.2.2 程序調試過程中的問題及解決 . 31 總結與展望 . 32 致 謝 . 33 參考文獻 . 34 附錄一家庭燃氣泄漏報警系統(tǒng)電路圖 . 35 1 第 1 章 緒論 1.1 家庭燃氣泄漏 報警的概述 天 燃氣泄漏報警器是非常重要的燃氣安全設備， 由 氣 敏 傳感器 、 單片機 和報警器組成 。 它是安全使用城市燃氣的最后一道保護。 天 燃氣泄漏報警器通過 氣 敏傳感器 探測周圍環(huán)境中的低濃度可燃氣體，通過采樣電路，將探測信號用模擬量或數字量傳遞給控制器或控制電路，當氣體濃度超過控制器或控制電路 中設定值時，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出報警信號 或執(zhí)行關閉燃氣閥門等動作。氣體報警器的探測氣 敏 傳感器主要半導體型、 接觸 燃燒 式 、 電化學氣敏 傳感器，還有少量的其他類型 。 這些傳感器都是通過對周圍環(huán)境中的可燃氣體的吸附，在傳感器表面產生化學反應或電化學反應，造成傳感器的電物理特性的改變 ， 經單片機處理后 報警 。 1.2 家庭燃氣泄漏報警的現狀 天 氣體檢測 報警產品是一個系列產品，包括 氣體 探測設備、信息傳輸設備、報警分析控制器 ， 是物理傳感技術、自動控制、計算機技術、數據傳輸和管理、智能樓宇等技術的綜合集成，屬于高新技術 。依托中國多年的基本建設的發(fā)展，這個行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國許多冠名以高新技術的行業(yè)中，中國企業(yè)大多做的是下游的制造和服務，分取極少一部分的利潤， 像安 防報警產品那樣又擁有自我知識產權，又擁有大量市場的行業(yè)其實是很少的。 在 安 防報警產品的技術含量上，國內產品和國外產品差距不是很大，許多指標已經超越，存在的問題是：類似于國外 安 防報警產品的大批量規(guī)?；纳a才剛起步，有待于積累經驗和技術 ， 也因此在產品一致性和長期穩(wěn)定性上有一些差距；國內正在形成權重的大型企業(yè)和集團，這樣可以帶領國 內的各家企業(yè)去沖擊海外市場，并最終占領海外的 安 防報警市場。 2 1.3 家庭燃氣泄漏報警的發(fā)展趨勢 二十多年前， 我 國的 安 防報警產品剛剛起步，無論產品技術含量、產品系列完整性、使用性，還是社會影響程度都是相當低的。國外的產品和品牌 卻 占領 我們 的大部分市場。由于中國的建設正在 面臨 飛速發(fā)展， 我們應該抓住廣闊的市場空間，慶幸 的是中國企業(yè)抓住了 這次 機遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國家的科研院所，后是一批國營企業(yè)、民營企業(yè)，業(yè)內也吸引和凝聚一大批國內的技術和管理精英，花了多年時間，通過幾次產品更新換代，就使自己的產品緊緊跟上了國際水平，并且奪回了大部分國內市場，使得現在大多國外產品只有招架之 勢 ，這是典型的自力更生，走自己的路。當然目前而言，我們基本占據的是國內市場，對外還剛 剛 啟動。 但是， 中國 企業(yè)已經做好 準備進軍海外市場。 1.4 燃氣泄漏報警研究意義與目的 面對燃氣泄漏而造成的種種事故威脅，我們需要一個解決辦法。使用 天 燃氣報警器是對付燃氣無形殺手的重要手段之一。燃氣專家指出，燃氣泄漏或廢氣排放而大量產生的一氧化碳是燃氣中毒事 件的根源，如采 用 天 燃氣泄漏報警器就能得到及時的警示。有關部門經長期測試得出結論， 天 燃氣報警器防止 天然氣泄漏事故 發(fā)生的有效率達 95%以上。 計算機的普及和信息技術的迅猛發(fā)展，人們己不滿足于傳統(tǒng)的居住環(huán)境，對家庭及住宅小區(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。人們對居住環(huán)境要求的日見增高，體現在希望住宅不僅更便利、舒適而且更安全。 單片機在日用電子產品中的應用越來越廣泛，燃氣泄漏則是人們日常生活中常常需要測量和控制的一個問題。單片機有利于 為現代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的設施。 為了防止中毒事件再次發(fā)生，提出利用單 片機系統(tǒng)進行有效的預防對策。所以怎樣防止燃氣 中毒與爆炸已成為人們的迫切需要 。 1.5 設計任務 本文 設計了一種靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜的 天然氣檢測系統(tǒng)， 采用 氣敏傳感器，氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃 3 度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關的信息轉換成電信號，從而 可以進行檢測 。目前，人們對氣敏傳感器的測試方法主要停留在用人工手動的方式來操作，開發(fā)出一種實用高效的智能化傳感器測試裝置是極為必要的。而 聲光 信號是信息的又一主要載體，如果在這些測量場合能用 聲光信號 直接報出結果，將給操作人員帶來極大方便，本文就介紹一種新型的氣敏傳感器測試系統(tǒng) ， 從組成框圖、 硬件設計以及程序流程及代碼等幾方面對其進行了 詳細的 介紹。 1 第 2 章 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的方案設計 2.1 天 燃氣報警系統(tǒng)的設計思路 天 燃氣報警系統(tǒng) 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，儀器的最基本組成部分應包括： 氣體 信號采集電路、模數轉換電路、單片機控制電路。 氣體 信號采集電路一般由 氣敏 傳感器和模擬放大電路組成，將 氣體 信號轉化為模擬的電信號。模數轉換電路將從 燃氣 檢測電路送出的模擬信號轉換成單片機可識別的數字信號后送入單片機。單片機對該數字信號進行處理，并對處理后的數據進行分析，是否大于或等于某 個預設值 (也就是報警限 )，如果大于則會自動啟動報警電路發(fā)出報警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報警裝置更加完善，可以在聲音報警基礎上，加入光閃報警，變化的光信號可以引起用戶注意，彌補嘈雜環(huán)境中聲音報警的局限。以上是根據報警器應具備的功能，提出的整體設計思路。 氣敏 傳感器及單片機是 燃氣泄漏報警器 的兩大核心，根據報警器功能的需要，選擇合適、精確、經 濟的氣敏傳感器及單片機芯片是至關重要的。 傳感器的選型在下一節(jié)介紹。單片機作為硬件電路的核心，它的選型將在第三章詳述。 2.2 氣體傳感器的選型 氣體傳感器屬于氣敏傳感器， 是氣 -電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量 (即濃度 )轉化成電壓或者電流信號，通過 A/D 轉換電路 ， 將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃 度 處理及報警控制等工作。氣體傳感器作為 燃氣泄漏報警器 的信號采集部分，是儀表的核心組成部分之一。由此可見，氣體傳感器的選型是非常重要的。 2.2.1 氣體傳感器介紹 1.氣體傳感器的分類 氣體傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： 2 (1)利用物理化學性質的氣體傳感器：如半導體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。 (2)利用物理性質的氣體傳感器：如 熱導氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。 (3)利用電化學性質的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢型氣體傳感器等。 2.氣體傳感器應滿足的基本條件 :一個氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的氣體傳感器都必須具備以下條件： (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或低響應； (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的氣體濃度； (3)對檢測信號響應速度快，重復性好； (4)長期工作穩(wěn)定性好； (5)使用壽命長； (6)制造成本低，使用與維護方便。 3.常見氣體傳感器簡介 （ 1） 半導體氣體傳感器 半導體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氣體傳感器，以及用單晶半導體器件制作的氣體傳感器。自 1962 年半導體金屬氧化物氣體傳感器問世以來，由于具有靈敏度高、響應快、輸出信號強、耐久性強、結構簡單、價格便宜等諸多優(yōu)點，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。按照敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。 （ 2） 固體電解 質氣體傳感器 固體電解質氣體傳感器使用固體電解質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生電阻，測量其形成電動勢從而測量氣體濃度。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，其產量僅次于半導體氣體傳感器的一類傳感器。但這種傳感器制造成本高，檢測氣體范圍有限，在檢測環(huán)境污染領域中有優(yōu)勢。 （ 3） 接觸燃燒式氣體傳感器 當易燃氣體接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時會發(fā)生氧化反應而燃燒，故得名接觸燃燒式傳感器。接觸燃燒式氣體傳感器的檢 測元件一般為鉑金屬絲 3 (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 C400C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。 （ 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。高分子氣敏材料在遇到特定氣體時，其電阻、介電常數、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。高分子氣敏材料由于具有易操作性、工藝簡單、常溫選擇性好、價格低廉、易 與微結構傳感器和聲表面波器件相結合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測中具有重要作用。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。 （ 5） 電化學傳感器 電化學傳感器由膜電極和電解液封裝而成。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。它的優(yōu)點是：反映速度快、準確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測，但壽命較短 (大約兩年 )。它主要適用于毒性氣體檢測。目前國際上絕大部分毒氣檢測采用該類型傳感器。 （ 6） 熱傳導傳感器 熱傳導傳感器與接觸 燃燒式傳感器具有類似的結構形式，但是測量原理不同。它的測量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標煙霧中，由于向目標氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標氣體熱傳導率的函數，而對于一種給定的氣體，熱傳導率是它固有的物理特性。 （ 7） 紅外傳感器 紅外傳感器通常用兩束紅外光進行氣體測量，主光束通過測量元件內的目標氣體，參考光束通過比較元件內的參考氣體。在測量和比較元件中，紅外射線被氣體有選擇地吸收了。未吸收的紅外光由光電探測器測量，產生一個正比于目標氣體濃度 的差分信號。非擴散式紅外探測器 NDIR (non-dispersive IR )是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴散和損耗被記錄下來。 不同的氣體吸收不同波長的 IR，所以傳感器根據目標氣體而調整，典型應用包括測量 CO和 CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃氣。由于非碳氫化合物易燃氣體 (如氫 )不吸收電磁譜中 4 IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并具有最小的交叉靈敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 4.常見氣體傳感器可檢測氣體種類 由于氣體的種類繁多，一種類型的氣體傳感器 不可能檢測所有的氣體，通常只能檢測某一種或兩種特定性質的氣體。例如氧化物半導體氣體傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H2、 C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質氣體傳感器主要用于檢測無機氣體，如 O2、 CO2、 H2、 Cl2、 SO2等。 簡要列舉出已經研究、開發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測的氣體種類 傳感器種類 CO CO2 H2S NH3 HCN HCl CO Cl2 CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O 半導體氣體傳感器 固體電解質傳感器 接觸燃燒式傳感器 電化學式傳感器 高分子電解質氣體傳感器 注：好 不太好 表 2.1 各種氣體傳感器可檢測的氣體種類 5 2.2.2 氣體傳感器的選定 天 燃氣泄漏報警器 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)生可燃氣體 泄漏的場所，根據報警器檢測氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導體氣敏 傳感 器。 使 用接觸燃燒式氣敏 傳感器，其探頭的阻緩及中毒 ,是不可避免的問題。阻緩是當在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。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導致該傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。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。當懷疑檢測 環(huán)境中存在這些物質時，經常對探頭進行標定，是必須且有效的辦法。 因此，經常對傳感器進行標定，是保證其準確性的必要的途徑。一般連續(xù)使用兩個月后應對傳感器進行量程校準，這種經常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導體氣敏 傳感器包括用氧化物半導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體器件制作的氣體傳感器，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。半導體氣敏 傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 經過對比上述兩種氣敏傳感器的應用特性，發(fā)現半導體氣敏 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象，維護成本較低等。因此，本設計采用半導體氣敏傳感器作為報警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣敏 傳感器中，本設計選用MQ-2型氣敏 傳感器，這種型號的傳感器 具備一般半導體氣敏 傳感器靈敏度高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點 。 6 2.3 天 燃氣泄露報警系統(tǒng)的整體設計方案 2.3.1 天 燃氣泄露報警器工作原理 本論文中的 燃氣泄漏 報警器 以 AT89C51 單片 機為 控制核 心，采用 MQ-2型電阻式半導體傳感器采集氣體信息。 首先， 氣體 傳感器送來的 氣體 濃度對應的電壓信號送入 AT89C51 單片機；然后，在 AT89C51 單片機內 A/D 轉換、 氣體 濃度比較，對數據進行 線性化處理，將數字化電壓信號轉化成為對應的十進制濃度值；最后， 判斷 氣體 濃度值是否超出報警限，當 氣體 濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會閃亮，當 氣體 濃度超出設定的限定值時，發(fā)出聲音報警并伴隨紅燈閃亮。另外由于 氣體 傳感器需要在加熱狀態(tài)下工作，溫度越高，反應越快，響應時間和恢復時間就越快。為提高響應時間，保證氣體 傳感器準確地、穩(wěn)定地工作，報警器需要向 氣體 傳感器持續(xù)輸出一個 5V 的電壓。為了保證其可靠性，在輸出 5V 的電壓的同時，進行故障監(jiān)測。 2.3.2 天 燃氣泄露報警器的結構 為適應家庭對可燃性易爆氣體安全性要求，設計的可燃性氣體報警儀應不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應具有顯示可燃氣體濃度、可接計算機進行現場遠測和實時控制等功能。其目標是在傳統(tǒng)的煙霧報警儀的基礎上，盡量提高準確性，降低成本，縮小體積。 天 燃氣泄露 報警器系統(tǒng)結構框圖如圖 2.2 所示，該系統(tǒng)以單片機為核心，配合外圍電路共同完成信號采集、聲音及閃 爍報警等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機，要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通用性強、功耗低，保證報警器的精確性及可靠性，而且最好體積小，成本低，有利于減少報警器的體積，降低報警器的成本 。 使用 AT89C51 單片機，選用 氣敏 傳感器作為敏感元件，利用 A/D 轉換器和聲光報警電路 ，開發(fā)了可用于 家庭或 小型單位 天 燃氣泄漏 報警器。 整個設計由 4大部分構成：氣敏 傳感器、 A/D 轉換電路、 AT89C51 單片機、聲光報警電路。 氣敏 傳感器是將現場氣體濃度 非電信號轉化為電信號；轉換電路 是將 完成將 氣體 傳感器輸出的模擬信號到數字信號的轉換。聲光報 警模塊由單片機和報警電路組成，由單片機控制實現不同的聲光報警功能。 7 圖 2.2 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)結構框圖 2.3.3 氣體檢測報警器的功能 聲光報警功能 當氣體濃度取值處在報警限值之上，蜂鳴器開始報警，且聲音越來越急促，并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏感，所以變化的聲音及燈光更容易引起用戶的注意。 氣敏 傳感器 A/D 轉換器 AT89C51 單片機 燈光報警 聲音報警 氣體 濃度 電源 時鐘 復位 8 第 3 章 天 燃氣泄漏報警系統(tǒng)的硬件部分設計 3.1 主控電路的設計 3.1.1 半導體 氣 敏 傳感器簡介 半導體氣敏 傳感器包括用氧化 物半導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體器件制作的氣體傳感器，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。半導體氣體傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 MQ-2/MQ-2S氣敏 傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫 (SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃性氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃性氣體濃度的增加而增大。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。 （ 1） 靈敏度特性： 圖 3.2 傳感器典型的靈敏度特性曲線 注：圖中縱坐標為傳感器的電阻比（ Rs/Ro），橫坐標為氣體濃度。 Rs 表示傳感器在 不同濃度氣體中的電阻值 Ro 表示傳感器在 1000ppm不同 氣 體 中的電阻值 圖 3.2 9 （ 2）溫 /濕度的影響 ： 圖 3.3 傳感器典型的溫度、濕度特性曲線 圖中縱坐標是傳感器的電阻比（ Rs/Ro）。 Rs表示在 含 1000ppm 甲 烷、不同溫 /濕度下 傳感器 的電阻值 Ro表示在含 1000ppm 甲 烷、 20 /65%RH環(huán)境條件 下 傳感器 的電阻值 （ 3）基本測 試回路： 圖 3.4 傳感器的基本測試電路 該傳感器需要施加 2個電壓：加熱器電壓（ VH）和測試電壓（ VC）。其中 VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。 VC則是用于測定與傳感器串聯的負載電阻（ RL）上的電壓（ VRL）。這種傳感器具有輕微的極性， VC需用直流電源。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。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當的 RL值。 0.50.70.91.11.31.51.71.9-20 -10 0 10 20 30 40 50 Rs/R060%RH30%RH85%RH圖 3.3 Vc VH GND RL VRL 10 （ 4） 規(guī)格： A.標準工作條件 B. 環(huán)境條件 C. 靈敏度特性 敏感體功耗（ Ps）值： Ps=Vc2 Rs/(Rs+RL)2 傳感器電阻（ Rs）值： Rs=(Vc/VRL-1) RL （ 5） 結構，外形 MQ-2/MQ-2S 氣敏元件的結構和外形如圖 3.4 所示 (結構 A 或 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。封裝好的氣敏元件有只針狀管腳，其中個用于信號取出，個用于提供加熱電流 。 符號 參數名稱 技術條件 備注 Vc 回路電壓 24V DC VH 加熱電壓 5.0V0. 2V ACorDC RL 負載電阻 可調 RH 加熱電阻 31 3 室溫 PH 加熱功耗 900mW 符號 參數名稱 技術條件 備注 Tao 使用溫度 -10 50 Tas 儲存溫度 -20 70 R 相對濕度 小于 95% R O2 氧氣濃度 21%(標準條件 ) 氧氣濃度會影響靈敏度特性 最小值大于 符號 參數名稱 技術參數 備注 Rs 敏感體表面電阻 2K -20K (2000ppm C3H8 ) 適用范圍： 5000-20000ppm 天然氣 (R3000ppm/ R1000ppm C3H8) 濃度斜率 0.6 標準工作條件 溫度： 20 2 Vc:5.0V0.1 V 相對濕度： 65%5% VH: 5.0V0.1 V 預熱時間 不少于 48小時 11 圖 3.5 MQ-2/MQ-2S 氣敏元件的結構和外形 MQ-2/MQ-2S氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器 。 3.1.2 單片機的選擇 單片機作為燃氣泄漏報警器的核心部件，一方面它要接收來自傳感器的氣體濃度的模擬信號和故障檢測信號，另一方面要對兩種信號分別進行處理，控制后續(xù)電路的相應工作；同時，查詢是否有鍵按下的命令。在單片機實現的功能中，部件 材料 1 氣體敏感層 二氧化錫 2 電極 金（ Au） 3 測量電極引線 鉑（ Pt） 4 加 熱器 鎳鉻合金（ Ni-Cr） 5 陶瓷管 三氧化二鋁 6 防爆網 100目雙層不銹鋼（ SUB316） 7 卡環(huán) 鍍鎳銅材（ Ni-Cu） 8 基座 膠木或尼龍 9 針狀 管腳 鍍鎳銅 材（ Ni-Cu） 圖 3.4 12 將模數轉換后的信號做數字濾波，再進行線性化處理，這一過程的軟件實現，需要單片機有較快的運算速度，使儀表監(jiān)測人員能夠觀測到并進行相應處理。同時，在能夠滿足報警器設計的計算速度及接口數的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。 AT89C51 是 Atmel 公司生產的 一種帶 4K字節(jié)閃存可編程可擦除 只讀存儲器（ FPEROMFlash Programmable and Erasable ReadOnly Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱 單片機 。 其中 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形如圖所示 ， 本設計用的 AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 8位數據總線， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口， 六個中斷源，兩層中斷優(yōu)先級，同時內含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數器 ,2 個全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 另外， AT89C51 是以靜態(tài)邏輯運行到零頻率的方式設計的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護模式。休眠模式停止 CPU 運行，但允許數據存儲器、定時 /計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運行。掉電模式保存數據存儲器的內容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復位為止。 AT89C51 其工作電壓范圍為 2.7 6V（實際使用 +5V供電） ，片內含 4k bytes的可反復擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 128Kbytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內置功能強大的微型計算機的 AT89C51提供了高性價比的解決方案。 13 3.1.3 AT89C51 單片機的基本結構 AT89C51 單片機的基本結構如圖所 示 圖 3.6 基本結構圖 由圖可見， 89C51 單片機主要由以下部分組成： （ 1） CPU 系統(tǒng) 8 位 CPU 和閃爍存儲器 ；時鐘電路；總線控制邏輯。 （ 2）存儲器系統(tǒng) 4KB 的程序存儲器（ ROM/EPROM/Flash）； 128KB 數據存儲器（ RAM）。 （ 3） I/O 口和其他動能單元 4個并行 I/O 口； 2 個 16 位定時 /計數器； ,2個全雙工串行通信口 ；中斷系統(tǒng)（ 5個中斷源） 14 3.1.4 AT89C51 單片機的引腳 1.引腳的分類 （ 1）主電源及時鐘引腳： VCC、 GND 等。 （ 2）編程電源： VPP。 （ 3）控制口線： PSEN（片外取指控制）、 ALE（地址鎖存控制）、 EA(片外存儲器選擇 )、 RST（復位控制）。 （ 4） I/O 控制： P0、 P1、 P2、 P3共四個 8 位口線， 2.引腳詳細說明 VCC： 供電電壓 ，接 +5V。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必 須被拉高。 15 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當 用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉緣故。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保 持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的 輸入。 16 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性 : XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 3.1.5 AT89C51 單片機的時鐘電路 采用內部時鐘方式利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳 XTALl 和 XTAL2 兩端跨接晶體振蕩器（簡稱晶振），就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出 的脈沖直接送入內部時鐘電路。外接晶振時， Cl和 C2的值通常選擇為 30pF 左右； Cl、 C2對頻率有微調作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 1.2MHz 12MHz 之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝得與單片機引腳 XTALl 和 XTAL2 靠近。 圖 3.7 單片機的時鐘電路圖 17 3.1.6 AT89C51 單片機的復位電路 在整個燃氣報警系統(tǒng)中，要進行實驗，必須對整個系統(tǒng)先復位。 復位是單片機的初始化操作。單片機系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復位。其作用是使CPU 和系 統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進行復位的，必須配合相應的外部復位電路才能實現。 單片機的外部復位電路有上電復位和上電和按鍵均有效的復位兩種。 我們在設計單片機復位時，選用上電復位。 上電復位利用電容器的充電實現。圖 3.8是 AT89C51單片機的上電復位電路。圖中給出了復位電路參數。 上電要求接通電源后，單片機實現自動復位操作。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。 RST 引腳的高電平只要能 保持足夠的時間（ 2個機器周期），單片機就可以進行復位操作。該電路典型的電容參數為：晶振為 12MHZ，電容值為 1uF。 18 圖 3.8 單片機復位電路圖 19 3.2 外圍接口電路的設計 3.2.1 ADC0808 轉換器的介紹 ADC0808是采樣分辨率為 8 位的、以逐次逼近原理進行模 數轉換的器件。其內部有一個 8 通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通 8路模擬輸入信號中的一個進行 A/D 轉換 。 （ 1） 主要特性 ： 1、 8路輸入通道， 8位 A D轉換器，即分辨率為 8位。 2、 具有轉換起?？刂贫?。 3、 轉換時間為 100s 4、 單個 5V電源供電 5、 模擬輸入電壓范圍 0 5V，不需零點和滿刻度校準。 6、 工作溫度范圍為 -40 85