摘要隨著城鎮(zhèn)化的腳步加快，越來越多的家庭開始使用煤氣作為常用燃料已經(jīng)進(jìn)入各家各戶，但是在日常生活中，因煤氣使用不當(dāng)造成的火災(zāi)、爆炸事故，經(jīng)常發(fā)生。更有嚴(yán)重者，因室內(nèi)煤氣濃度過高，又沒有采取及時(shí)的急救措施而引起中毒的事故也不少見。怎樣防止煤氣泄露，設(shè)計(jì)出合理有效的燃?xì)鈭?bào)警控制系統(tǒng)，保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全已成為人們迫切關(guān)心的問題。本論文以半導(dǎo)體氣敏傳感器和單片機(jī)技術(shù)為核心設(shè)計(jì)的氣體報(bào)警器可實(shí)現(xiàn)濃度監(jiān)測(cè)、聲光報(bào)警、并可以自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)忾y功能，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、智能化的氣體報(bào)警器，具有一定的實(shí)用價(jià)值。我選用MQ-7傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。氣體信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)AT89C51單片機(jī)處理送往數(shù)碼管顯示，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷是否大于某個(gè)預(yù)設(shè)值，如果大于則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，再者大于最高預(yù)設(shè)值，燃?xì)忾y將會(huì)進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉，反之則為正常狀態(tài)。關(guān)鍵詞：燃?xì)釳Q-7報(bào)警器燃?xì)忾y單片機(jī)第一章緒論1.1燃?xì)庑孤﹫?bào)警的概述燃?xì)庑孤﹫?bào)警器是非常重要的燃?xì)獍踩O(shè)備，由氣敏傳感器、單片機(jī)和報(bào)警器組成。它是安全使用城市燃?xì)獾淖詈笠坏辣Ｗo(hù)。燃?xì)庑孤﹫?bào)警器通過氣敏傳感器探測(cè)周圍環(huán)境中的低濃度可燃?xì)怏w，通過采樣電路，將探測(cè)信號(hào)用模擬量或數(shù)字量傳遞給控制器或控制電路，當(dāng)氣體濃度超過控制器或控制電路中設(shè)定值時(shí)，控制器通過執(zhí)行器或執(zhí)行電路發(fā)出聲音報(bào)警信號(hào)和燈光報(bào)警信號(hào)。氣體報(bào)警器的探測(cè)氣敏傳感器主要半導(dǎo)體型、接觸燃燒式、電化學(xué)氣敏傳感器，還有少量的其他類型。這些傳感器都是通過對(duì)周圍環(huán)境中的可燃?xì)怏w的吸附，在傳感器表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)，造成傳感器的電物理特性的改變，經(jīng)單片機(jī)處理后報(bào)警。1.2燃?xì)庑孤﹫?bào)警的現(xiàn)狀燃?xì)鈾z測(cè)報(bào)警產(chǎn)品是一個(gè)系列產(chǎn)品，包括氣體探測(cè)設(shè)備、信息傳輸設(shè)備、報(bào)警分析控制器，是物理傳感技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸和管理、智能樓宇等技術(shù)的綜合集成，屬于高新技術(shù)。依托中國(guó)多年的基本建設(shè)的發(fā)展，這個(gè)行業(yè)也得到發(fā)展，具備了和國(guó)外知名企業(yè)抗衡的能力。在目前中國(guó)許多冠名以高新技術(shù)的行業(yè)中，中國(guó)企業(yè)大多做的是下游的制造和服務(wù)，分取極少一部分的利潤(rùn)，像安防報(bào)警產(chǎn)品那樣又擁有自我知識(shí)產(chǎn)權(quán)，又擁有大量市場(chǎng)的行業(yè)其實(shí)是很少的。在安防報(bào)警產(chǎn)品的技術(shù)含量上，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品和國(guó)外產(chǎn)品差距不是很大，許多指標(biāo)已經(jīng)超越，存在的問題是：類似于國(guó)外安防報(bào)警產(chǎn)品的大批量規(guī)模化的生產(chǎn)才剛起步，有待于積累經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，也因此在產(chǎn)品一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性上有一些差距；國(guó)內(nèi)正在形成權(quán)重的大型企業(yè)和集團(tuán)，這樣可以帶領(lǐng)國(guó)內(nèi)的各家企業(yè)去沖擊海外市場(chǎng)，并最終占領(lǐng)海外的安防報(bào)警市場(chǎng)。1.3燃?xì)庑孤﹫?bào)警的發(fā)展趨勢(shì)二十多年前，我國(guó)的安防報(bào)警產(chǎn)品剛剛起步，無論產(chǎn)品技術(shù)含量、產(chǎn)品系列完整性、使用性，還是社會(huì)影響程度都是相當(dāng)?shù)偷摹?guó)外的產(chǎn)品和品牌卻占領(lǐng)我們的大部分市場(chǎng)。由于中國(guó)的建設(shè)正在面臨飛速發(fā)展，我們應(yīng)該抓住廣闊的市場(chǎng)空間，慶幸的是中國(guó)企業(yè)抓住了這次機(jī)遇，頂住了挑戰(zhàn)，先是一批國(guó)家的科研院所，后是一批國(guó)營(yíng)企業(yè)、民營(yíng)企業(yè)，業(yè)內(nèi)也吸引和凝聚一大批國(guó)內(nèi)的技術(shù)和管理精英，花了多年時(shí)間，通過幾次產(chǎn)品更新?lián)Q代，就使自己的產(chǎn)品緊緊跟上了國(guó)際水平，并且奪回了大部分國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，使得現(xiàn)在大多國(guó)外產(chǎn)品只有招架之勢(shì)，這是典型的自力更生，走自己的路。當(dāng)然目前而言，我們基本占據(jù)的是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，對(duì)外還剛剛啟動(dòng)。但是，中國(guó)企業(yè)已經(jīng)做好準(zhǔn)備進(jìn)軍海外市場(chǎng)。1.4燃?xì)庑孤﹫?bào)警研究意義與目的面對(duì)燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，我們需要一個(gè)解決辦法。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。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)庵卸臼录母矗绮捎萌細(xì)庑孤﹫?bào)警器就能得到及時(shí)的警示。有關(guān)部門經(jīng)長(zhǎng)期測(cè)試得出結(jié)論，燃?xì)鈭?bào)警器防止煤氣泄漏事故發(fā)生的有效率達(dá)95%以上。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。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。單片機(jī)在日用電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，燃?xì)庑孤﹦t是人們?nèi)粘Ｉ钪谐３Ｐ枰獪y(cè)量和控制的一個(gè)問題。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。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。所以怎樣防止燃?xì)庵卸九c爆炸已成為人們的迫切需要[1]。1.5設(shè)計(jì)任務(wù)本文設(shè)計(jì)了一種靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾性好、使用方便、價(jià)格便宜的煤氣檢測(cè)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度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而可以進(jìn)行檢測(cè)。目前，人們對(duì)氣敏傳感器的測(cè)試方法主要停留在用人工手動(dòng)的方式來操作，開發(fā)出一種實(shí)用高效的智能化傳感器測(cè)試裝置是極為必要的。而聲光信號(hào)是信息的又一主要載體，如果在這些測(cè)量場(chǎng)合能用聲光信號(hào)直接報(bào)出結(jié)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(cè)試系統(tǒng)，從組成框圖、硬件設(shè)計(jì)以及程序流程及代碼等幾方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。第二章燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)2.1燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)是能夠檢測(cè)環(huán)境中的可燃性氣體濃度，并具有報(bào)警功能的儀器，儀器的最基本組成部分應(yīng)包括：氣體信號(hào)采集電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路。氣體信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為模擬的電信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將從燃?xì)鈾z測(cè)電路送出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是報(bào)警限)，如果大于則會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警聲音，反之則為正常狀態(tài)。為使報(bào)警裝置更加完善，可以在聲音報(bào)警基礎(chǔ)上，加入光報(bào)警，紅光信號(hào)可以引起用戶注意，彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限。以上是根據(jù)報(bào)警器應(yīng)具備的功能，提出的整體設(shè)計(jì)思路。氣敏傳感器及單片機(jī)是燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的兩大核心，根據(jù)報(bào)警器功能的需要，選擇合適、精確、經(jīng)濟(jì)的氣敏傳感器及單片機(jī)芯片是至關(guān)重要的。傳感器的選型在下一節(jié)介紹。單片機(jī)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(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過A/D轉(zhuǎn)換電路，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。氣體傳感器作為燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的信號(hào)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(cè)原理上可以分為三大類：(1)利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。(2)利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導(dǎo)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(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢(shì)型氣體傳感器等。2、氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件:一個(gè)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(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個(gè)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(cè)某種單一氣體，而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)；（2）對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的氣體濃度；（3）對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；（4）長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好；（5）使用壽命長(zhǎng)；（6）制造成本低，使用與維護(hù)方便。3、常見氣體傳感器簡(jiǎn)介（1）半導(dǎo)體氣體傳感器半導(dǎo)體氣體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氣體傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器。自1962年半導(dǎo)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(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)，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。按照敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。（2）固體電解質(zhì)氣體傳感器固體電解質(zhì)氣體傳感器使用固體電解質(zhì)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(shí)產(chǎn)生電阻，測(cè)量其形成電動(dòng)勢(shì)從而測(cè)量氣體濃度。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，其產(chǎn)量?jī)H次于半導(dǎo)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(cè)氣體范圍有限，在檢測(cè)環(huán)境污染領(lǐng)域中有優(yōu)勢(shì)。（3）接觸燃燒式氣體傳感器當(dāng)易燃?xì)怏w接觸這種被催化物覆蓋的傳感器表面時(shí)會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)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(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)將鉑絲通電，保持300°C~400°C的高溫，此時(shí)若與氣體接觸，氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升,通過測(cè)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(shí)，其電阻、介電常數(shù)、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(jiǎn)單、常溫選擇性好、價(jià)格低廉、易與微結(jié)構(gòu)傳感器和聲表面波器件相結(jié)合，在毒性氣體和食品鮮度等方面的檢測(cè)中具有重要作用。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。（5）電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器由膜電極和電解液封裝而成。氣體濃度信號(hào)將電解液分解成陰陽帶電離子，通過電極將信號(hào)傳出。它的優(yōu)點(diǎn)是：反映速度快、準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好、能夠定量檢測(cè)，但壽命較短(大約兩年)。它主要適用于毒性氣體檢測(cè)。目前國(guó)際上絕大部分毒氣檢測(cè)采用該類型傳感器。（6）熱傳導(dǎo)傳感器熱傳導(dǎo)傳感器與接觸燃燒式傳感器具有類似的結(jié)構(gòu)形式，但是測(cè)量原理不同。它的測(cè)量原理是：將加熱后的鉑電阻線圈置于目標(biāo)煙霧中，由于向目標(biāo)氣體傳送熱量造成溫度降低，引起電阻值變化，傳感器即測(cè)量電阻值的變化情況。溫度的變化情況是目標(biāo)氣體熱傳導(dǎo)率的函數(shù)，而對(duì)于一種給定的氣體，熱傳導(dǎo)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(jìn)行氣體測(cè)量，主光束通過測(cè)量元件內(nèi)的目標(biāo)氣體，參考光束通過比較元件內(nèi)的參考?xì)怏w。在測(cè)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(cè)器測(cè)量，產(chǎn)生一個(gè)正比于目標(biāo)氣體濃度的差分信號(hào)。非擴(kuò)散式紅外探測(cè)器NDIR(non-dispersiveIR)是其中的一種，所有的未吸收光全部以最小的擴(kuò)散和損耗被記錄下來。不同的氣體吸收不同波長(zhǎng)的IR，所以傳感器根據(jù)目標(biāo)氣體而調(diào)整，典型應(yīng)用包括測(cè)量CO和CO2、冷凍劑煙霧和一些易燃?xì)狻Ｓ捎诜翘細(xì)浠衔镆兹細(xì)怏w(如氫)不吸收電磁譜中IR部分的能量，所以這種傳感器可以精確地測(cè)量碳?xì)浠衔铮⒕哂凶钚〉慕徊骒`敏度，而且不受其它氣體的腐蝕以及高濃度目標(biāo)煙霧的影響。4.常見氣體傳感器可檢測(cè)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(cè)所有的氣體，通常只能檢測(cè)某一種或兩種特定性質(zhì)的氣體。例如氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器主要檢測(cè)各種還原性煙霧，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固體電解質(zhì)氣體傳感器主要用于檢測(cè)無機(jī)氣體，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。簡(jiǎn)要列舉出已經(jīng)研究、開發(fā)的各類氣體傳感器及其可檢測(cè)的氣體種類表2.1各種氣體傳感器可檢測(cè)的氣體種類傳感器種類COCO2H2SNH3HCNHClCOCI2NOXSO2O2CH4C3H2H2H2OCl2半導(dǎo)體氣體傳感器○○○○○○○○○○○固體電解質(zhì)傳感器○○○○○接觸燃燒式傳感器◎○○○電化學(xué)式傳感器○○○○○○○○高分子電解質(zhì)氣體傳感器◎○○○○注：○好◎不太好2.2.2氣體傳感器的選定燃?xì)庑孤﹫?bào)警器主要應(yīng)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?xì)怏w泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)氣體種類的要求，一般選用接觸燃燒式氣敏傳感器和半導(dǎo)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(dāng)在氣體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。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(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致該傳感器最終喪失檢測(cè)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(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。當(dāng)懷疑檢測(cè)環(huán)境中存在這些物質(zhì)時(shí)，經(jīng)常對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。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。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體氣敏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氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，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。半導(dǎo)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(jīng)過對(duì)比上述兩種氣敏傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體氣敏傳感器的優(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。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報(bào)警器氣體信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣敏傳感器中，本設(shè)計(jì)選用MQ-7型氣敏傳感器，這種型號(hào)的傳感器具備一般半導(dǎo)體氣敏傳感器靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。2.3燃?xì)庑孤秷?bào)警系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案2.3.1燃?xì)庑孤秷?bào)警器工作原理本論文中的燃?xì)庑孤﹫?bào)警器以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用MQ-7型電阻式半導(dǎo)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(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)送入AT89C51單片機(jī)；然后，在AT89C51單片機(jī)進(jìn)行氣體濃度比較，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將數(shù)字化電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成為對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制濃度值；最后，判斷氣體濃度值是否超出報(bào)警限，當(dāng)氣體濃度處于正常狀態(tài)紅燈不會(huì)點(diǎn)亮，當(dāng)氣體濃度超出設(shè)定的限定值時(shí)，發(fā)出聲音報(bào)警并伴隨紅燈點(diǎn)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(yīng)越快，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間就越快。為提高響應(yīng)時(shí)間，保證氣體傳感器準(zhǔn)確地、穩(wěn)定地工作，報(bào)警器需要向氣體傳感器持續(xù)輸出一個(gè)5V的電壓。為了保證其可靠性，在輸出5V的電壓的同時(shí)，進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)[2]。2.3.2燃?xì)庑孤秷?bào)警器的結(jié)構(gòu)為適應(yīng)家庭對(duì)可燃性易爆氣體安全性要求，設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警儀應(yīng)不僅能在較寬的溫度范圍工作，而且應(yīng)具有顯示可燃?xì)怏w濃度、可接計(jì)算機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)測(cè)和實(shí)時(shí)控制等功能。其目標(biāo)是在傳統(tǒng)的煙霧報(bào)警儀的基礎(chǔ)上，盡量提高準(zhǔn)確性，降低成本，縮小體積。燃?xì)庑孤秷?bào)警器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示，該系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，配合外圍電路共同完成信號(hào)采集、聲音及燈光報(bào)警等功能。系統(tǒng)采用高性能的單片機(jī)，要求工作穩(wěn)定、測(cè)量精度高、通用性強(qiáng)、功耗低，保證報(bào)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(bào)警器的體積，降低報(bào)警器的成本[3]。使用AT89C51單片機(jī)，選用氣敏傳感器作為敏感元件，利用A/D轉(zhuǎn)換器和聲光報(bào)警電路，開發(fā)了可用于家庭或小型單位燃?xì)庑孤﹫?bào)警器。整個(gè)設(shè)計(jì)由5大部分構(gòu)成：氣敏傳感器、A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C51單片機(jī)、濃度顯示、聲光報(bào)警電路。氣敏傳感器是將現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度非電信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；轉(zhuǎn)換電路是將完成將氣體傳感器輸出的模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換并將氣體濃度顯示在數(shù)碼管上。聲光報(bào)警模塊由單片機(jī)和報(bào)警電路組成，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)不同的聲光報(bào)警功能。氣體濃度電源AT89C51單片機(jī)電源指示時(shí)鐘濃度顯示氣敏傳感器A/D轉(zhuǎn)換器聲音報(bào)警復(fù)位燈光報(bào)警圖2.2燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3.3氣體檢測(cè)報(bào)警器的功能聲光報(bào)警功能當(dāng)氣體濃度取值處在報(bào)警限值之上，蜂鳴器開始報(bào)警，并且伴隨紅燈點(diǎn)亮。因?yàn)槿藢?duì)聲音和紅光信號(hào)更為敏感，所以報(bào)警音及燈光更容易引起用戶的注意。第三章燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)3.1主控電路的設(shè)計(jì)3.1.1半導(dǎo)體氣敏傳感器簡(jiǎn)介半導(dǎo)體氣敏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氣體傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣體傳感器，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。半導(dǎo)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-7氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環(huán)檢測(cè)方式低溫（1.5V加熱）檢測(cè)一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[4]。（1）靈敏度特性：圖3.1圖3.1H2圖3.1傳感器典型的靈敏度特性曲線注：圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/Ro），橫坐標(biāo)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（2）溫/濕度的影響：圖3.2圖3.2傳感器典型的溫度、濕度特性曲線圖3.2注：圖中縱坐標(biāo)是傳感器的電阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm一氧化碳、不同溫/濕度下傳感器的電阻值Ro表示在含1000ppm一氧化碳、20℃/65%RH環(huán)境條件下傳感器的電阻值（3）基本測(cè)試回路：VcVcVHGNDRLVRL圖3.3傳感器的基本測(cè)試電路注：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）。其中VH用于為傳感器提供特定的工作溫度。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）。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(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。（4）技術(shù)指標(biāo)：產(chǎn)品型號(hào)MQ-7產(chǎn)品類型半導(dǎo)體氣敏元件標(biāo)準(zhǔn)封裝塑封檢測(cè)氣體一氧化碳檢測(cè)濃度10-1000ppmCO標(biāo)準(zhǔn)電路條件回路電壓Vc≤10VDC加熱電壓VH5.0V±0.2VACorDC（高）1.5V±0.1VACorDC（低）加熱時(shí)間TL60±1S（高）90±1S（低）負(fù)載電阻RL可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下元件特性加熱電阻RH31Ω±3Ω（室溫）加熱功耗PH≤350mW敏感體表面電阻Rs2KΩ-20KΩ(in100ppmCO)靈敏度SRs(inair)/Rs(100ppmCO)≥5濃度斜率α≤0.6(R300ppm/R100ppmCO)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件溫度、濕度20℃±2℃；65%±5%RH標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路Vc:5.0V±0.1V；VH（高）:5.0V±0.1V；VH（低）:1.5V±0.1V預(yù)熱時(shí)間不少于48小時(shí)敏感體功耗（Ps）值可用計(jì)算下式：Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2傳感器電阻（Rs），可用下式計(jì)算：Rs=(Vc/VRL-1)×RL（5）結(jié)構(gòu)，外形部件材料1氣體感應(yīng)區(qū)二氧化錫（SnO2）2電極金（Au）3測(cè)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過濾層活性炭顆粒7卡環(huán)鍍鎳銅材（Ni-Cu）8基座塑料或尼龍9針狀管腳鍍鎳銅材（Ni-Cu）圖3.4MQ-7氣敏元件的結(jié)構(gòu)和外形MQ-7氣敏元件的內(nèi)部構(gòu)造如圖3.4所示,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)，為了改善傳感器的選擇性，傳感器氣室用活性炭過濾層與外界隔開。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６只針狀管腳，其中４個(gè)用于信號(hào)取出，2個(gè)用于提供加熱電流。3.1.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)作為燃?xì)庑孤﹫?bào)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(hào)和故障檢測(cè)信號(hào)，另一方面要對(duì)兩種信號(hào)分別進(jìn)行處理，控制后續(xù)電路的相應(yīng)工作。在單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能中，將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)做數(shù)字濾波，再進(jìn)行線性化處理，這一過程的軟件實(shí)現(xiàn)，需要單片機(jī)有較快的運(yùn)算速度，使儀表監(jiān)測(cè)人員能夠觀測(cè)到并進(jìn)行相應(yīng)處理。同時(shí)，在能夠滿足報(bào)警器設(shè)計(jì)的計(jì)算速度及接口數(shù)的要求的同類型單片機(jī)中，要考慮選擇價(jià)格低廉且體積輕巧的機(jī)型，在保證了報(bào)警器的精確性、可靠性及抗干擾性的基礎(chǔ)上，能夠不提高成本，縮小體積。本設(shè)計(jì)用的AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，8位數(shù)據(jù)總線，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，六個(gè)中斷源，兩層中斷優(yōu)先級(jí)，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。另外，AT89C51是以靜態(tài)邏輯運(yùn)行到零頻率的方式設(shè)計(jì)的，并且支持兩種可利用軟件選擇的掉電保護(hù)模式。休眠模式停止CPU運(yùn)行，但允許數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行。掉電模式保存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)容，但停止了晶振，是其他所有芯片停止工作直到下一次復(fù)位為止。AT89C51其工作電壓范圍為2.7～6V（實(shí)際使用+5V供電），片內(nèi)含4kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案。第四章燃?xì)庑孤﹫?bào)警系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化程序開始采集傳感器電壓處理傳感器電壓判斷然氣濃度是否超標(biāo)發(fā)出聲光報(bào)警數(shù)碼管濃度顯示圖4.1主程序流程圖參考文獻(xiàn)[1]周元汗,葉長(zhǎng)基.燃?xì)庑孤﹫?bào)警器的運(yùn)用研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008,20:139-140[2]賀一丁,唐靜妍.智能家用燃?xì)庑孤﹫?bào)警器[J].硅谷,2010,22:58-59.[3]李繼東,陳云,袁晨光.簡(jiǎn)易危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].艦船電子工程,2009,12:206-209.[4]朱越.低成本可燃性氣體泄漏報(bào)警器[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010,06:56-57+61.[5]李校紅.基于AT89C2051單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化智能燃?xì)庑孤z測(cè)報(bào)警器的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試,2014,11:55-57.[6]劉良福,羅艷梅,黃隆勝.基于AT89C51的燃?xì)庑孤﹫?bào)警與應(yīng)急處理器[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,16:122-124.[7]宋留斌,王丹飛.基于AT89C51單片機(jī)在燃?xì)鈭?bào)警中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].價(jià)值工程,2014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