家用燃氣報警器畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 測量，主光束通過測量兀件內的目標 氣體，參考光束通過比較兀件內的參考氣體。在測量和比較兀件中，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，產生一個正比十目標氣體濃度的差分信號。非擴散式紅外探測器 NDIR(nondispersive 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，冷凍劑厭惡和一些易燃氣，由于非碳氫化合物易燃氣體（如氫）不吸收電磁普中 IR部分能量，所以這種傳感器可以精確地測量碳氫化合物，并且有最小 的交叉靈敏度，而且不受其他氣體的腐蝕以及高濃度目標煙霧的影響。 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，通常只能檢測一種或者兩種特定性質的氣體。例如氧化物半導體氣敏傳感器主要檢測各種還原性煙霧，如 CO、 H C2H5OH、 CH3OH 等。固體電解質氣體傳感器主要用于檢測無機氣體，如 O CO H Cl SO2等。 簡要例舉出已經研究、開發的各類氣體傳感器及其可檢測的氣體種類 表 21 各種氣體傳感器可檢測的氣體種類 傳感器的種類 ＣＯ CO2 H2s NH3 HCN HCl CO Cl2 Cl2 NOx SO2 O2 CH4 C2H2 H2 H2O 半導體氣體傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 固體電解質傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ . . 催化燃燒式傳感器 ◎ ○ ○ ○ 電化學傳感器 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 高分子電解質氣體傳感器 ◎ ○ ○ ○ ○ 氣體傳感器 的主要參數和特性 ①靈敏度 靈敏度是氣敏傳感器的一個重要參數，用 K 表示，它標志著氣敏元件對氣體的靈敏程度。用 K表示，用其阻值變化量△ R與氣體濃度變化量△ P之比表示。 ②響應時間 氣敏傳感器的響應時間是指在工作溫度下氣敏元件對被測氣體的響應速度。從氣敏元件與被測氣體接觸，到氣敏元件的阻值達到新的恒定值所需要的響應時間。 ③選擇性 氣敏傳感器在相同條件下，接觸同一濃度、不同種類氣體是，區分氣體種類的能力成為選擇性，傳感器催某種氣體的選擇性好，就表示傳感器對它有較高的的靈敏度。 ④穩定性 當檢測的氣體濃度不變時， 氣敏元件的輸出也應保持不變，單實際情況會受其他條件變化的影響而發生變化，這種在其他條件發生變化時氣敏元件輸出特性保持不變的能力稱為穩定性。 ⑤溫度特性 氣敏元件的特性歲溫度變化兒發生變化的特性稱為溫度特性。元件自身溫度對靈敏度的影響相當大，解決這個問題的措施之一就是用溫度補償法。 . . ⑥濕度特性 氣敏元件的特性歲環境濕度不同而發生變化的特性稱為濕度特性。 ⑦電壓特性 氣敏元件的靈敏度隨電壓變化的特性稱為電源電壓特性。 氣體傳感器的選定 根據傳感器的主要參數和特性指標以及結合本設計所要求的檢測濃度范圍， 選MC101 作為本設計的傳感器 MC101 介紹 簡介 MC101 型催化元件根據催化燃燒效應的原理工作，由檢測元件和補償元件配對組成電橋的兩個臂，遇可燃性氣體時檢測元件電阻升高，橋路輸出電壓變化，該電壓變化隨氣體濃度增大而正比例增大，補償元件起到參比及溫度補償作用。 特點 橋路輸出電壓呈線性 響應速度快 具有良好的重復性、選擇性 元件工作穩定、可靠 優異的抗 H2S，有機硅中毒能力 表 22 MC101技術指標 產品型號 MC101 產品類型 載體催化氣敏元件 標準封裝 塑料封裝 工作電壓（ V） 177。 工作電流（ mA） 110177。 10 靈敏度 （ mV） 1%甲烷 25~50 1%丁烷 30~50 1%氫氣 25~45 線形度（ %） 5 測量范圍（ %） 0~100 響應時間（ 90%） 10s 恢復時間（ 90%） 30s 使用環境 40~+70℃低于 95%RH 保存環境 20~+70℃低于 95%RH 外形尺寸（ mm） 12mm*8mm . . 靈敏度、響應恢復特性 圖 21 靈敏度特性圖 圖 22響應恢復 特性圖 輸出信號隨環境溫度的變化 圖 23 輸出信號隨環境溫度的變化圖 . . 圖 24 輸出信號隨環境溫度的變化圖 輸出信號隨工作電壓的變化 圖 25 輸出信號隨工作電壓的變化圖 圖 26 輸出信號隨工作電壓的變化圖 基本測試電路 圖 27 傳感器基本測試電路圖 . . 第三章 家用燃氣泄露報警裝置的硬件部分設計 系統硬件電路總體設計 系統的工作原理是利用燃氣傳感器將可燃氣濃度變換為 mV 級模擬電流信號，放大器把信號放大后，通過 A/D 轉換器，變換成數字 量送入單片機進行數據分析。對其進行分別處理。 MC101催化燃燒式 氣體傳感器 主要是對 CH4氣體濃度進行精密的單項檢測。 空氣中的氣體濃度信號同時進入單片機，單片機對其進行分析，并輸出信號到顯示器，當檢測信號達到限定的預設值時，單片機將輸出信號驅動報警，驅動蜂鳴器發出聲響，報警 LED發光。 燃氣泄漏報警系統結構框圖如圖所示，該系統傳感器和單片機是兩大核心，他們共同配合完成氣體信號采集、顯示、生意及閃爍報警功能，系統采用高性能的單片機，要求工作穩定、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，成本 低，有利于減少報警器的體積。 使用 AT89C51單片機，選用催化式氣敏元件 MC101 作為敏感元件，通過 A/D 轉換器和聲光報警電路，設計可用于家用燃氣泄漏報警器， 儀器的最基本組成部分包括：氣體傳感器，模數轉化電路， AT89C51 單片機 ，聲光報警電路。 傳感器將氣體濃度信號轉化為模擬的電信號。經過放大電路，將傳感器的輸出端微弱信號轉化為 A/D 轉化器能識別的電壓信號范圍，單片機對該數字信號進行數字處理，并對處理后的數據進行分析，通過與預設值的比較，由單片機實現不同的聲光報警功能。 家用燃氣報警器的功能 聲光報警功能 當傳感器檢測的氣體濃度達到預設值時，蜂鳴器開始報警，聲音≥ 70dB 并隨著濃度的增加報警音量逐漸加大，同時伴隨紅燈閃爍，通過有明顯變化的信號引起人們的警覺意識。 標準工作條件 單片機的選擇 . . 圖 31燃氣報警系統結構框圖 單片機作為燃氣泄漏報警的核心器件，一方面他要接受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，將模數轉換后的信號做數字濾波，在進行線性化處理，這一過程的軟件實現，需要單片機有較快的運算速度，使儀表檢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。 單片機 AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產的低電壓、高性能CMOS8 位單片機，片內含 4KB 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128B 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 MSC51 指令系統，片內置通用 8 位（ CPU 和 Flash 存儲單元）功能強大。 的主要性能參數如下 ： 氣體傳感器 放大器 A/D轉換器 AT89C51單片機 電源 聲音報警 燈光報警 . . （ 1）與 MSC51 產品指令系統完全兼容。 （ 2） 4KB 可重復擦寫 Flash 閃速存儲器。 （ 3） 1000 次擦寫周期。 （ 4）三級加密程序存儲器。 （ 5） 128 8B 內部 RAM。 （ 6） 32 個可編程 I/O 口線。 （ 7） 2 個 16 位定時 /計數器。 （ 8） 6 個中斷源。 （ 9）可編程串行 UART 通道。 （ 10）低功耗空閑和掉電模式。 （ 11）全靜態操縱： AT89C51 為 0Hz~24MHz。 （ 12） AT89C51 的工作電源電壓為 5V。 引腳功能說明 P0口： P0 口是一組 8位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節，而在程序校驗 時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1口： P1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做輸入口，做輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 Flash 編程和程序校驗期間， P1口接收低 8位地址。 P2口： P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過 內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可做輸入口，做輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 在訪問外部程序存儲器或 16 為地址的外部數據存儲器（例如執行 MOVX@DPTR 指令）時， P2口送出高 8位地址數據。在訪問 8位地址的外部數據存儲器（如執行 MOVX@RI. . 指令）時， P2 口線上的內容（也即特殊功能寄存器（ SFR）區中 R2）寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時， P2 亦接受高位地址和其他控制信號。 P3口 ： P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙 向 I/O 口。 P3 口的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，他們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。做輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。 控制信號線 RST：復位輸入。當振蕩器工作室， RST 引腳出現兩個機器周期以上的高電平將使單片機復位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8位字節。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以始終振蕩頻率 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時 目的。更注意的是：每當訪問外部數據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）。 PSEN： 程序存儲允許（ PSEN）輸出時外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 PSEN 信號不出現。 EA/VPP： 外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H~FFFFH），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，復位時內部會鎖存 EA端狀態。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 時鐘和復位電路 采用內部時鐘方式利用芯片內部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL2 兩端跨接晶振，就構成了自激振蕩器，發出的脈沖直接送入內部時鐘電路。外接晶振時， C1和 C2 的值通常選擇 30pF 左右； C C2 對頻率有微調作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ~12MHz 之間選擇。本設計選擇了 6MHz，電容為 1uF，為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩 定、可靠地工作，振蕩器和電容應盡可能安裝的與單片機引腳 XTAL1 和 XTAL2 靠近。 復位電路的基本功能是：系統上電時提供復位信號，直至系統電源穩定后，撤銷. . 復位信號。為可靠起見，電源穩定后還要經一定的延時才撤銷復位信號，