气敏传感器信号采集系统设计开题报告.doc

中北大学信息商务学院毕业设计开题报告学 生 姓 名：何强学号12050542X12系 别：自动控制系专 业：自动化设计题目：气敏传感器信号采集系统设计指导教师:岳凤英 2016年3月30日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述一、课题背景随着工业化的发展，我们的生活及环境的污染迅速增加，环境中存在着各种有毒有害、易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的废气、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响我们的生存。此外，我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。这些气体在带给人们能源、生产生活提供方便的同时，它们本身是有毒、易燃的化学物品，给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患1。一方面人类对各种有毒有害气体的承受能力是有限的，另一方面易燃易爆气体超过一定浓度，就可能引起火灾或爆炸，造成人身伤亡和财产损失。但是人的感官缺乏对各种有害气体的感知，特别是对有害气体浓度定量的判断能力，因而研制能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器系统就变得尤为必要2。传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用3。再者，计算机的普及和信息技术的迅猛发展，智能化被引入家庭，并迅速在世界各地发展起来。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，其设计出的产品体积小、成本低、运用灵活、易于产品化、抗干扰能力强、适应范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠工作4。基于此，本设计拟设计一种便携式的气敏传感器的信号采集系统，用于监测空气中天燃气气体的浓度，并且能将气体的浓度显示在液晶上，当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时，发出报警信号，从而能够保障人们自身和生产与生活的安全5。二、国内外研究现状从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。未来一段时间，使用半导体和催化原理的气体检测仪器仪表依靠着价格优势仍会占据部分低端市场6。目前国内用于燃气浓度监测的也主要是这两种气体传感器。随着现代科技的迅猛发展，LSI（超大规模集成电路）技术也在不断提高，为单片微型机的进步提供了有力的技术支持。目前的单片微型机早已从最初的四位、八位字长，发展到十六位、三十二位字长。技术的发展，集成度的提高，使得单片微型机在社会主义现代化建设的各个领域发挥着越来越大、越来越多的作用7。现在的社会是数字化的社会，是信息的时代。许多的模拟技术都被数字技术所取代，这意味着智能化的各种设备及产品会越来越多的呈现在我们的眼前。在我国当前，智能化的仪器仪表是单片微型机应用最多，最为活跃的领域。而且随着现代电子工业的发展，电阻型气敏传感器的工作稳定性也相对提高，成本也在不断的下降。气敏传感器又称“气体传感器”，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定规律转换成电信号的输出传感件器件，是化学传感器中最活跃的一种8。早在20世纪30年代人们就已发现金属氧化物具有气敏效应，而半导体气敏元件则是在60年代初期研制成功的，最先研制的ZnO薄膜元件，它是利用ZnO薄膜电阻接触的可燃性气体气浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在SnO中添加Pt或Pd等贵重金属做增感剂能提高其灵敏度9。日本气体传感器经过20多年的发展，其制造技术与产品水平已提高到相当水准，由日本费加罗技术研究公司规模生产的SnO2系列气敏传感器达21种规格，广泛用于11种气体的测量。在美国，气敏传感器主要用于汽车发动机空/燃比控制和家用警报10。英国电器气阀门公司生产的催化燃烧型气敏传感敏，德国DracgerwerkAG生产的医用薄膜型气敏传感器，瑞士Cerbertlsl.limited生产的火灾报警用气敏传感器等，都是世人所熟悉的11。20世纪70年代中期我国开始研制金属氧化物半导体气敏传感器和钯栅MOS场效应氢敏晶体管，并开始在家用燃气报警器和电力工业变压器油变质监测上用12。近应年来我国的气敏传感器技术飞速发展,全国有30多所高等院校和研究所研究开发各种类型的气敏传感器，在工艺方面引入表面掺杂、表面覆膜面以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺；另外新研究的AL2O3气敏料材、石英晶体和有机半导体也开始用于气敏材料13。但与国外发达家国相比还有较大差距，主要体现在产品生产技术和产业化等方面.三、研究意义随着人类探知邻域和空间的拓展，人们需要获得的电子信息种类日益增加，这就要求信息船体的速度加快和信息处理能力增加。因而要求与此相对应的三大核心技术：信息采集（传感技术）、信息传递技术（通讯技术）、信息处理技术（计算机技术）必须跟上人类信息化发展的需要14。传感器作为人类探知自然界信息的触角，它可将人类需要探知的非电量信息转化成可测量的电量信息，为人类认识和控制相应的对象提供了条件和依据。作为现代信息技术核心之一的传感器技术15，将是人们在高科技发展方面争夺的一个制高点.随着科学技术的迅速发展，气敏传感器与电子鼻在食品工业、化学工业、环境监测、安全检查、医学诊断、航空航天、军事国防等方面有着广阔的应用前景。譬如，在工农业生产方面和人类生活中，人们对污染环境的各种天气越来越重视，尤其是随着煤气、瓦斯气、液化石油气和天然气的开发利用，各种气体灾害的危险性增加随之增加，因此需要对各种易燃、易爆和有毒气体进行及时的检测16。目前已发展处许多种不同类型的气体传感器，能满足不同场合使用的要求。吧气体传感器与专门的检测分析电路结合，能够进行特定气体的检测、分析17。随着科学技术的进步、人们生活水平和生活质量的提高，气敏传感器的应用越来越扩大，随之，人们对气敏传感器的要求也越来越高，要求其灵敏度高、选择性好、功耗低、体积小、重量轻、价格低，集成化、智能化、多功能化等。这些都是的气敏测试技术得到了极大的重视与反战，现在已被公认为是对人类生命和健康、丰富国民生活以及促进其它生产技术发展的关键技术。发展好此技术，不但能对其它领域的技术具有极大的推动左右，而且还能改善人类的生存和生活质量。四、气敏传感器综述气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其中用的最多的是半导体气敏传感器18。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂复一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移19；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移20。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂复一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移21；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以获得准确的反应气体浓度的变化值22。气敏传感器的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检测、人体口腔口臭的检测等等23。它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统24。参考文献：1刘迎春,叶湘滨.传感器原理设计及应用M.长沙:国防科技大学出版社,2002.2刘威.气体传感器的研究与发展J.化工纵横,2000,14(9):1-5.3傅军.国内气敏材料和器件的研究现状及趋势J.海南师范学院学报(自然科学版) ,2001,14(1):37- 41.4白春礼.纳米科技及其发展前沿J.微纳电子技术, 2002,(1) :2-5.5张晓芬.SnO2气敏材料研究进展J.松辽学刊(自然科学版),2002,(5):65-68.6赵全明,王广健.二氧化锡膜气敏传感器最新研究成果J.传感界,2002,(7):1-6.7张义华,等.纳米SnO2制备及其气敏特性分析J.传感器技术,1999,18(6):36- 39.8郭纯生.纳米技术-传感器发展的新契机J.传感器技术,1998,17(4):5-8.9苏润，陈锋，刘锦淮等.气敏传感器信号采集的研究J.半导体技术,2003,28（11）：52-55.10于成波.传感器与自动检测技术M.第2版.北京:高等教育出版,2009.152-155.11周宇迪.便携式智能油气检测仪设计J.现代电子技术,2010,33(18):157-159.12LIAO Hai-yang,TIAN Peng.Design of Micro-Sensor-Array Detector for Toxic GasC./Sixth International Symposium on Precision Engineering Measurements Instrumentation.Part two of three parts.2010:754440:1-754440:6.13苏润，徐献芝,朱梅等.传感器自补偿桥路信号采集的研究J.传感器世界,2004,10(5):27-30.14WANG Lei,YU Yang,MA Wan-li et al.Development of Monitor System on Adverse Gases Emitted to AtmosphereC./Third International Symposium on Instrumentation Science and Technology(ISIST 2004),vol3.2004:854-857.15黄敏桐.气敏传感器在工业和民用领域中的应用M.清华大学学报，2006，4.16郁有文，常键.传感器原理及工程应用M.西安电子科技大学出版社,2003,1.17黄世震，林伟.纳米WO3-ZnS系H2S气敏元件的研究J.传感器技术，2001,20（1）：21.18刘奎学,陈丽华,全宝富等.智能型天然气检测装置的研制D.见：电子测量与仪器学报2002增刊.2002:177-180.19张庆荣，张鹏波，李成贵.高精度气敏传感器测试系统的研制J.传感器与仪表器，2006，（22）：152-154.20 张正勇，张耀华，焦正等.半导体氧化物气体传感器测试新原理与方法J.传感技术学报，2000，（2）：106-110.21潘天红，赵德安，邹小波.气体传感器阵列中的信息融合J.计算机测量与控制，2003，11（10）：815-817.22王昌明.传感与测试技术M.北京航空航天大学出版社，2005.6月：40-50.23詹自立，徐甲强，将登高.In2O3基气体传感器的研究现状J.传感器技术，2003,22（3）.24苏润,陈峰,刘锦淮等.气敏传感器信号采集的研究J.半导体技术，2003， 28(11):52-55. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1本课题要研究或解决的问题气敏传感器的信号采集系统采用单片机AT89C51，本设计能将在测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51中进行处理后通过液晶显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的。系统以MQ-4气体传感器和AT89C51 单片机为核心, 设计气体浓度信号采集系统。完成以下内容：(1)研究天然气气体传感器的基本工作原理，并选择一个可供设计的具体型号，给出相应的技术指标；(2)设计与所选传感器匹配的放大、采集、存储电路，要求确定具体的放大倍数、采样速率、采样时间、进而确定采样容量；(3)设计报警电路并控制显示天然气气体浓度；(4)绘制测试系统原理图和PCB图。2.2拟采用的研究手段（途径）2.2.1系统设计设计一个具有数据采集、存储和报警功能系统。要求能实时记录并存储空气中的天然气气体的浓度，并在浓度超某一临界值时具有报警功能。在本设计中，信号采集系统的主要功能就是快速准确的检测被测气体中天然气的含量，通过LCD显示屏将天然气浓度显示出来并且存储，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器及其适配电路模块、A/D转换电路模块、单片机控制模块、LCD液晶显示模块、声光报警单元、存储模块，供电模块这几部分。