基于51单片机室内煤气,天然气泄漏警报器的设计

1、 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:笑嘻嘻学 号：08042101学习学院(系):电子工程与光电技术学院专 业:电子信息工程题 目:基于51单片机室内煤气，天然气泄漏警报器的设计工程师张文青指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 6 月毕业设计说明书（论文）中文摘要 随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普及给公共生活带来了方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气

2、泄漏而造成的种种事故威胁，我们需要一个解决办法。使用天然气报警器是对付燃气无形杀手的重要手段之一。 本论文以半导体气敏传感器和单片机技术为核心设计的气体报警器可实现声光报警功能，是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的气体报警器，具有一定的实用价值。其中选用MQ-2传感器实现对气体的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。经AT89C51单片机处理，并对处理后的数据进行分析，是否大于或等于某个预设值(也就是报警限)，如果大于则会自动启动报警电路发出报警声音，反之则为正常状态，而且在此设计中我们通过DS18B20温度传感器和AT89C51单片机进行

3、连接，将温度信号转换成单片机可识别的数字信号，经过单片机处理并对其进行分析，最终将温度还有气体的浓度显示在LED的显示管中。 关键词 气敏传感器 报警器 单片机 温度传感器 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of indoor gas & natural gas alarm based on 51 microcontroller AbstractWith the wide use of natural gas, each residential towers were "enveloped" by the gas. The popularity

4、 of natural gas to public life brought convenient, reduce the city's 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 people's life and

5、 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 desig

6、n 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 we choose MQ-2 of gas detection sensor, it has a high sensitivity, fast response, strong anti-jammin

7、g capability etc, and the price is low, service life long. 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 beyond the limit than it will automatically start alarm circuit warning voice, otherwise conversely for n

8、ormal state. In this design, we connected DS18B20 temperature sensor and the AT89C51 micr- ocontroller ,it turns the temperature signals into the digital signal which the microcontroller can identify. Finally the temperature of gas will be displayed on the LED display tube.Keywords ：gas sensor alarm

9、 single chip microcomputer temperature sensor目录1.1、课题研究的背景11.2、课题研究的意义21.3国内外研究情况及其发展21.3.1、可燃性气体泄漏报警器种类与结构21.3.2、国内外情况及其发展趋势22 天燃气泄漏报警系统的方案设计32.1方案的选择32.2对于该警报器设计的要求32.3 气体传感器的选型42.3.1气体传感器介绍42.3.2气体传感器的选定62.4 天燃气泄露报警系统的整体设计方案72.4.1天燃气泄露报警器工作原理72.4.2天燃气泄露报警器的结构82.4.3气体检测报警器的功能93 天燃气泄漏报警系统的硬件部分设计93.

10、1 主控电路的设计93.1.1半导体气敏传感器93.1.2单片机的选择153.1.3 AT89C51单片机的介绍153.1.4 AT89C51单片机的时钟电路183.1.5 AT89C51单片机的复位电路203.2 外围接口电路的设计213.2.1 驱动模块的选择213.2.2 DS18B20温度传感器的介绍223.2.3 声音报警电路263.2.4气体检测模块和光报警电路283.3 总电路设计304 燃气泄漏报警系统的软件部分设计314.1 主程序设计流程与编程314.1.1 主程序设计流程图324.1.2 主程序的编程334.2 程序调试394.2.1程序调试的步骤394.2.2程序调试过

11、程中的问题及解决41结论42致谢43参考文献441 绪论1.1、课题研究的背景 人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气

12、管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。

13、人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命。 1.2、课题研究的意义人们面对可燃性气体泄漏而危及生命健康情况，有没有一个彻底的解决办法？据有关专家介绍，可燃气体泄漏报警器是对付燃气泄漏的重要预防手段之一。为防止中毒事件发生，现提出利用单片机系统进行有效的预防措施。所以

14、怎样预防燃气中毒与爆炸已成为人们的迫切需要。基于此现实，本设计宗旨是为家庭用户设计一种能够对天然气，液化气和、煤气泄漏的装置，从于减少不必要的事故，进于保证人民的生命健康，减少不必要的损失。1.3国内外研究情况及其发展 1.3.1、可燃性气体泄漏报警器种类与结构可燃性气体泄漏报警器，多用于大型公寓、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。可燃性气体泄漏报警器可发出声光报警，或伴有数字显示，或联动外部设备。有的可燃性气体泄漏报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的可燃性气体泄漏报警器在报警时可自动

15、关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。 1.3.2、国内外情况及其发展趋势 当前应用最广泛的可燃性气体泄漏报警器与气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏检测和监控，仅用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，不少发达国家已经明确规定家庭、公寓等要求安装相应的报警器。国外可燃性气体泄漏报警器发展很快，是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于燃气泄漏报警器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外燃气报警器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国在1996年2002年就煤气报警器的年均增长率为2730。在这些方面，国内应该增强安全意识增强。可燃性气体泄漏报警器的发展趋势集中表现为

16、，一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是燃气泄漏报警器一直追求的目标；二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型可燃性气体泄漏气报警器。如美国在燃气泄漏报警器中嵌入微处理器，使燃气泄漏报警器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化、涉多功能化。2 天然气泄漏报警系统的方案设计2.1方案的选择方案一，通过传感器感受到可燃性气体，降低自身的阻值，来增大电流，并且驱动蜂鸣器报警。电路简单、可靠但是灵活性和实用性差。方案二，可以通过传感器感知信号多级放大电路，并用电位器调节得到固定的电压值，当得

17、到可燃性气体信号时，电阻值立刻变小，放大器的放大倍数增加，电压也就随着增加，驱动三极管导通报警电路。该方案有一定的灵活性和可执性，但是电路比较复杂，智能性差。方案三，通过51系列单片机作为主控单元，并且能够通过传感器把模拟信号通过A/D信号转换为数字信号，并且读取和显示出来。键盘可以通过不同的应用场合和针对不同气体做出不同的浓度设定，并且储存报警的上限和报警时间，方便查询和日后的工作调查。综合考虑，由于使用单片机设计灵活性更强、用途更宽广，所以本设计采用方案三。2.2对于该警报器设计的要求1. 对可燃气体进行检测，可燃气体浓度达到报警设定值时，应能报警。2. 正常工作：绿灯闪烁，蜂鸣器不报警。

18、3.能够显示此时的温度4故障报警：传感器短路，短路时应发出与可燃气体浓度超范围报警有明显区别的声，光报警。5.浓度超限报警时，应能启动输出控制功能。2.3 气体传感器的选型气体传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路，将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。气体传感器作为燃气泄漏报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。由此可见，气体传感器的选型是非常重要的。2.3.1气体传感器介绍1.气体传感器的分类 （1）.半导气体传感器这种类型的传感器在气体传感器中约占60%

19、，根据其机理分为电导型和非电导型，电导型中又分为表面型和容积控制型.（2）.固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。如测量H2S的YST-Au-WO3、测量NH3的NH+4CaCO3等。 开发新的气体传感器，特别是开发和完善智能气体传感系统，使之可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用。大大提高气体泄漏事故

20、处置的工作效率和安全性，对于控制事故损失具有重要的作用。（3）.接触烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器 可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式两种。其工作原理是：气敏材料在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或在催化剂作用下氧化燃烧，产生的热量使电热丝升温，从而使其电阻值发生变化，测量电阻变化从而测量气体浓度。这种传感器只能测量可燃气体，对不燃性气体不敏感。例如，在Pt丝上涂敷活性催化剂Rh和Pd等制成的传感器，具有广谱特性，即可以检测各种可燃气体。接触燃烧式气体传感器在环境温度下非常稳定，并能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测，普遍应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道、浴室、厨房等处的可燃性气体的

21、监测和报警。（4）.高分子气体传感器 国外在高分子气敏材料的研究和开发上有了很大的进展，高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合等特点，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测具有重要作用。高分子气体传感器根据气敏特性主要可分为下列几种：l)高分子电阻式气体传感器该类传感器是通过测量高分子气敏材料的电阻来测量气体的体积分数，目前的材料主要有欧菁聚合物、LB膜、聚毗咯等。其主要优点是制作工艺简单、成本低廉。但这种气体传感器要通过电聚合过程来激活，这既耗费时间，又会引起各批次产品之间的性能差异。2)浓差电池式气体传感器浓差电池式气体传感器的工作

22、原理是：气敏材料吸收气体时形成浓差电池，测量输出的电动势就可测量气体体积分数，目前主要有聚乙烯醇-磷酸等材料。3)声表面波(SAW)式气体传感器SAW气体传感器制作在压电材料的衬底上，一端的表面为输入传感器，另一端为输出传感器。两者之间的区域淀积了能吸附VOC的聚合物膜。被吸附的分子增加了传感器的质量，使得声波在材料表面上的传播速度或频率发生变化，通过测量声波的速度或频率来测量气体体积分数。主要气敏材料有聚异丁烯、氟聚多元醇等，用来测量苯乙烯和甲苯等有机蒸汽。其优势在于选择性高、灵敏度高、在很宽的温度范围内稳定、对湿度响应低和良好的可重复性。SAW传感器输出为准数字信号，因此可简便地与微处理器

23、接口。此外，SAW传感器采用半导体平面工艺，易于将敏感器与相配的电子器件结合在一起，实现微型化、集成化，从而降低测量成本。（5）.电化学传感器 电化学传感器通过与被测气体发生反应并产生与气体浓度成正比的电信号来工作。典型的电化学传感器由传感电极（或工作电极）和反电极组成，并由一个薄电解层隔开。气体首先通过微小的毛管型开孔与传感器发生反应，然后是憎水屏障，最终到达电极表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。穿过屏障扩散的气体与传感电极发生反应，传感电极可以采用氧化机理或还原机理。这些反应由针对被测气体而设计的电极材料进行催化。通过电极间

24、连接的电阻器，与被测气浓度成正比的电流会在正极与负极间流动。测量该电流即可确定气体浓度。由于该过程中会产生电流，电化学传感器又常被称为电流气体传感器或微型燃料电池。（6）.热传导传感器 热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标烟雾中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体，热传导率是它固有的物理特性。 （7）.红外传感器 利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

25、任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工

26、程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。2.3.2气体传感器的选定天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。天燃气泄漏报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃气体泄漏的场所，根据报警器检测气体种类的要求，一般选用

27、接触燃烧式气敏传感器和半导体气敏传感器。 使用接触燃烧式气敏传感器，其探头的阻缓及中毒,是不可避免的问题。阻缓是当在气体与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致该传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中含有硅烷之类的物质时，则传感器将使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵敏度很快就丧失。当怀疑检测环境中存在这些物质时，经常对探头进行标定，是必须且有效

28、的办法。 因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体气敏传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器以及用单晶半导体器件制作的气体传感器，它具有灵敏度高，响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体气敏传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种气敏传感器的应用特性，发现半导体气敏传感器的优点更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发

29、生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为报警器气体信息采集部分的核心。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用MQ-2型气敏传感器，这种型号的传感器具备一般半导体气敏传感器灵敏度高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。2.4 天燃气泄露报警系统的整体设计方案2.4.1天然气泄露报警器工作原理 本论文中的燃气泄漏报警器以AT89C51单片机为控制核心，采用MQ-2型电阻式半导体传感器采集气体信息，而且利用DS18B20温度传感器进行温度采集，在LED的显示管中显示温度。 首先，气体传感器送来的气体浓度对应的电压信号送入AT89C51单片机；然后，在AT89C51单

30、片机内A/D转换、气体浓度比较，对数据进行线性化处理，将数字化电压信号转化成为对应的十进制浓度值；最后，判断气体浓度值是否超出报警限，当气体浓度处于正常状态红灯不会闪亮，当气体浓度超出设定的限定值时，发出声音报警并伴随红灯闪亮。而且利用DS18B20温度传感器将温度信号采集到AT89C51单片机中进行输出，最后在LED显示管中进行显示。另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证气体传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向气体传感器持续输出一个5V的电压。为了保证其可靠性，在输出5V的电压的同时，进行故障监测。2.4.2天然气泄露报警

31、器的结构 为适应家庭对可燃性易爆气体安全性要求，设计的可燃性气体报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃气体浓度、可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。其目标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。 天然气泄露报警器系统结构框图如图1所示，该系统以51单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、声音及闪烁报警等功能。系统采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。 使用AT89C51单片机，选用气敏传感器作为敏感元件，DS18B20元器件作

32、为温度传感器，并且在LED中显示温度还有气体的浓度。利用A/D转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位天然气泄漏报警器。整个设计由4大部分构成：气敏传感器、A/D转换电路、AT89C51单片机、声光报警电路。气敏传感器是将现场气体浓度非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将气体传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。天然气泄漏报警系统结构框图如下图2.1：时钟复位温度传感器气敏传感器A/D转换器AT89C51单片机灯光报警声音报警气体 浓度图2.1 系统结构框图2.4.3气体检测报警器的功能声光报警功能 当气体浓度取

33、值处在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声音越来越急促，并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏感，所以变化的声音及灯光更容易引起用户的注意。 3 天然气泄漏报警系统的硬件部分设计3.1 主控电路的设计3.1.1半导体气敏传感器（1）半导体的基本介绍半导体传感器是一种采用半导体气敏为主要使用材料的传感装置，它利用与其气体接触时使半导体的导电率等物理性质发生变化来检测待测气体的成分和浓度。并且，它具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长及价格低等优点，成为世界上产量最大、使用最广的传感器之一。（2）半导体的分类半导体气敏传感器有多种分类方法，主要一种是将其分为两类电导控制型气敏传感器和电压

34、控制气敏传感器。其中电导控制型一般以金属氧化物半导体材料如SnO、ZnO、FeO系为基体，加入合适的催化金属和添加剂，采用烧结、厚膜或薄膜工艺制成。半导体气敏传感器包括硫化氢气敏传感器和一氧化碳气敏传感器两个敏感器件。硫化氢气敏传感器是采用MOS场效应晶体管结构,利用过渡金属作栅极的气敏元件,当空气中存在硫化氢时,场效应晶体管的开启电压发生变化,变化的幅度与硫化氢的浓度成比例。一氧化碳气敏传感器是利用以二氧化锡为基体的铂锑二氧化锡敏感材料制成的表面电阻控制型敏感器件,当空气中有微量的一氧化碳存在时,器件的电阻急剧下降。该两种敏感器件灵敏度均10ppm;响应时间均0秒;感应时间均1秒。（3）半导

35、体气敏传感器的原理当半导体器件被加热到稳定状态时，气体接触半导体表面而被吸附，吸附的分子首先在表面自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的电子亲和力时，则吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。具有负离子吸附倾向的气体，如O2和NON,等被称为氧化型气体或电子接收型气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，则吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO,碳氢化合物和醇类等，被称为还原型气体或电子供给型气体半导体气敏传感器的参数1）工作电压：5VDC2）静

36、态功耗：15mW3）工作温度：10504）相对湿度：95%5）初期稳定时间：3min.6）检测浓度范围：02000ppm（一氧化碳）（4）MQ-2的相关参数本次的设计采用的MQ-2气体传感器，MQ-2气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃性气体时，传感器的电导率随空气中可燃性气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。（1） 灵敏度特性：图3.1传感器典型的灵敏度特性曲线注：图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值Ro 表示传感

37、器在1000ppm不同气体中的电阻值（2）温/湿度的影响：图3.2 传感器典型的温度、湿度特性曲线图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。Rs表示在含1000ppm 甲烷、不同温/湿度下传感器的电阻值Ro表示在含1000ppm 甲烷、20/65%RH环境条件下传感器的电阻值表3.3 传感器的相关的参数（3） 规格：（4） A.标准工作条件符号参数名称技术条件备注Vc回路电压24VDCVH加热电压5.0V±0.2VACorDCRL负载电阻可调RH加热电阻31±3室温PH加热功耗900mW B. 环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070

38、R相对湿度小于95% RO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于 C. 灵敏度特性符号参数名称 技术参数 备注Rs敏感体表面电阻2K-20K(2000ppm C3H8 )适用范围： 5000-20000ppm天然气(R3000ppm/R1000ppm C3H8)浓度斜率0.6标准工作条件温度： 20±2 Vc:5.0V±0.1V相对湿度： 65%±5% VH: 5.0V±0.1V预热时间不少于48小时敏感体功耗（Ps）值：Ps=Vc2×Rs/(Rs+RL)2 传感器电阻（Rs）值：Rs=(Vc/VRL-1)×R

39、L（4）结构，外形MQ-2气敏元件的结构和外形如图4所示(结构A或 B), 由微型Al2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（Au）3测量电极引线铂（Pt）4加热器镍铬合金（Ni-Cr）5陶瓷管三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（SUB316）7卡环镀镍铜材（Ni-Cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）图3.4图3.4 MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形MQ-2气体传感器对

40、液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。此次的MQ-2传感器因为在protues的元器件库中无法找到，然后只能利用protel进行设计。元器件选择电源采用输入AC：220V 50Hz，输出DC：稳压5V的电源变压器；烟雾传感器MQ2；一个50K 的电位器；一个1 K 的电阻；一个三脚的开关；晶体管采用9013型号；继电器采用JRC4100F 5V的型号；通电指示灯采用3.5V的淡绿发光二极管；风扇FAN为5V的单转向小型风扇。其原理图如下图3.5：图3.5 MQ-2原理图电路如图3.5所示， MQ2为

41、烟雾传感器，FAN为5V电机。电路采用交流供电，220V交流市电从插头引入电路，经电源变压器降压后变为直流，直流电压直接供传感器MQ2的加热丝H-H工作，加热丝给传感器MQ2预热一定时间后，才能正常检测烟雾。 稳压电压同时供控制电路工作，接在继电器、通电指示灯和风扇上。当MQ2所处的环境烟雾在允许范围内时，其两端输出电极H-H间导电率很低，则加在电极间两端HH电压很低，则输出电压升高，晶体管9013导通，此时加在继电器JRC4100F两端的电压达到它的启动电压（V），继电器跳转，通电指示灯熄灭；风扇FAN电路接通，风扇工作，开始吸收烟雾。风扇产生吸力将烟雾吸入装有活性炭过滤筛的壳体，先经过一层

42、活性炭过滤后，再经过负离子发生器，从而除掉有害物质。过滤筛可以拆下来清理或更换，活性炭也可以更换。当烟雾逐渐减少，传感器MQ2导电率升高，加在电极间两端HH的电压升高，输出电压变小，晶体管9013截止，则继电器JRC4100F两端电压为零，继电器跳转为常态，风扇FAN停止转动，通电指示灯变亮。注：为了使到在烟敏器件电路发生故障的时候烟灰缸还能工作，我们另外接了一个手动的开关（如电路图中的开关K），这样，当电路发生故障的时候，我们可以手动的开启电机，一样能达到抽烟过滤的功能。调试电路主要通过调试可变电阻 ，可以调节烟雾传感器的灵敏度，以获得满意的烟雾浓度风扇启动点。 3.1.2单片机的选择单片机

43、又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机，各种警报器中的应用等。一方面它要接收来自传感器的气体浓度的模拟信号和故障检测信号，另一方面要对两种信号分

44、别进行处理，控制后续电路的相应工作；同时，查询是否有键按下的命令。在单片机实现的功能中，将模数转换后的信号做数字滤波，再进行线性化处理，这一过程的软件实现，需要单片机有较快的运算速度，使仪表监测人员能够观测到并进行相应处理。根据此次的实验要求设计我们采用的是51系列的单片机，根据多方面的比较我此次采用的是AT89C51的单片机。3.1.3 AT89C51单片机的介绍描述AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM），这种器件采用ATMEL公司的高密度、不容易丢失存储技术生产，并且能够与MCS-5

45、1系列的单片机兼容。片内含有8位中央处理器和闪烁存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到控制领域中。功能特性AT89C51提供以下的功能标准：4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。另外，AT89C51还可以进行0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件的节电模式。闲散方式停止中央处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存随机存取数据存储器中的内容，但震荡器停止工作并禁止其它所有部件的工作直到下一个复位。引脚描述AT8

46、9C51单片机的引脚图如下图3.6：图3.6 AT89C51引脚图VCC：电源电压 GND：地P0口：P0口是一组8位漏极开路双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每一个管脚都能够驱动8个TTL电路。当“1”被写入P0口时，每个管脚都能够作为高阻抗输入端。P0口还能够在访问外部数据存储器或程序存储器时，转换地址和数据总线复用，并在这时激活内部的上拉电阻。P0口在闪烁编程时，P0口接收指令，在程序校验时，输出指令，需要接电阻。P1口：P1口一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。因

47、为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流。闪烁编程时和程序校验时，P1口接收低8位地址。P2口：P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动4个TTL电路。对端口写“1”，通过内部的电阻把端口拉到高电平，此时，可作为输入口。因为内部有电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器时，P2口线上的内容在整个运行期间不变。闪烁编程或校验时，P2口接收高位地址和其它控制信号。P3口：P3口是一组带有内部电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲故可驱动4个TTL

48、电路。对P3口写如“1”时，它们被内部电阻拉到高电平并可作为输入端时，被外部拉低的P3口将用电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.7所示： 表3.7 AT89C51各部分引脚的作用端口引脚第二功能P3.0RXDP3.1TXDP3.2INT0P3.3INT1P3.4T0P3.5T1P3.6WRP3.7RDP3口还接收一些用于闪烁存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当震荡器工作时，RET引脚出现两个机器周期以上的高电平将使单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器

49、，ALE以时钟震荡频率的1/16输出固定的正脉冲信号，因此它可对输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲时，闪烁存储器编程时，这个引脚还用于输入编程脉冲。如果必要，可对特殊寄存器区中的8EH单元的D0位置禁止ALE操作。这个位置后只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被应用。此外，这个引脚会微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器读取指令时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN 信号不出现。

50、EA/VPP：外部访问允许。欲使中央处理器仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平。需要注意的是：如果加密位LBI被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平，CPU则执行内部程序存储器中的指令。闪烁存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电压VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1：震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：震荡器反相放大器的输出端。振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通

51、过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.1.4 AT89C51单片机的时钟电路T89C51中有一个用于构成内部震荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自然震荡器。 外接石英晶体及电容C1，C2接在放大器的反馈回路中构成并联震荡电路。对外接电容C1，C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF±10PF，而如果使用陶

52、瓷振荡器建议选择40PF±10PF。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图3.8内部振荡电路图3.9 外部振荡电路时钟电路图如下图3.10：图3.10 时钟电路图3.1.5 AT89C51单片机的复位电路在整个燃气报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。复位是单片机的初始化操作。单片机系统在上电启动运行时，都需要先

53、复位。其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。我们在设计单片机复位时，选用上电复位。上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。该电路典型的电容参数为：晶振为12MHZ，电容值为1uF。51单片机复位电路如下图3.11：图3.11单片机复

54、位电路图3.2 外围接口电路的设计3.2.1 驱动模块的选择对于驱动模块的选择，实验中测得74LS245输出高电平为3.8V，而74HC245输出高电平为5V。由于74HC245与74LS245相比较价格较贵，而74LS245输出的3.8V高电平足以驱动七段显示数码管，因此设计中采用74LS245。由于七段显示数码管的工作电压为2V，而74LS245输出高电平3.8V，因此限流电阻两端的电压为1.8V。而七段显示数码管每位正常工作的电流为2mA，而四位七段数码管的每一个相同的位段又是并联的形式连接的，为了保证每一位的亮度相同，因此每位段位电流应该为8mA，即流过限流电阻的电流为8mA。因此限流

55、电阻的阻值=1.8V/8mA=225欧，故本次设计中采用220欧的电阻作为限流电阻。74LS245的引脚图如下图3.12：图3.12 74LS245引脚图74LS245是我们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传输数据。 74LS245还具有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时，必须接入74LS245等总线驱动器。 当片选端/CE低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）DIR=“1”，信号由 A 向 B 传输；（发送）当CE为高电平时，A、B均为高阻态。3.2.2 DS18B20温度传感器的介绍DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。1: 技术性能描述、 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B2