可燃气体检测

摘要TGS813是一种可燃气体传感器，具有寿命长，成本低的特点。介绍了TGS813的工作原理和其与ATmega16单片机组成的测量系统在可燃气体自动检测以及自动报警中的具体应用。关键词：TGS813ATmega16自动检测1系统总体结构本系统测量元件采用TGS813传感器，该传感器能够实现对甲烷、丙烷、液化气等多种可燃气体准确测量，传感器的输出信号经过调理之后送至AD转换器进行采样，单片机对采集到的数字量进行比较，当该值达到预先设定时，发出声光报警信号，驱动相应的报警模块工作，给人以提示。系统原理框图如下。TGS813 ►信号调理 ►AD采样声光报警装羽驱动电路—人加片机6单2方案比较2.1传感器的选择方案一：采用光学式气体传感器。不同的气体物质由于其分子结构不同、浓度不同和能量分布的差异而有各自不同的吸收光谱。这就决定了光学式气体传感器的选择性、鉴别性和气体浓度的唯一确定性。若能测出这种光谱便可对气体进行定性、定量分析。目前已经开发发了流体切换式、流程直接测量式等多种在线红外吸收式气体传感器。在汽车的尾气中，一氧化碳、二氧化碳和烃类物质的浓度，以及工业燃烧锅炉中的有害气体都可采用光学式气体传感器来检测。方案二：采用半导体式可燃气体传感器。半导体式传感器的工作原理是基于可燃气体在材料表面的吸附和紧随着的表面反应过程所引起的电导变化。金属氧化物半导体中原子排列与其晶体结构模型并非完全一致，一些原子会离开它的格点位置，留下了原子空位，形成点缺陷，这些空位一般是金属原子空位和氧原子空位。部分离开格点的原子会移至正常格点的间隙位置，成为离开格点的原子会移至正常格点的间隙位置，成为间隙原子，形成杂质缺陷。光学式传感器测量范围宽，但其价格高、抗震性较差。半导体式传感器测量范围虽不及光学式，但长期工作稳定性良好、响应迅速、寿命较长、价格低廉、体积小。所以采用本方案采用半导体式传感器TGS813。2.2单片机的选择方案一采用传统的8位89c51单片机作为控制核心传统的51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。若采用89c51需要做RAM、ROM扩展，以适应内存需要，其硬件工作量必然大大增多。方案二采用ATMEL公司的AVR系列单片机ATmega16作为控制核心。ATmega16单片机是ATMEL公司出品的精简指令集8位高性能、低功耗单片机，它既有双列直插封装，也有表面贴片封装，增加了选择的灵活性。该单片机的131条指令大多数为单周期指令，当工作于16M晶振时性能高达16MIPS。除此之外，ATmega16具有丰富的片上硬件资源，可以简化外围电路，增强系统可靠性，也可减少成本。它内部含有16K的系统内可编程FLASH，512字节的EEPROM，1K的片内SRAM，这些资源可以使单片机在较为宽松的环境下完成工作，另外单片机还具有JTAG调试接口，简化了程序的调试，提咼了编程效率。综上所述，我们选用ATmega16单片机作为整个系统的控制核心，这样可以充分利用单片机上丰富的I/O口和硬件资源，同时不显得浪费。3.3AD转换器选型方案一：采用外部串行AD转换器TLV2543。TLV2543是TI公司推出的CMOS工艺的12位分辨率AD转换器，在正常工作温度内的转换时间为10us，具有11路模拟输入通道，内置采样保持器，最大线性误差土1LSB，具有片上时钟，有转换结束输出信号，数据交换时高位在前或在后可选。TLV2543是串行通信模式，节省单片机10口，且能保证通信速度，是一款性能较好的AD转换器。方案二：采用单片机内部AD。由于ATmegal6单片机本身具有内部AD转换器，该转换器是10位8通道的模数转换器，转换时间65-260us,非线性度0.5LSB，最高分辨率是采样率可达15kSPS,并且单片机内部含有2.56V参考源。综上所述，外部AD转换器的性能无疑超过了单片机内部AD,不论是从精度还是转换时间来看，外部AD都具有绝对优势，但是本方案对模拟量的测量精度和时间要求并不是特别高，而且，由于单片机将AD结成在其内部，对电路设计和软件编程的简化意义重大，更能节约成本，同时采用内部AD也能体现出此款单片机的优势。所以，采用方案二。3硬件设计3.1传感器原理TGS813性能TGS813是FIGARO公司生产的宽范围可燃气体传感器，具有寿命长、成本低和安装简单等特点，能够实现对甲烷、丙烷、液化气等多种可燃气体准确测量,广泛用于家庭和工业现场的有害气体检测装置中。TGS813具有如下特点：对多种气体敏感，对不检测的气体不敏感，属于普敏气体传感器；对甲烷、一氧化碳、乙醇等多种气体的灵敏度咼，初始稳定时间短、寿命长，但易受外界温度和湿度的影响；工作电压范围广，5V、6V、12V均可，最大不超过24V，加热丝电压为5V±0.2V。TGS813原理TGS813的探测原理是基于气敏元件表面气体的化学吸附作用与解吸附作用，TGS813气体传感器的气敏素子，使用空气中电导率低的二氧化锡。当存在检知对象气体时，传感器的电导率随空气中气体浓度增大而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转化为该气体浓度相对应的输出信号。

TGS813内部结构上图为TGS813的内部结构，TGS813共有6个引脚，其中引脚1和引脚3短路后接回路电压；引脚4和引脚6短接后接回路电压；引脚4和引脚6短接后作为传感器的信号输出端；引脚2和引脚5为传感器的加热丝的两端，外接加热丝电压。TGS813传感器需要施加两个电压：加热器电压v和回路电压v。VTOC\o"1-5"\h\zH C H用于维持敏感素子处于与对象气体相适应的特定温度而施加在集成的加热器上。V则是用于测定与传感器串联的负载电阻R上的两端电压v。只要能满足c l RL传感器的电器特性要求，V和V可以共用一路电源。为了使敏感素子的功耗PC H S低于15mW的限度值，需要选择适当的r值。L3.2信号调理电路TGS813传感器输出的是电流信号，经过负载电阻进行电流电压转换之后，得到电压信号，但这个电压信号强度不够，因此需要采用同相放大电路，将弱的电压信号放大，同时进行阻抗转换，使AD转换器在采样时的精度更高。VoutVout本处运放采用通用运放LM324即可。3.3声光报警电路本题需要使用声光报警电路，对提示内容要求较低，因此可以直接采用蜂鸣器和发光二极管来完成此任务。蜂鸣器采用有源蜂鸣器，其内部包含多谐振荡器,

因此只需要给其通一个直流电压源，蜂鸣器即可发出声音，不需要单片机输出特定频率的方波。另外由于单片机的10口驱动能力有限，所以需要在单片机控制10口上接上三极管驱动电路，防止烧坏单片机。声光报警电路如下所示。4软件流程本系统的软件比较简单，主要是对其内部AD进行操作，然后对读取的数字量进行比较，当期大于预设值时，单片机输出控制信号，让声光报警装置工作。Y5仿真验证本题的核心部分就是AD转换器对模拟电压进行采样，由数字量的大小决定是否打开声光报警装置，所以此处对AD转换器部分进行了仿真验证，仿真方式为给定ATmegal6单片机一个电压信号，经单片机测量后通过液晶显示出来，仿真显示，此程序编写完好，能够实现对模拟电压的测量。仿真图如下所示。6小结通过本次课程设计，我深入的了解了气体传感器在可燃气体检测方面的原理与应用，了解了不同类型传感器的工作原理，并且最终选择了合适的气体传感器。软件方面，使用ICC编译软件对ATmega16单片机进行了编程，并成功的将AD转换功能进行了仿真验证，事实证明此系统可以正常工作。参考文献1、 郑学坚，周斌微型计算机原理与应用清华大学出版社2、 于海生微型计算机控制技术清华大学出版社3、 沈美明，温冬婵IBM-PC汇编语言程序设计清华大学出版社4、 何立民单片机应用系统设计北京航空航天大学出版社5、 姚燕南，薛钧义微型计算机原理西安电子科技大学出版社6、 沙占友等新编实用数字化测量技术国防工业出版社7、 宋春荣等通用集成电路手册山东科技出版社源程序#include<iom16v.h>#include<macros.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuchartable[]={'O','1','2','3','4','5','6','7','8','9'};uintadc_val,dis_val;uchari,cnt;voidport_int(){DDRA=0x7f;PORTA=0x00;DDRC=0XFF;PORTC=0XFF;DDRD=0XFF;PORTD=0XFF;}voidadc_int(){ADCSRA=0XE3;ADMUX=0X00;}voiddevices_int(){port_int();adc_int();SREG=0x80;}uintadc_convert(){uinttemp1,temp2;temp1=(uint)ADCL;temp2=(uint)ADCH;temp2=(temp2<<8)+temp1;return(temp2);}uintconv(uinti){longx;uinty;x=(5000*(long)i)/1023;y=(uint)x;returny;}voiddelay(unsignedintk){unsignedinti,j;for(i=0;i<k;i++){for(j=0;j<570;j++);}}voidwritecom(ucharcom){PORTB&=〜BIT(0);PORTB&=〜BIT(1);PORTD=com;P0RTB|=BIT(2);delay(1);PORTB&=〜BIT(2);}voidwrite_dat(uchardat){PORTB|=BIT(0);PORTB&=〜BIT(1);PORTD=dat;PORTB|=BIT(2);delay(1);PORTB&=〜BIT(2);}voidshow(unsignedintdis_val){write_com(0x80+0x00);delay(5);write_dat(table[(dis_val/1000)%10]);delay(1);write_dat('.');delay(1);write_dat(table[(dis_val/100)%10]);delay(1);write_dat(table[(dis_val/10)%10]);delay(1);write_dat(table[dis_val%10]);delay(1);w