1、 清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 1 页 共 48 页 1 引言1.1 研究背景及意义随着工业化的发展，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。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
2、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。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。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
3、、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。基于此，本论文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。1.2 国内外发展现状气敏传感器及单片机是本设计的的两大核心内容。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清华大学 20
4、12 届毕业设计说明书 第 2 页 共 48 页 分低端市场。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 1。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。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。
5、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 2。这两项技术的迅猛发展，为气体检测系统的发展提供了更好的平台。1.3 研究目标及内容本文所设计的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
6、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。清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 3 页 共 48 页 2 系统总体方案设计2.1 系统设计要求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
7、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。2.2 系统设计整体框图系统工程流程：气体信号检测电路由气敏传感器和信号调理电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后再送入单片机。单片机对该数字信号进行处理分析，看是否超过某个预设值，如果超过则会启动报警电路，反之则为正常状态；同时显示天然气浓度并存储数据。图 2.1 硬件设计框图2.3 气体传感
8、器的选型2.3.1 气体传感器介绍被测环境复位电路时钟电路 单片机电路 显示电路A/D 转换电路 气敏传感器及其适配电路报警电路存储模块供电电路清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 4 页 共 48 页 气体传感器应满足的基本条件:一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件 3： (1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应； (2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；(3)对检测信号响应速度快，重复性好；(4)长期工作稳定性好；
9、(5)使用寿命长； (6)制造成本低，使用与维护方便。常见气体传感器简介 4 （1）半导体气体传感器半导体气体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。自 1962 年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。电阻式半导体气体传感器依据其电阻随气体含量的不同而变化的特征来检测气体。非电阻式半导体气敏元件则利用其电流或电压随气体含量的变化来检测气体，主要有
10、 MOS 二极管式和结型二极管式及场效应管式。 （2）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作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生电阻，测量其形成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，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。 （3）接触燃烧式气体传感器 当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂
11、、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300400的高温，此时若与清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 5 页 共 48 页 气体接触，气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升,通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道气体的浓度。（4）高分子气体传感器 利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。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，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具
12、有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。 （5）电化学传感器 电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。 （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
13、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 红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。 不同的气体吸收不同波长的 IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量 CO 和 CO2、冷冻剂烟雾和一些
14、易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中 IR 部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标烟雾的影响。 清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 6 页 共 48 页 常见气体传感器可检测气体种类： 由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有的气体，通常只能检测某一种或两种特定性质的气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性烟雾，如 CO、H 2、C 2H5OH、CH 3OH 等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如 O2、CO 2、H 2、Cl 2、SO 2等。表 2.1 各种气体
15、传感器可检测的气体种类传感器种类COCO2H2S NH3HCN HClCOCl2CI2 NOX SO2 O2 CH4 C3H2 H2 H2O半导体气体传感器 固体电解质传感器 接触燃烧式传感器 电化学式传感器 高分子电解质气体传感器 注：好 不太好 2.3.2 气体传感器的选定天然气中含甲烷（94.36） ，氮气(3.029)，乙炔（1.94） ，丙烷（0.246） ，氢气（0.245） ，其他气体（0.18）,可见主要成分是甲烷气体。根据系统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。清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 7 页 共 48 页 使用接触燃烧式气敏传
16、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
17、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。因此，本设计采用半导体气敏传感器作为气体信息采集部分的核心。半导体气体传
18、感器之所以能得到迅速的发展，除灵敏度高、结构简单和使用方便的优点外，更由于它可以与大规模集成电路、微机处理、计算机结合起来。而在众多半导体气敏传感器中，本设计选用 MQ-4 型气敏感器，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。清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 8 页 共 48 页 3 系统硬件设计3.1 传感器及其适配电路3.1.1 MQ-4 传感器介绍 5MQ-4 气体传感器特点： 在较宽的浓度范围内对甲烷，天然气有很高的灵敏度； 对乙醇，烟雾的灵敏度很低； 快速的响应恢复特性； 长期的使用寿命和可靠的稳定性，成本低廉； 简单的驱动电路。
19、主要用于家庭用气体泄漏报警器;工业用可燃气体报警器;便携式气体检测器。表 3.1 MQ-4 传感器标准工作条件表 3.2 MQ-4 传感器环境条件表 3.3 MQ-4 传感器灵敏度特性符号 参数名称 技术条件 备注Vc 回路电压 15V ACorDCVH 加热电压 5.0V0.2V ACorDCRL 负载电阻 可调RH 加热电阻 313 室温PH 加热功耗 900mW符号 参数名称 技术条件 备注Tao 使用温度 -1050Tas 储存温度 -2070R 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 最小值大于符号 参数名称 技术参数 备注Rs 敏感体表
20、面电阻 10K-60K(5000ppm CH 4 )适用范围： 300-10000ppm天然气清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 9 页 共 48 页 表 3.4 MQ-4 传感器结构 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9 针状管脚 镀镍铜材（Ni-Cu）图 3.1 MQ-4 气敏元件的外形和结构图MQ-4 气敏元件的外形和结构如图 3.1 所示，由微型 AL2O3陶瓷管，SnO 2敏感层，测量
21、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 6 只针状管脚，其中 4 个用于信号取出，2 个用于提供加热电流。传统测量电路如图 3.2 所示。(R 1000ppm/R500ppm CH4) 浓度斜率 0.6标准工作条件温度： 202 Vc:5.0V0.1V相对湿度： 65%5% V H: 5.0V0.1V预热时间 不少于24小时清华大学 2012 届毕业设计说明书 第 10 页 共 48 页 图 3.2 MQ-4 气敏元件的传统测试电路图 3.3 MQ-4 型气敏元件的灵敏度特性图 3.3 给出了 MQ-4 型气敏元件的灵敏度特性，其中温度：20、相对湿度：65%、氧气浓度 21%、RL=20 K。Rs=元件在不同气体，不同浓度下的电阻值。Ro=元件在洁净空气下的电阻值。图 3.4 MQ-4 型元件的温湿度特性图 3.4 给出了 MQ-4 型气敏元件的温湿度特性，其中 Ro：20，33%RH 条件下，1000ppm 甲烷中元件电阻；Rs：不同温度，湿度下，1000ppm 甲烷中元件电阻。
