1、.毕业论文可燃气体报警器的设计2013 年 5 月.毕业论文可燃气体报警器学 生 姓 名： 专 业 班 级： 自动化 3102 指 导 教 师： 完 成 日 期： 2013 年 4 月 30 日 摘 要本设计简单、方便、成本低，采用的是比较优化的电路设计方案；以单片机STC89C51 为核心检测酒精 浓度, 利用简易的气敏传感器进行呼出气体信号采集，通过单 片机对采集来的信号进行处理后，以 显示人体血液中酒精浓度值。 该设计操作方便、性能良好，比较符合相关部门进行安 检的需要。本文 还详细的给出了相关的硬件框图和软件流程图，并编制了该汇编语言程序。.关键词：单片机；气体传感器；酒精测试仪.目
2、录摘 要 .I目 录 .II第一章 绪 论 .11.1 主要特性 .11.2 主要原理及分类 .2第二章 设计方案 .52.1 课题背景 .52.2 课题意义 .52.3 酒精浓度检测仪设计要求分析 .52.4 酒精浓度检测仪设计方案 .6第三章 硬件设计 .73.1 传感器的选择 .73.1.1 MQ-3 型气敏传感器技术指标 .83.1.2 MQ-3 型气敏传感器的输出特性 .93.2 系统功能 .93.3 模块设计 .103.3.1 处理模块 .103.3.2 显示模块 .113.3.3 键盘模块 .123.3.4 A/D 转换模块 .133.3.5 声音报警模块 .153.3.6 电源
3、模块 .16第四章 软件设计 .174.1 主程序流程概述 .174.2 键盘扫面子程序 .184.3 A/D 转换与比较子程序流程图 .19结 论 .21参考文献 .22参考程序 .23致 谢 .30.第 1 章 绪 论气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。
4、 1.1 主要特性 （1）稳定性 稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理 ,k 想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于 10%。 （2）灵敏度 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(TLV-thresh-old limit v
5、alue)或最低爆炸限(LEL-lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。（3）选择性 选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 （4）抗腐蚀性 抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数 1020 倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。.气体传感器的基本特征，即灵
6、敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。 1.2 主要原理及分类通常以气敏特性来分类，主要可分为：半导体型气体传感器、电化学型气体传感器、固体电解质气体传感器、接触燃烧式气体传感器、光化学型气体传感器、高分子气体传感器（1）半导体气体传感器半导体气体传感器是采用金属氧化物或金属半导体氧化物材料做成的元件，与气体相互作用时产生表面吸附或反应，引起以载流子运动为特征的电导率或伏安特性或表面电位变化。这些都是由材料的半导体性质决定的。 电阻式半导体气体传感器主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜(例如：S
7、n02，ZnO Fe203，Ti02 等)制成的阻抗器件，其电阻随着气体含量不同而变化。气味分子在薄膜表面进行还原反应以引起传感器传导率的变化。为了消除气味分子还必须发生一次氧化反应。传感器内的加热器有助于氧化反应进程。它具有成本低廉、制造简单、灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。不足之处是必须工作于高温下、对气味或气体的选择性差、元件参数分散、稳定性不够理想、功率要求高.当探测气体中混有硫化物时，容易中毒。非电阻式半导体气体传感器是 MOS 二极管式和结型二极管式以及场效应管式(MOSFET)半导体气体传感器。其电流或电压随着气体含量而变化，主要检测氢和硅烧气等可燃性
8、气体。其中，MOSFET 气体传感器工作原理是挥发性有机化合物(VOC)与催化金属(如钮)接触发生反应，反应产物扩散到 MOSFET的栅极，改变了器件的性能。通过分析器件性能的变化而识别 VOC。通过改变催化金属的种类和膜厚可优化灵敏度和选择性，并可改变工作温度。MOSFET 气体传感器灵敏度高，但制作工艺比较复杂，成本高。 （2）电化学型气体传感器电化学型气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式和离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数，市售的检测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。可控电位电解式传感器
9、是通过测量电解时流过.的电流来检测气体的体积分数，和原电池式不同的是，需要由外界施加特定电压，除了能检测 CO，NO，N02，02，S02 等气体外，还能检测血液中的氧体积分数。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流来检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器出现得较早，通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数已电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高、选择性好。（3）固体电解质气体传感器 固体电解质气体传感器是一种以离子导体为电解质的化学电池。20 世纪70 年代开始，固体电解质气体传感器由于电导率高、灵敏度和选择性好，获得了迅速的发展，现在几乎应用于环保、节能、矿业、汽
10、车工业等各个领域，其产量大、应用广，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。（4）接触燃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，其工作原理是气敏材料(如 Pt 电热丝等)在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而生温，从而使其电阻值发生变化。这种传感器对不燃烧气体不敏感，例如在铅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，即能检测各种可燃气体。这种传感器有时称之为热导性传感器，普遍适用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。该传感器在环境温度下非常稳定，并能对处于爆炸下限的绝大多数可燃性
11、气体进行检测。 （5）光学式气体传感器 光学式气体传感器包括红外吸收型、光谱吸收型、荧光型、光纤化学材料型等，主要以红外吸收型气体分析仪为主，由于不同气体的红外吸收峰不同，通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前的最新动向是研制开发了流体切换式、流程直接测定式和傅里叶变换式在线红外分析仪。该传感器具有高抗振能力和抗污染能力，与计算机相结合，能连续测试分析气体，具有自动校正、自动运行的功能。光学式气体传感器还包括化学发光式、光纤荧光式和光纤波导式，其主要优点是灵敏度高、可靠性好。光纤气敏传感器的主要部分是两端涂有活性物质的玻璃光纤。活性物质中含有固定在有机聚合物基质上的荧光染料，当 VOC 与荧
12、光染料发生作用时，染料极性发生变化，使其荧光发射光谱发生位移。用光脉冲照射传感器时，荧.光染料会发射不同频率的光，检测荧光染料发射的光，可识别 VOC。 （6）高分子气体传感器 近年来，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：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
13、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。浓差电池式气体传感器 浓差电池式气体传感器的工作原理是：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。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
14、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。 石英振子式气体传感器 石英振子微秤(QCM)由直径为数微米的石英振动盘和制作在盘两边的电极构成。当振荡信号加在器件上时，器件会在它的特征频率。30MHz)发生共振。振动盘上淀积了有机聚合物，聚合物吸附气体后，使器件质量增加，从而引起石英振子的共振频率降低，通过测定共振频率的变化来识别气体。高分子气体传感器，对特定气体分子的
15、灵敏度高、选择性好，结构简单，.可在常温下使用，补充其他气体传感器的不足，发展前景良好。第二章 设计方案2.1 课题背景近年来，我国越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频繁发生。近日河北省又上演因酒驾造成的悲惨一幕，17 岁妙龄少女被酒驾司机拖行 700 米身亡，这不得不使我们警醒。据 2008 年世界卫生组织的事故调查显示，大约 5060的交通事故与酒后驾驶有关，酒后驾驶已经被列为车祸致死的主要原因。我国，每年由于酒后驾车引发的交通事故达数万起；而造成死亡的事故中 50以上都与酒后驾车有关，酒后驾车的危害触目惊心，已经成为交通事故的第一大“杀手” ，从 2011 年 5
16、月 1 号起我国实施“醉驾入刑” 。因此本课程设计的是一种以气敏传感器和单片机 A/D 转换器为主，检测驾驶员呼出气体的酒精浓度，并具有声光报警功能的空气酒精浓度监测仪。2.2 课题意义（1）通过这次课程设计，加深对单片机理论方面的理解。（2）掌握单片机的内部模块的应用，如定时器/计数器、中断、片内外存储器、I/O 口、串行口通讯等。（3）了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，为以后设计和实现单片器应用系统打下良好基础。（4）通过简单课题的设计练习，了解必须提交的各项工程文件，也达到巩固、充实和综合运用所学知识解决实际问题的目的。（5）希望通过该酒精测试仪可以检测驾驶员呼出气体
17、中酒精含量多少，帮助有关部门用来对饮酒司机的醉酒程度来进行具体的处理，有效减少因酒驾造成的交通事故。也可以用在其他场合检测人体呼出气体的酒精含量，避免人员伤亡和财产的损失。2.3 酒精浓度检测仪设计要求分析设计的酒精浓度测试仪应具有如下特点：（1）数据采集系统以单片机为控制核心，外围电路带有LED显示以及键盘响应电路，无需要其他计算机，用户就可以与之进行交互工作，完成数据的采集、存储、计算、分析等过程。.（2）系统具有低功耗、小型化、高性价比等特点。（3）从便携式的角度出发，系统成功使用了数码管显示器以及小键盘。由单片机系统控制键盘和LED显示来实现人机交互操作，界面友好。（4）软件设计简单易懂。2.4 酒精浓度检测仪设计方案设计时，考虑酒精浓度是由传感器把非电量转换为电量，传感器输出的是0-5伏的电压值且电压值稳定，外部干扰小等。因此，可以直接把传感器输出电压值经过A/D转换器转换得到数据送入单片机进行处理。此外，还需接人LED显示，4*4键盘，报警电路等。其总体框图如图2-1所示。被测环境气敏传感器A/D 转换电路 单片机声光报警电路LED 显示键盘图 2-1 基本工作原理图
