气体检测.docx
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气体检测
引言
随着信息时代的到来，作为获取信息手段之一的传感器技术得到了显著的发展，其应用领域越来越广，对其要求越来越高，需求也越来越迫切。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。
但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能直接影响系统性能的好坏。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析和了解，才能将传感器和信息通信以及信息处理结合起来，来适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了提高生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
可燃气体传感器便是其中重要的一类传感器。
现在，人们对可燃气体的使用越来越多，它给我们带来很多便利，但是如果不注意可燃气体的使用安全，可燃气体同样会给我们带来祸害。
当空气中的可燃性气体达到一定浓度时就会发生自燃自爆的危险，波及面大，后果将十分严重。
易燃易爆的可燃性气体泄露如不及时发现并处理，将会造成燃烧，爆炸，危及到人民生命财产的安全。
因此，可燃性气体的检测在化工、石油、电力、环保等部门以及人们的日常生活中显得尤其重要。
石化厂、煤气站、油库等场所对泄漏可燃气体的监控、报警是确保安全隐患的关键措施。
近年来煤气爆炸事件时有发生，对人们的生命构成了严重的威胁，因此如果能放置一个可燃气体浓度检测装置，当有可燃气体泄露时进行报警，提醒人们采取补救措施就显得十分必要。
1概述
可燃气体是人类使用比较多的一种能源，它给我们的生活带来方便的同时也会给我们带来潜在的安全隐患。
随着人类的进步，各种先进技术被应用于安防当中。
如今，人们一直在研究可燃气体的监测技术，经过多年的发展，现在有了众多灵敏度非常高的可燃性气体传感器，使人们更加容易、方便的检测到空气中的可燃气体的浓度。
单片微型计算机是现在智能电路中使用较多的器件，这种单片微型计算机简称单片机，它被应用于各种场合，给人们的生活带来了极大的方便。
A/D转换器用于将现实中的模拟信号转化为数字信号。
2可燃气体传感器
2.1可燃气体传感器探测原理
气敏传感器是一种能感知环境中某种气体浓度的传感器，它利用化学、物理效应把某些气体的浓度信息变换成电信号。
半导体式气敏元件是应用最广的气敏元件，它是用具有半导体特性的金属氧化物材料制成的气敏元件，当其与某种气体接触时，表面吸附的气体导致半导体载流子浓度发生变化，引起电导率变化，电阻值也随之变化，根据这种变化可以检测出气体的成分和浓度，因此半导体式气敏元件可视为是一种气敏电阻器。
其中，旁热式SnO气敏器件最为常用。
旁热式气敏器件是一个表面烧结有SnO厚膜气体敏感层的薄壁陶瓷管，敏感层两端设有一对金电极，分别用铂铱合金丝引出后焊接在管座插腿上，在薄壁陶瓷管内装有一根绕成螺旋形的镍铬合金电阻丝作为加热器，电阻值为30～40欧。
传感器工作时，电阻丝通电发热，将薄壁陶瓷管上SnO敏感层加热至200*2～400*2，这时氧化锡气敏器件电阻值较小，并能够提高传感器的响应速度。
由于薄壁陶瓷管热容量大，减少了环境温度变化、气流流动对传感器工作的影响。
2.2MQ-6的结构和测量电路
本次毕业设计用的是型号为MQ-6可燃气体传感器。
MQ-6气敏元件的结构和外形如图2-1所示（a或b），由微型陶瓷管、SnO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6只针状管脚，其中4只用于信号取出，2只用于提供加热电流。
图2-1（a）MQ-6的结构和外形图2-1（b）MQ-6的结构和外形
测量电路如图2-2所示：
图2-2MQ-6的测量电路
2.3MQ-6气体传感器的技术参数
（1）MQ-6的规格如表2-1，表2-2，表2-3和图2-3所示。
表2-1标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
表2-2环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
Rh
相对湿度
小于 95%Rh
O2
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2％
表2-3灵敏度特性
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体电阻
10KΩ-60KΩ
（1000ppmLPG）
探测范围：
100-10000ppm
LPG,丁烷，丙烷，
LNG
α（1000ppm/
4000ppmLPG）
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Vc:
5.0V±0.1V
对湿度：
65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24秒
灵敏度特性曲线如图2-3
图2-3MQ-6灵敏度特性曲线
（2）MQ-6的特点：
①对液化气，丁烷，丙烷有较高的灵敏度；
②对乙醇蒸汽，烟雾几乎不响应;
③快速的响应恢复特性；
④具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；
⑤简单的驱动电路。
（3）MQ-6的应用：
MQ-6适用于家庭或工业上对LPG，丁烷，丙烷，LNG的检测装置。
具有优良的抵抗乙醇蒸汽、烟雾干扰的能力。
（4）MQ-6灵敏度的调整:
MQ-6型气敏器件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏器件时，灵敏度的调整是很重要的。
我们建议用1000ppm液化气或1000ppm丁烷校正传感器。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
3单片机
随着集成电路技术的发展，单片微型计算机（简称单片机）的功能也不断增强，许多高性能的新型机种不断涌现出来。
在自动化装置、智能化仪器仪表和家用电器等领域得到了广泛的应用。
AT89S系列单片机是美国ATMEL半导体公司继AT89C系列之后推出的功能更强的新产品。
AT89S系列与AT89C系列相比，运算速度有了较大的提高，它的静态工作频率为0～33MHz，片内集成有双数据指针DPTR、定时监视器（watchdogtimer，又称看门狗）、低功耗休闲状态及关电方式、关电方式下的中断恢复等诸多功能，极大地满足了各种不同的应用场合要求。
AT89S52是AT89S系列中的增强型高档机产品，它片内存储器容量是AT89S51的一倍，即片内8KB的Flash程序存储器和256KB的RAM。
另外，它还增加了一个功能极强的，具有独特应用的16位定时/计数器2等多种功能。
而且，AT89S52单片机与MCS-51系列完全兼容，因此，AT89S52受广大用户的青睐并被选择作为学习和应用系统的主机。
下面大致介绍一下AT89S52。
3.1功能特点
AT89S52具有8K字节的Flash存储器，256字节的RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口通道，片内晶振及时钟电路，三级加密程序存储器，电源下降标志等。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3.2中央处理器（CPU）
AT89S52的核心部件是一个字长为8位的高性能中央处理器（CPU）。
它是AT89S52的指挥中心、执行机构。
它的作用是读取和分析指令，并根据指令的功能要求，指挥指定操作，完成指令所要求的处理功能。
CPU一般由运算器ALU、定时控制部件、若干寄存器等通过内部总线连成一个整体而构成。
3.3单片机引脚介绍
下面，根据单片机的原理来介绍单片机各引脚相应的功能。
（1）电源引脚
VCC（40脚）：
电源供电电压接4.0～5.0V。
GND（20脚）：
接地。
（2）时钟引脚
XTAL1（19脚）：
接外部晶振的一个引脚。
CHMOS单片机采用外部时钟信号时，时钟信号由此引脚输入。
XTAL2（18脚）：
接外部晶振的另一个引脚，HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此接入。
（3）复位、锁存和选通引脚
RST（9脚）：
复位信号输入端。
振荡器起振后，该引脚置高电平，并持续2个机器周期以上系统进行复位。
特殊功能寄存器AUXR（地址8EH）中的DISRT0位可以使复位无效。
默认的DISRT0位状态，RST引脚上的高电平有效。
掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持内部RAM中的数据。
ALE/
（30脚）：
ALE为地址锁存使能端、当访问外部器件时ALE的负跳变将低8位地址输入锁存器。
在Flash编程时输入编程脉冲（
）。
在非访问外部器件期间，ALE仍以1/6振荡频率的常量输出，可用于外部计数或时钟信号。
当访问外部数据器件时将跳过一个ALE脉冲。
如果需要，可对特殊功能寄存器区的地址为8EH单元的D0位置“1”可禁止ALE输出。
而只有在执行MOVX或MOVC等指令时ALE才被激活，仍输出锁存有效，否则被微弱拉高。
在执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。
（29脚）：
访问外部程序存储器读选通信号。
取指令操作期间，
的频率为振荡频率的1/6。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生两次有效信号，即输出两个
有效脉冲。
在执行片内程序存储器取指令码时不产生此脉冲，在读写外部数据时，亦不产生
信号。
/
（31脚）：
为访问内部或外部程序存储器选择信号，当CPU一开始就（从0000H～FFFFH单元）访问外部程序存储器，则
必须保持低电平（接GND端），如果保密位被编程，则复位时内部会锁存
端的状态。
当
端保持高电平（接VCC）时则CPU首先从片内0000H单元开始执行内部程序存储器程序；如果外部还有扩展程序存储器，则CPU在执行完内部程序存储器程序后自动转向执行外部程序存储器程序。
为Flash编程电压。
在对片内Flash编程时，此引脚施加12V编程允许电压（如果选用的Flash编程电压是12V允许值的话）。
（4）多功能I/O口引脚
P0口（39～32脚）：
8位并行I/O口，作为输出口时，每个管脚可以带8个TTL负载。
在外扩存储器时，它定义为低8位地址/数据总线。
当定义为I/O口时，为准双向I/O口，需要外接上拉电阻，在写入“1”后就成为高阻抗输入口。
在对片内Flash编程时P0口接收字节代码，在程序校验时输出字节代码。
程序校验期间应外接上拉电阻。
P1口（1～8脚）：
内接上拉电阻的8位准双向I/O口，可以负担4个TTL负载。
在Flash编程和校验时定义为低8位地址线。
它的第二功能如下：
P1.0（1脚）：
定时/计数器T2的外部计数输入；
P1.1（2脚）：
定时/计数器T2捕获/再装入触发及方向控制；
P1.5（6脚）：
MOSI（用于系统内部编程）；
P1.6（7脚）：
MISO（用于系统内部编程）；
P1.7（8脚）：
SCK（用于系统内部编程）。
P2口（21～28脚）：
内接上拉电阻的8位准双向I/O口。
可以负担4个TTL负载。
当访问外部存储器时，定义为高8位地址总线，只需8位地址线时，它将输出特殊功能寄存器（锁存器）中的内容。
注意：
当P2口的极为作为地址使用时，剩下的P2口不能作为I/O口线使用。
P3口（10～17脚）：
内接上拉电阻的8位准双向I/O口。
可以负担4个TTL负载。
它的第二功能如下：
P3.0（10脚）：
RXD（串行输入端口）；
P3.1（11脚）：
TXD（串行输出端口）；
P3.2（12脚）：
（外部中断0请求端）；
P3.3（13脚）：
（外部中断1请求端）；
P3.4（14脚）：
（定时/计数器0外部计数输入端）；
P3.5（15脚）：
（定时/计数器1外部计数输入端）；
P3.6（16脚）：
（外部数据写选通）；
P3.7（17脚）：
（外部数据读选通）。
（5）特殊功能寄存器
AT89S52单片机共有21个字节的特殊功能寄存器SFR（specialfuctionregiters）,起着专用寄存器的作用，可用来设置片内电路的运行方式，记录电路的运行状态，并表明有关标志等。
此外，并行和串行I/O端口也映射到特殊功能寄存器，对这些寄存器的读/写，可实现从相应I/O端口的输入和输出操作。
①累加器A
累加器A是运算过程中的暂存寄存器，用于提供操作数和存放操作结果。
其他大部分操作也都要用到累加器A，所以它是应用最为频繁的寄存器。
在结构上通过内部总线直接与ALU相连，一般信息的传递和交换都要通过累加器A。
为了提高运算速度，压缩程序长度，在内部结构上采取了一些措施，对一部分指令的执行将累加器A旁路，以直接或间接地址寻址的方式使数据可以从片内的任意地址单元直接送到另一个单元，从而不经过累加器A。
这就提高了部分指令的操作速度，增强了实时性。
②寄存器B
寄存器B一般用于乘、除法操作指令，与累加器A配合使用。
它里面存放的第二操作数、乘积的高位字节或除法的余数部分。
其他情况下可以作为一般寄存器或者中间结果的暂存器使用。
③程序状态寄存器PSW
这是一个8位寄存器，用于寄存当前指令执行后的有关状态，为以后指令的执行提供状态条件。
AT89S52的PSW是可编程的。
PSW包括以下八种状态：
CY：
进、借位标志。
反映运算中最高位有无进、借位情况。
加法为进位，减法为借位。
有进、借位时，CY=1；无进、借位时，CY=0.
AC:
辅助进、借位标志。
反映运算中高半字节与低半字节的进、借位情况。
AC=1有进、借位；AC=0，无进、借位。
F0：
用户标志位。
可由用户设定起含义。
:
工作寄存器组选择位。
取值为00～11，分别选工作寄存器组0～3组。
OV：
溢出标志位。
补码运算的运算结果有溢出，OV=1,无溢出，OV=0.OV的状态由补码运算中的最高位进位（D7位的进位CY）和次高位进位（D6位的进位CY-1）的异或结果决定。
—：
无效位。
P:
奇/偶标志位。
反映对累加器A操作后，A中“1”个数的奇偶。
A中奇数个“1”，P=1;A中偶数个“1”，P=0。
④堆栈指针SP
AT89S52是在片内RAM中开辟的一个存储区域。
栈顶的地址码由栈指针SP指示。
SP是一个8位的增量寄存器，它指示的堆栈深度为0～255个存储单元。
AT89S52允许用户通过软件定义片内RAM的某一个连续区域单元作为堆栈。
数据进栈时SP先自动增“1”，然后将欲进栈的数据压入由SP所指示的堆栈单元；弹出时将SP所指示的堆栈单元内的数据推出栈，然后SP自动减“1”。
因而，SP总是指向装有数据的栈顶。
在系统复位后，栈指针SP的初始值为07H，即栈底为08H单元。
这显然与工作寄存器区域重叠，因此必须通过软件重新定义SP，在片内RAM中开辟一个合适的堆栈区域。
⑤数据指针DPTR
数据指针DPTR是个独特的16位寄存器，它由两个独立的8位寄存器DPH和DPL组合而成，既可以作为16位数据指针DPTR用，又可以分开以8位的寄存器（DPH、DPL）各自单独使用。
它常用于访问64KB范围内的任意地址单元。
AT89S52设有两个DPTR，分别为DP0（DP0H、DP0L）和DP1（DP1H、DP1L），通过软件对特殊功能寄存器AUXR1（片内RAMSFR区，地址为A2H）的DPS位进行设置选择，当DPS=0，选择DP0，DPS=1则选择DP1。
两个DPTR便于访问内部或者外部的有关数据单元。
4系统硬件设计
经过对核心部件MQ-6可燃气体传感器、ADC0809和单片机芯片AT89S52的深入了解，以及对报警、显示等辅助电路的资料查阅后，形成了最终的系统电路，电路原理框图如图4-1所示。
图4-1电路原理框图
下面对硬件电路的各模块电路做详细的介绍。
4.1电源电路
AT89S52所需的供电电压为4.0～5.0V，所以可以接5V的稳压电源。
在这里加接一个4.7K的电阻和一个发光二极管组成电源显示电路。
电阻用来限流，发光二极管用来显示电源是否接通。
如图4-2所示。
4.2转换电路
转换电路包括MQ-6型传感器和ADC0809芯片。
其中，MQ-6型传感器通过采集空气中测试气体的浓度并把它转换为电信号，电信号经过ADC0809则由模拟信号变为数字信号，最后电压以数字信号的形式进入单片机。
电路图如图4-3（a）和4-3（b）。
在4-3（a）中，要注意引脚连接顺序，不能接错，否则无法采集测试气体的浓度值。
图4-2电源电路
图4-3（a）MQ-6结构图图4-3（b）ADC0809
4.2.1ADC0809原理
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的逻辑控制CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接连接。
ADC0809非常适用于过程控制、微控制器输入通道的接口电路、智能仪器和机床控制等领域。
其内部结构图如图4-4所示。
图4-4ADC0809的内部逻辑结构
由图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁存器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的据。
下面分别介绍一下ADC0809的各个引脚极其功能：
（1）IN0～IN7是8条模拟量输入通道。
ADC0809对模拟输入量要求：
信号单极性，电压范围是0－5V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如果模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。
（2）ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
A，B，C为地址输入线，用于选通IN0－IN7上的一路模拟输入量。
当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进入A/D转换器进行转换。
（3）ST为启动转换信号。
当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。
（4）EOC为转换结束信号。
当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。
（5）OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。
OE＝1时，输出转换得到的数据；OE＝0时，输出数据线呈高阻态。
（6）D7－D0为数字量输出线。
（7）CLK为时钟输入信号线。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。
（8）VREF（＋），VREF（－）为参考电压输入。
ADC0809使用说明：
（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连；
（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平；
（3）把要转换的通道地址送入到A，B，C端口上；
（4）在ST端输出一个至少有100ns宽的正脉冲信号；
（5）是否转换完毕，根据EOC的信号来判断；
（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换后的数据输出给单片机。
主要特性：
（1）8路8位A／D转换器，即分辨率8位；
（2）具有转换起停控制端；
（3）转换时间约为128μs；
（4）单个＋5V电源供电；
（5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准；
（6）工作温度范围为-40～＋85摄氏度；
（7）低功耗，约为15mW；
（8）转换精度为±0.4%；
（9）可锁存三态输出，输出与TTL兼容。
4.3液晶显示驱动模块
4.3.1LCD1602液晶主要功能
（1）40通道点阵LCD驱动；
（2）可选择当作行驱动或列驱动；
（3）输入/输出信号:
输出,能产生20×2个LCD驱动波形;输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压（V1∽V6）；
（4）通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来。
4.3.2LCD1602液晶引脚和指令功能
（1）LCD1602液晶与单片机的连接如图4-5所示。
图4-5LCD1602液晶与单片机的连接
（2）LCD1602液晶引脚功能
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示。
表4-1LCD1602液晶引脚接口说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
4.3.3LCD1602的RAM地址映射
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在，哪里显示字符，LCD1602的内部显示地址如图4-6所示。
图4-6LCD1602的内部显示地址
4.3.4LCD1602液晶模块内部的控制器指令
LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制如表4-2所示。
表4-2LCD1602液晶模块内部的控制器指令
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/
升级会员 