基于单片机的瓦斯浓度报警器检测器设计

基于单片机的瓦斯浓度报警器检测器设计内容摘要：

处理容易等优点。 按照结构可以分为烧结型（ a）、薄膜型（ b）和厚膜型（ c）如图 31。 河南理工大学毕业设计说明书 8 MQ5 介绍 工作原理： 电阻型半导体气敏传感器气敏元件的敏感部分是金属氧化物微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被测气体时，半导体微结晶粒子接触介面的导电电子比例就会发 生变化，从而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。 MQ5 技术指标： 本设计用的传感器元件时 MQ5，其 标准工作环境 如表 31。 符号 参数名称 技术条件 备注 VC 回路电压 ≤15V ACorDC VH 加热电压 177。 ACorDC RL 负载电阻 可调 RH 加热电阻 31Ω177。 3Ω 室温 PH 加热功耗 ≤900mw 工作环境条件如表 32。 表 3 1 MQ5 标准工作环境 图 3 1 半导体式瓦斯传感器结构 河南理工大学毕业设计说明书 9 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） 氧气浓度影响灵敏度特性 最小值大于 2% MQ5 特点 1） 用于可燃性气体的检测（ CH C4H H2 等） 2） 灵敏度高 3） 响应速度快 4） 输出信号大 5） 寿命长，工作稳定可靠 MQ5 灵敏度 特性 图 32 是传感器典型的灵敏度特性曲线。 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 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值。 图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 MQ5110100 1000 10000ppmRs/RoH2LPGCH4COalcoholAir表 32 MQ5 标准工作环境 图 32 传感器典型灵敏度曲线 河南理工大学毕业设计说明书 10 图 33 是传感器典型的温度、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 丙烷、不同温 /湿度下 传感器 的电阻值。 Ro 表示在含 1000ppm 丙烷、 20℃ /65%RH 环境条件 下 传感器 的电阻值。 MQ5 灵敏度调整 对于传感器的调整参数计算，可按照表 33 甲烷测试计算步骤并结合该传感器的特性表进行调整。 其中： RL=20kΩ； R0=； C=86； RL— 负载电阻； R0— 敏感体电阻； C— 常数，调整显示范围。 在灵敏度调整过程中，由于 MQ5 元件对于不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的，可以用 1000ppm 的20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH图 33 传感器典型温度湿 度特性曲线 表 3 3 甲烷测试计算 浓度 计算值 100 500 800 1000 2020 3000 5000 10000 Rs(kΩ) 显示读数 69 83 96 101 112 117 126 136 河南理工大学毕业设计说明书 11 异丁烷或氢气校正传感器。 MQ5 使用方法及注意事项 1） 元件开始通电工作时 ,没有接触可燃性气体 ,其电导率也急剧增加 1 分钟后达到稳定 ,这时方可正常使用 ,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。 2） 加热电压的改变会直接影响元件的性能 ,所以在规定的电压范围内使用为佳。 3） 元件在 接触标定气体 1000ppm C4H10 后 10秒以内负载电阻两端的电压可达到 (Vdg Va)差值的 80%(即响应时间 )。 脱离标定气体 1000ppm C4 H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到 (Vdg Va)差值的 80%(即恢复时间 )。 符号说明： 1） 检测气体中电阻 Rdg检测气体中电压 Vdg 2） Rdg与 Vdg的关系 :Rdg=RL(VC/Vdg1) 3）负载电阻可根据需要适当改动 ,不影响元件灵敏度。 使用条件 :温度 15~35℃。 相对湿度 45~75%RH。 大气压力 80~106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响 ,当元件在精密仪器上使用时 ,应进行温湿度补偿 ,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。 避免腐蚀性气体及油污染 ,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用。 MQ5 引脚说明 MQ5 外观如图 34。 结构图为图 35。 图 3 4 MQ5 外观 河南理工大学毕业设计说明书 12 MQ5 引脚与内部结构如图 36。 图 36 中各个部分说明如下表 34 部件 材料 1 气体敏感层 二氧化锡 2 电极 金 3 测量电极引线 铂 4 加热器 镍洛合金 5 陶瓷管 三氧化二铝 6 防爆网 100 目双层不锈钢 7 卡环 镀镍铜材 8 基座 胶木或尼龙 9 针状管脚 镀镍铜材 它由微型氧化铝陶瓷管、氧化锌敏感层，测量电极和加热器构成，敏感元件固定在图 36 MQ引脚 表 34 MQ5 部件说明 图 3 5 MQ5 结构图 河南理工大学毕业设计说明书 13 塑料或不绣钢制成的腔体内，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 个管脚，其中 4 个用于信号取出， 2 个用于提供加热电流。 图 37 中 ①、②、③分别表示 MQ5 型气敏传感器的引脚排布图、引脚功能图、使用接线图。 其中 HH 表示加热极（如 5V）， AA、 BB 传感器表示 敏感元件的 2 个极， 图③中“ V”为传感器的工作电压，同时也是加热电压。 加热电压取交直流 5V 均可。 当气敏传感器加热后，环境中的可燃气体浓度加大时，传感器的内阻将迅速减小，利用该特性结合分压原理，分析得知 Vout 的值将逐渐加大，当超过我们设定的阈值时，可产生相应的操作。 MQ5 运用中的等效电路如图 38。 图 38 MQ5 运用等效电路 图 37 MQ5型气敏传感器 河南理工大学毕业设计说明书 14 A/D 转换电路 A/D 转换器的种类 A/D 转换器的类型很多，根据转换方法的不同，最常用的 A/D 转换器有如下几种类型。 （ 1） 并行比较型 A/D 转换器 （ 2）双积分型 A/D 转换器 （ 3） 逐次比较型 A/D 转换器 1） 并行比较型 A/D 转换器 工作原理 图中的 8 个电阻将参考电压 VREF 分成 8 个等级，其中 7 个等级的电压分别作为 7个比较器 C1C7 的参考电压，其数值分别为 VREF/1 3VREF/15…、 13VREF/15。 输入电压为 V1，它的大小决定各比较器的输出状态，如当 0≤ v1VREF/15 时， C1C7 的输出状态都为 0；当 3VREF/15≤ v15VREF/15 时，比较器 C6=C7=1，其余各比较器的状态都为，可以确定输入模拟电压值与各比较器输出状态的关系。 比较器的输出状态由 D 触发器存储，经优先编码器编码，得到数字量输出。 优先编码器优先级别最高是 I7，最低的是 I1。 设 V1 变化范围是 0VREF，输出 3 位数字量为 D2D1D0， 3 位并行比较型 A/D 转换器的输入、输出关系如表 35 所示 模拟输入量 比较器输出状态 数字输出 Co1 Co2 Co3 Co4 Co5 Co6 Co7 D2 D1 D0 0≤ v1VREF/15 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 VREF/15≤ v13 VREF/15 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 3 VREF≤ v15 VREF/15 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 5 VREF≤ V17 VREF 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 7 VREF/15≤V19 VREF/15 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 表 35 3 位并行比较型 A/D 转换器的输入、输出关系 河南理工大学毕业设计说明书 15 续表 35 9 VREF/15≤V111 VREF/15 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 11 VREF/15≤V113 VREF/15 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 13 VREF≤ V1 VREF 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2） 双积分型 A/D 转换器 工作原理 双积分式 A/D 转换器是一种间接 A/D 转换器。 它的基本原理是，对输入模拟电压和参考电压分别进行两次积分，将输入电压平均值变换成与之成正比的时间间隔，然后利用时钟脉冲和计数器测出此时间间隔，进而得到相应的数字量输出。 由于该转换电路是对输入电压的平均值进行交换，所以它具有很强的抗工频干扰能力，在数字测量中得到广泛应用。 图 39 是双积分式 A/D 转换器的原理电路，它由积分器（由集成运放 A 组成），过零比较器（ C）、时钟脉冲控制门（ G）和定时 /计数器（ FF0FFn ）等几部分组成。 河南理工大学毕业设计说明书 16 3） 逐次比较型 A/D 转换器 工作原理 逐次比较型 A/D 转换器是目前采用最多的一种直接 A/D 转换器。 逐次逼近式 AD 转换器与计数式 A/D 转换类似，只是数字量由“逐次逼近寄存器 SAR”产生。 SAR 使用“对分搜索法”产生数字量，以 8 位数字量为例， SAR 首先产生 8 位数字量的一半，即10000000B,试探模拟量 Vi 的大小，若 V0Vi，清除最高位，若 VoVi,保留最高位。 在最高位确定后， SAR 又以对分搜索法确定次高位，即以低 7 位的一半 y1000000B(y 为已确定位 ) 试探模拟量 Vi 的大小。 在 bit6 确定后， SAR 以对分搜索法确定 bit5 位，即以低 6位的一半 yy100000B(y 为已确定位 ) 试探模拟量的大小。 重复这一过程，直到最低位 bit0被确定，转换结束。 n 位逐次比较型 A/D 转换器框图如图 310 所示。 它由控制逻辑电路、数据寄存器、移 位寄存器、 D/A 转换器及电压比较器组成。 图 39 双积分式 A/D 转换器的原理电路 河南理工大学毕业设计说明书 17 8 位D A C逐 次 逼 近 寄 存器 S A R控 制 电 路缓 冲 寄 存 器比 较 器—+启 动 信 号 SC L K转 换 结 束E O CV0ViD7D6D5D4D3D2D1D0 转换过程： (1)首先发出“启动信号”信号 S。 当 S 由高变低时，“逐次逼近寄存器 SAR”清 0，DAC 输出 Vo=0，“比较器”输出 1。 当 S 变为高电平时， “控制电路”使 SAR 开始工作。 (２ )SAR 首先产生 8位数字量的一半，即 10000000B,试探模拟量的 Vi 大小，若 VoVi，“控制电路”清除最高位，若 VoVi,保留最高位。 (３ )在最高位确定后， SAR 又以对分搜索法确定次高位，即以低 7 位的一半y1000000B(y 为已确定位 ) 试探模拟量 Vi 的大小。 在 bit6 确定后， SAR 以对分搜索法确定 bit5 位，即以低 6 位的一半 yy100000B(y 为已确定位 ) 试探模拟量 Vi 的大小。 重复这一过程，直到最低位 bit0 被确定。 (4)在最低位 bit0 确定后，转换结束，“控制电路”发出“转换结束”信号 EOC。 该信号的下降沿把 SAR 的输出锁存在“缓冲寄存器”里，从而得到数字量输出。 从转换过程可以看出： 启动信号为负脉冲有效。 转换结束信号为低电平。 这有点像数学中的二分法，如给一个数 a，先用 839。 b1000000（设为 b）与 a 相比 较，图 3 10 n位逐次比较型 A/D转换器 河南理工大学毕业设计说明书 18 如果 a 大于 b，则保留最高位 1，即原来的范围变成了 0739。 b1111111（第 8 位已确认）。 之后的过程都是这样，重复执行就可以了。 根据以上理论，举个例子，例如满量程应该是 5V，所以，第一次 DA 输出 ，输入电压与 比较，输入电压大，故而取 之间，即最高位保留 1。 然后在新的范围内取中间电压，即 ，依此类推。 A/。