基于单片机的瓦斯浓度检测器的设计毕业设计论文

基于单片机的瓦斯浓度检测器的设计毕业设计论文内容摘要：

𝐸0𝑅1/(𝑅1+ 𝑅2)(𝑅𝐹1 +𝑅𝐹2) (33) 则 E = k(𝑅𝐹1𝑅𝐹2)∆𝑅𝐹 (34) 图 31 接触燃烧式气体敏感元件的桥式电路 9 这样，在检测元件 F1 和补偿元件 F2 的电阻比 RF2/RF1 接近于 1 的范围内， A， B两点间的电位差 E，近似地与 ΔRF 成比例。 在此， ΔRF 是由于可燃性气体接触燃烧所产生的温度变化 (燃烧热 )引起的，是与接触燃烧热 (可燃性气体氧化反应热 )成比例的，即 FR 可以用下面的公式来表示 ∆𝑅𝐹 = ε∆T = ε∆𝐻𝐶 = 𝜀𝛼𝑚𝑄𝐶 (35) ε， C 和 α 的数值与检测元件的材料、形状、结构、表面处理方法等因素有关。 Q 是由可燃性气体的种类决定。 因而，在一定条件下，都是确定的常数。 则 kmbE b = εαm𝑄𝐶 (36) 即 A、 B 两点间的电位差与可燃性气体的浓度 m 成比例。 如果在 A、 B 两点间连接电流计或电压计，就可以测得 A、 B 间的电位差 E，并由此求得空气中可燃性气体的浓度。 若与相应的电路配合，就能在空气中当可燃性气体达到一定浓度时，自动发出报警信号。 结构 如图 32， 用高纯的铂丝 ,绕制成线圈 ,为了使线圈具有适当的阻值 (1Ω～ 2Ω ),一般应绕 10 圈以上。 在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层 ,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。 将烧结后的小球 ,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中 ,充分浸渍后取出烘干。 然后经过高温热处 理 ,使在氧化铝 (氧化铝一氧化硅 )载体上形成贵金属触媒层 ,最后组装成气体敏感元件。 除此之外 ,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状 ,涂覆在铂丝绕成的线圈上 ,直接烧成后备用。 另外，作为补偿元件的铂线圈 ,其尺寸、阻值均应与检测元件相同。 并且 ,也应涂覆氧化铝或者氧化硅载体层 ,只是无须浸渍贵金属盐溶液或者混入贵金属触媒粉体 ,形成触媒层而已。 10 半导体式瓦斯传感器的结构及原理 半导体式瓦斯传感器是以金属氧化物 SnO2 为主体材料的 N 型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。 其具有结构简单、成本低、可靠性高，稳定性好、信号处理容易等优点。 按照结构可以分为烧结型 （ a） 、薄膜型 （ b） 和厚膜型 （ c） 如图 33。 图 3 1 气敏元件结构 11 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，其技术指标如表 31。 加热电压（ Vh） AC 或 DC 5177。 响应时间 (trec) ≤ 10S 加热电压（ Vh） 最大 DC 24V 恢复时间 (trec) ≤ 30S 负载电阴（ Rl） 2KΩ 元件功耗 ≤ 清洁空气中电阻（ Ra） ≤ 2020 KΩ 检测范围 50—10000ppm 灵敏度（ S=Ra/Rdg） ≥ 4(在1000ppmC4H10中 ) 使用寿命 2 年 表 3 1 MQ5 技术指标 图 3 2 半导体式瓦斯传感器结构 12 MQ5 特点 （ CH C4H H2 等） ，工作稳定可靠 MQ5 灵敏度 图 34 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。 图 35 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。 MQ5110100 1000 10000ppmRs/RoH2LPGCH4COalcoholAir图 34 传感器典型灵敏度曲线 13 气体浓度与读数的关系 气体浓度与读数的 关系如 表 32，所示 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 20 10 0 10 20 30 40 50 ℃Rs/R060%RH30%RH85%RH图 35 传感器典型温度湿度特性曲线 表 3 2 浓度 计算值 100 500 800 1000 2020 3000 5000 10000 𝐑𝐬𝑹𝟎 Rs(kΩ) V0= 𝑹𝑳𝑹𝑳+𝑹𝒔(𝑽) 显示读数 =𝑽𝟎𝟓 𝟐𝟓𝟓−𝑪 69 83 96 101 112 117 126 136 14 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 36。 结构图为图 37。 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。 封装好的气敏图 3 4 MQ5 结构图 图 3 3 MQ5 外观 15 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 38 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。 结构如图 38。 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。 热阻体式气体传感器原理 热阻式（ 热电堆 式热流传感器或称温度梯度型热流传感器）是应用最普遍的一类热流传感器。 这类传感器的原理是：当有热流通过热流传感器时，在传感器的热阻层上产生了温度梯度，根据付立叶定律就可以得到通过传感器的热流密度，设热流矢量方向是与等温面垂直： q = dQ / ds = λdT / dX (37) 式中： q 为热流密度； dQ 为通过等温面上微小面积， dS 流过的热量； dT / dX 为垂直与等温面方向的温度梯度 ； λ 为材料的导热系数；如果温度为 T 和 T + ΔT 的两个等温面平行时： q = λΔT / ΔX (38) 式中： ΔT 为两等温面的温差； ΔX 为两等温面之间的距离。 只要知道热阻层的厚度 ΔX，导热系数 λ，通过测到的温差 ΔT 就可以知道通过的热流密度。 当用一对热电偶测量温差 ΔT 时，这个温差是与热流密度成正比的，温差的数图 3 5 MQ5型气敏传感器 16 值也与热电偶产生的电动势的大小成正比例，因此测出温差热电势就可以反映热流密度的大小： q = KrE (39) 式中： Kr 为热流传感器的分辨率， W/(㎡ μv)； E 为测头温差热电势； 分辨率 Kr 是热阻式热流计的重要性能参数，其数值的大小反映了热流传感器的灵敏度。 Kr 数值越小则热流传感器越灵敏，其倒数被称为热流传感器的灵敏度 Ks（ Ks=1/Kr）。 为了提高热流传感器的灵敏度，需要加大传感器的输出信号，因此就需要将众多的热电偶串联起来形成热电堆，这样测量的热阻层两边的温度信号是串连的所有 热电偶信号的逐个叠加，信号大能反映多个信号的平均特性。 热电堆 是热阻式热流传感器的核心元件，也是其他辐射式热流传感器的核心元件。 A/D 转换电路 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。 并行比较型 A/D 转换器 1. 并行比较型 A/D 转换器的电路 原理图 3 位并行比较型 A/D 转换器原理电路图如图 39，它由电阻分压器、电源比较器、寄存器及编码器组成 17 2. 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 所示 图 39 3 位并行比较型 A/D 转换器原理 18 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 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 3. 特点 （ 1） 由于转换是并行的，其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间的限制，因此转换速度最快。 （ 2）随着分辨率的提高，元件数目要按几个级数增加。 一个 n 位转换器，所用比较器的个数为 2n1，如 8 位的并行 A/D 转换器就需要 281=255 个比较器。 由于位数越多，电路越复杂，因此制成分辨率较高的集成并行 A/D 转换器是比较困难的。 （ 3）精度取决于分压网络和比较电路。 （ 4）动态范围取决于 VREF。 4. 改进方法 为了解决提高分辨率和增加元件数的矛盾，可以采取分级并行转换的方法。 10 位分级并行 A/D 转换原理如图 310 所示。 图中模拟信号 V1，经取样 保持电路后分两路，一表 33 3。