信息科学与技术学院学士学位论文
定的成型装置，但是各种方法都有一定的缺陷，在本文中，根据测量环境及技术要求，采用了半导体式气敏元件法来检测气体浓度。
目前世界上可燃气体报警器的产品规格有300到400种。可燃气体检测设备从仪器结构上可检测方法上可分为便携式、袖珍式和固定式3类[15]。便携式检测仪器主要为泵吸式。泵吸式仪器一般带有较长的取样管，可用于危险作业场所（如管道、小水道、船舱、气罐等）对未知浓度的有害易燃易爆气体进行检测，适用于检测人员定期进行安全检测和日常检测；袖珍式仪器的检测方法主要以扩散法为主，适合于在危险作业环境中安全人员随身携带使用，由单一性和复合性两种；固定式检测仪器用于实施在线检测，安装与可能产生危险事故的现场，实现实时检测报警，检测方法通常以扩散法为主。
在许多野外或临时的危险场所采用单一的测试手段已不能满足安全需要，往往先进行泵吸法测试，然后再用其他方法对作业环境实行检测。目前国外已经出现了能将扩散法与泵吸法融为一体的检测仪器，采用一机分体多探头结构增加传感器的失效判断和实用功能，大大方便了用户。
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基于单片机的液化气检测报警器设计
2 系统的总体方案设计
2.1液化气报警器的工作结构和原理
液化气报警器是能够检测环境中的液化气浓度，并具有报警功能的仪器。该报警系统的最基本组成部分应包括：信号采集及前置放大电路、模数转换电路、单片机控制电路、声光报警电路和安全保护电路等部分组成[16]。
为适应家庭和工业等场所对可燃性易爆液化气安全性要求，基于本次只是一次实验性测试，不用于商业或其他方面的用途，所以设计的液化气报警器只具有报警状态、。报警器采用延时的工作方式，液化气检测报警器以AT89S51单片机为控制核心，选用MQ-N5半导体有机气体传感器采集液化气浓度信息，配合外围电路构成液化气报警系统。报警器系统结构如图2-1所示。 有 机 气 体 传 感 器 放大电路 A/ D 转 换 单 片 机 LED状态指示灯 蜂鸣器 数码管显示 图2-1 液化气报警器系统结构框图
该系统的工作由气体信号采集及放大电路将采集到的液化气浓度信息转化为放大的模拟电信号。模数转换电路再将该模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后送入单片机。单片机对该数字信号进行处理，并对处理后的数据进行分析。当输入A/D转换器的放大信号不为零时，启动报警电路。反之则为正常工作状态。
设计中为了方便检测，系统采用蜂鸣器声音报警或者还有LED闪烁状态作为警报信号。这种报警方法是在声音报警基础上，加入光闪报警。因为变化的光信号可以引起用户和家庭邻居的注意，弥补了在嘈杂环境中声音报警的局限，使得报警装置更加完善。另外由于气体传感器需要在加热状态下工作，温度越高，反应越快，
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响应时间和恢复时间就越快。为提高响应时间，保证传感器准确地、稳定地工作，报警器需要向液化气传感器持续输出一个5V的电压。以上是根据报警器应具备的功能，提出的整体设计思路。
2.2 传感器的选择
2.2.1有机气体传感器的介绍
有机气体传感器是模拟传感器[17]。它能将空气中的有机气体或一氧化碳浓度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。有机气体传感器就是通过监测环境中有机气体或一氧化碳的浓度来实现火灾防范的。当有机探头碰到有机气体或一氧化碳，有机探头内部阻值发生变化，产生一个模拟值，从而对其进行控制。有机气体传感器利用有机气体敏感元件的电阻受有机气体（主要是可燃颗粒）浓度影响阻值变化的原理向单片机发送有机气体浓度相应的模拟信号。
随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得有机气体探测器的体积也逐渐变小，提高了有机气体探测器的便携性，更加利于生产、运输和市场推广。目前，有机气体传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。
在国内的产品中，无论哪家生产的有机气体探测器，都可以探测到火灾的发生，都具有比较高的灵敏度，而且在安装中都比较简单。但是，由于各生产的设备不可通用，独立为正，不但不可彼此互相代替，更不可以互相通讯。使得用户面对众多厂家生产的有机气体探测器感到不知所措。而这也正是国内产品市场的一个重大缺陷。
（1）有机气体传感器的分类[18]
从构成气体传感器材料的形态上通常将它们分为干式和湿式气体传感器。由于对不同气体的检测方法不尽相同，目前主要的方法有：利用半导体气体器件检测的电气法；使用电极和电解液对气体进行检测的电化学法；利用气体对光的折射率或光吸收等特性来检测气体的光学法。 （2）有机气体传感器应满足的基本条件
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基于单片机的液化气检测报警器设计
一个有机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，任何一个完整的有机气体传感器都必须具备以下条件：
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； ⑤使用寿命长；
⑥制造成本低，使用与维护方便。
（3）常见的有机气体探测器种类及工作原理
为了确保家庭环境的安全，需要对各种可燃性气体、有毒性气体一氧化碳进行检测。但是，由于有机气体的种类繁多，一种类型的有机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气体，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。因此目前使用的气体传感器有很多种，各自的检测原理也各不相同，下面就对一些常用的液化气传感器进行介绍[19]。
（1）半导体气体传感器（半导体气敏传感器）
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。半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。按照敏感机理分类，半导体气体传感器可分为电阻式和非电阻式。当半导体接触到气体时，半导体的电阻值将发生变化，利用传感器输出端阻值的变化来测定或控制气体的有关参数，这种类型的传感器称为电阻式半导体气敏传感器；当MOS场效应管在接触到气体时，场效应管的电压将随周围气体状态的不同而发生变化，利用这种原理制成的传感器被称为非电阻式半导体气敏传感器。
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、
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输出信号强、耐久性强、结构简单、体积小、维修方便、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。但是其最大的缺点就是选择性较差。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。
（2）接触燃烧式传感器
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。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、钯等稀有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持300℃～400℃的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性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，就知道可燃性气体的浓度。使用接触燃烧式传感器，其最大的缺点是探头很容易发生阻缓和中毒现象。一般在连续使用两个月后应对该传感器进行维护。这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。
（3）电化学传感器
电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。即液化气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。
（4）高分子气体传感器
利用高分子气敏元件制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏元件在遇到特定气体时，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。高分子气敏元件由于具有易操作性、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，在毒性液化气和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。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）红外吸收型传感器
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