基于单片机的液化气检测报警器设计(4)

基于单片机的液化气检测报警器设计

红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器NDIR (non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。

由于不同的气体吸收不同波长的IR，所以传感器根据目标气体而调整，典型应用包括测量CO和CO2、冷冻剂气体和一些易燃气。由于非碳氢化合物易燃气体(如氢)不吸收电磁谱中IR部分的能量，所以这种传感器可以精确地测量碳氢化合物，并具有最小的交叉灵敏度，而且不受其它气体的腐蚀以及高浓度目标气体的影响。

（6）离子感烟传感器

离子感烟传感器对于火灾初起和阴燃阶段的气体气溶胶检测非常有效，可测气体粒径范围为0.03um-10um。它在内外电离室里面有放射源镅241。由于它能使两极板间空气分子电离为正、负离子，使电极之间原来不导电的空气具有导电性。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。当火灾发生时，气体粒子进入电离室后，电力部分（区域）的正离子和负离子被吸附到气体粒子上，使正、负离子相互中和的概率增加，从而将气体粒子浓度大小以电流变化量大小表示出来，实现对火灾参数的检测。

（7）光电式感烟传感器

光电式感烟传感器由光源、光敏元件和电子开关组成。平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有液化气从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，利用光散射原理对火灾初期产生的液化气进行探测，并及时发出报警信号。按照光源不同，可分为一般光电式、激光光电式、紫外光光电式和红外光光电式等4种。

光电式感烟探测器发展很快，种类不断增多，就其功能而言，它能实现早期火灾报警，除应用于大型建筑物内部外，还特别适用于电气火灾危险性较大的场所，如计算机房、仪器仪表室和电缆沟、隧道等处。

根据报警器检测气体种类的不同要求，很多场合都会选择使用半导体气体传感

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器。经过对比众多气体传感器的应用特性，发现半导体气体传感器的优点更加突出。半导体气体传感器具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单，使用方便、价格便宜等优点，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低，因而得到广泛应用。因此，本设计中的气体传感器选用MQ-N5半导体气体传感器。 2.2.2 MQ-N5半导体气体传感器

本设计采用MQ-N5半导体气体传感器，MQ-N5半导体气体传感器是以清洁空气中电导率较低的金属氧化物二氧化锡(SnO2)为主体的N型半导体气敏元件。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。在设计报警器时只有使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[20]。该传感器具备一般半导体气体传感器灵敏度高、电导率变化大、响应和恢复时间短、抗干扰能力强、输出信号大、寿命长和工作稳定等优点，在市面上应用十分广泛。

二氧化锡(SnO2)半导体气敏元件特点：

（1）SnO2材料的物理、化学稳定性较好，与其他类型气敏元件相比，SnO2气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。

（2）SnO2气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱离时间短，可连续长时间使用。

（3）SnO2气敏元件结构简单，成本低，可靠行较高，机械性能良好。 MQ-N5气敏元件的结构和外形由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 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只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流[21]。

MQ-N5半导体气体传感器适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、液化气等的检测，对可燃性气体的（CH4、C4H10、H2等）的检测很理想。这种传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，能够检测多种可燃性气体，十分适合应用在家庭的气体泄漏报警器中。是一款便携式气体检测器，

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非常适合多种应用的低成本传感器。其技术指标表2-1所示。

表2-1 MQ-N5的技术指标

加热电压（Vh） 回路电压（Vc） 负载电阴（Rl） 清洁空气中电阻 （Ra） 灵敏度（S=Ra/Rdg） 响应时间(trec) 恢复时间(trec) 元件功耗 检测范围 使用寿命

AC或DC 5±0.2V 最大DC 24V 2KΩ ≤2000 KΩ ≥4(在1000ppmC4H10中) ≤10S ≤30S ≤0.7W 50—10000ppm 2年 由于物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。通常气体传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。所以MQ-N5半导体气体液化气传感器要想把采集到的气体浓度模拟信号传送给单片机控制器就必须经过放大器进行放大处理，之后才能将模拟信号经过A/D转换器转化为可以识别的电信号给单片机。

设计时应注意，气敏元件开机通电时，其内阻很小，但经过一段时间后，才能恢复到原来的稳定状态。因此，MQ-N5气体传感器需开机预热几分钟，才可投入使用，以免造成误报。

2.3单片机的选型

单片机是气体自动报警系统的心脏，用来接收火灾信号并启动报警装置显示和执行相应的保护和消防动作。在单片机实现的控制功能中，需要单片机有较快的运算速度，使检测人员和用户在报警器系统正常工作时能够及时地观测到实时的气体浓度等级，并进行相应处理。同时，在能够满足报警器系统设计的计算速度及接口功能要求的同类型单片机中，要考虑选择价格低廉且体积轻巧的机型，在保证了报警器的精确性、可靠性及抗干扰性的基础上，能够不提高成本，缩小体积[22]。

单片机作为最典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。由于其微

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小的体积和极低的成本，开发环境要求较低，软件资源十分丰富，开发工具和编程语言也大大简化，因此被广泛应用于家用电器、机器人、仪器仪表、工业控制单元、办公自动化设备以及通信产品中，成为现代电子系统中最重要的智能化工具。由于MCS系列单片机集成了几乎完善的中央处理单元，处理功能强，中央处理单元中集成了方便灵活的专用寄存器，这给我们利用单片机提供了极大的便利。

由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，本设计考虑了其中两种方案[23]。

方案一：采用PIC系列单片机

PIC(Peripheral Interface Controller)是外设接口控制器的简称，它是由美国Microchip公司开发的嵌入式控制器(Embedded Controller)。嵌入式控制器国内习惯称为单片机。PIC是一种采用精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)结构、哈佛总线结构、2级流水线取指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积小、功能强等特点，体现了单片机发展的一种新趋势。

PIC系列单片机的硬件系统设计简洁，指令系统设计精炼。在所有的单片机品种中，它是最容易学习、最容易应用的单片机品种之一。PIC单片机的特点：

（1）哈佛总线结构。PIC系列单片机不仅采用哈佛体系结构，而且还采用哈佛总线结构。在PIC系列单片机中采用的这种哈佛总线结构（与其相对的是冯.诺依曼结构），就是在芯片内部将数据总线和指令总线分离，并且采用不同的宽度。便于实现指令提取的“流水作业”，也就是在执行一条指令的同时对下一条指令进行取指令操作，便于实现全部指令的单字节化、单周期化，从而有利于提高CPU执行指令的速度。

（2）精简指令集(RISC)技术。精简指令集是采用RICS结构的单片机，数据线和指令线分离。即所谓的哈佛结构。这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。

（3）寻址方式简单。PIC系列单片机只有4种寻址方式（寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址），容易掌握。

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（4）功耗低。PIC系列单片机的功率消耗极低，是目前世界上功耗最低的单片机品种之一。其中有些型号，在4MHZ时钟频率下工作时电流不超过2mA，在睡眠模式下的电流可以低到1μA以下。

（5）驱动能力强。

（6）I2C和SPI串行总线端口。 （7）外接电路简洁。 （8）开发方便。

（9）程序存储器版本齐全。 （10）品种丰富。 （11）程序保密性强。

PIC系列单片机与MCS—51系列的区别如下[24]：

MCS—51是许多人熟悉的单片机之一。PIC系列单片机与MCS—51系列单片机的组成及结构存在一定区别。其主要区别在于总线结构、流水线结构、寄存器组及基本特性方面。

（1）总线结构。MCS—51的总线结构是冯.诺依曼型，该系列单片机在同一个存储空间取指令和数据，两者不能同时进行；而PIC的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分开的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问，所以提高了数据吞吐率。正因为在PIC系列单片机中采用了哈佛总线结构，所以与常见的微控制器不同的一点是，程序和数据总线可以采用不同的宽度。数据总线都是8位的，但指令总线位数依基本型（PIC12CXX/16C5X）、中级型（PIC16C6X/16C7X/16F87X）、高级型（PIC17CXX/18CXX）分别为12、14、16位。

（2）流水线结构。MCS—51的取指令和执行采用单指令流水线结构，即取一条指令，执行完成后再取下一条指令；而PIC的取指令和执行采用双指令流水线结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了单周期指令。

（3）寄存器组。PIC的所有寄存器，包括I/O口、定时器及程序计数器等都采用RAM结构形式，而且都需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而MCS—51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。

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