学士学位论文—-煤气报警系统的设计与实现自动化.doc

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1、毕 业 设 计煤气报警系统的设计与实现学生姓名： xxx 学号： xxx 系 部： 自动化 专 业： 自动化 指导教师： xxx(副教授) 二零一六 年 六 月xx工业学院毕业设计诚信申明本人郑重申明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人签名： 年 月 日毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 煤气报警系统的设计与实现 系部： 自动化 专业： 自动化 学号： xxx

2、 学生： xxx 指导教师（含职称）： xxx 副教授 1课题意义及目标通过完成本毕业设计课题，使学生更好的掌握单片微型集成电路芯片的基本原理，培养学生对电子产品设计能力，使学生在完成基于单片微型集成电路芯片的较小完整系统的同时，培养学生独立自学能力、查找资料能力、分析问题以及解决问题的能力，为学生在毕业后从事相关系统开发及维护工作打好基础。2主要任务（1）根据该题目的要求，阅读与题目相关的中英文文献10-15篇，了解国内外已有的相关系统设计开发方面的资料及研究现状，对现有类似系统进行定性分析，并明确进行该题目设计思路及方案。通过设计方案比选，确定开发方案，并进行功能模块及元器件的选择及软硬件

3、设计(包括硬件系统电路图、软件流程图等)，开发出实物样机；撰写设计报告。（2）主要功能要求通过传感器探测泄漏气体的浓度，如果达到危险浓度，报警告知用户有煤气泄漏。为了防止由于用户打不着灶台火而使煤气泄漏，导致煤气报警器误报警，应用延时函数，对空气中煤气的产生原因进行判断。完成软件的模拟和硬件电路的搭建。通过自己分析设计、概括了解科学技术前沿的能力。 该设计要实现的基本功能大致应该分为三个部分：1）信号采集放大。2）信号处理控制。3）系统设置报警。基本技术参数要求：静态功耗0.5W(加热丝冷态电阻为502)；响应时间10s；恢复时间60s；检测煤气浓度范围：101000ppm（3）设计指导计划l

4、 定点定时集体指导：每周一，进展检查、问题解疑。l 随时个别指导：问题解疑。 l 设计要求：符合规范化要求，即：由中外文题名、目录、中外文摘要、引言（前言）、正文、结论、谢辞、参考文献和附录组成，中文题名字数一般不超过20个，设计说明书、论文或软件说明书的总字数在1.52万汉字3参考文献1 王猛，姜旭.可燃气体报警器计量检定现状与发展J.企业标准化，2006：31-32.2 许增才.车载电脑数字收音机及音响功放调控系统设计D.青岛：中国海洋大学，2003.3 李轩冕，胡勇，贺志容，等.基于93000的单片机最小可测系统设计J.计算机与数字工程2010，38(9)：108-110.4 赵兵.基于

5、单片机的篮球记分器设计J.黑龙江科技信息，2014，(23)：67-67.5 郭海丽.基于单片机的数字秒表设计J.电子元器件应用，2012，14(1)：27-29.6 吴卫华，眭永兴，刘波，等.磁电式传感器设计性实验研究J.江苏技术师范学院学报：自然科学版，2009，15(2)：33-37.7 夏晓东.金属氧化物半导体纳米材料NO传感器研究D.湖南：湖南大学，2005.8 陈传治，马晋毅，左伯莉，等.双声路声表面波毒剂传感器的设计J.传感器与微系统，2009，28(4)：91-93.9 胡冠山.延迟线型声表面波气敏传感器的研究D.山东：山东大学，2005.10 刘海江，周晓蕾.燃气汽车适时检测

6、报警器J.内蒙古大学学报：自然科学版，2008，39(6)：720-723.11 陈久勋.一氧化碳气体检测报警器的应用及安装位置的选择J.工业计量，2010，20(1)：205-205.12 张秀珍.天然气与发生炉煤气使用的比较J.甘肃冶金，2012，34(3)：108-109.13 张爱军.光谱吸收型光纤气体传感器的研究D.武汉：武汉理工大学，2005.14 Ali Ahmadi Peyghan，Sirous Yourdkhani，AnMaziar Noei. Working Mechanism of a BC3 Nanotube Carbon Monoxide Gas SensorJ.Co

7、mmunications in Theoretical Physics，2013，(7):113-118.15 Jun Li，Xian-Lin Meng，Wen-Long Song. Intelligent Temperature Control System Design Based on Single-Chip MicrocomputerJ.Journal of Harbin Institute of Technology，2014（3）：91-94.16 Xu Lei，Ye Sheng，Lu Guilin，etc. Intelligent Traffic Control System D

8、esign Based on Single Chip MicrocomputerA.Wuhan, China：Proceedings of the 2011 International Conference on Computing, Information and ControlC.2011.4进度安排序号设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1资料搜集、整理、分析；写出开题报告，开题2015年12月5日-2016年3月2日2资料搜集、整理、分析；初步确定总体设计方案2016年3月3日-2016年3月28日3逐步完善总体设计方案；进行初步硬件设计2016年3月29日-2016年4月15日4完善

9、总体设计方案；进行软件设计2016年4月16日-2016年4月30日5编程调试、样机调试2016年5月1日-2016年5月20日6完善、优化样机；撰写设计报告2016年5月21日-2016年6月15日 审核人： 年 月 日xx工业学院毕业设计煤气报警系统的设计与实现摘 要煤气作为一种能源，早已经融入千家万户。由于它的热值很高，燃烧较为彻底，清洁无污染，成为人们生活当中不可或缺的一部分。然而，煤气是一种危险的气体。一旦煤气泄漏就可能使人中毒，还可能会引发爆炸。因此，在煤气能源普及的今天，及时可靠地进行煤气监测报警是很有必要的。本系统使用STC89C51单片机做核心处理器， ZYMQ-7传感器做检

10、测元件，LM358N做信号放大元件，并利用蜂鸣器和LED进行报警。本设计的报警器，具有结构简单，不易出错，灵敏度高，安全可靠等优点。并且可以对高低两种煤气浓度分别进行声报警和光报警。针对传统报警器可能会对煤气灶意外泄漏的煤气产生误报警，本设计采用延时程序控制单片机输出信号的时间，最大限度地降低误报警的概率。关键词: 煤气 单片机 报警 LED 蜂鸣器IThe design and implementation for coal gas alarm system AbstractAs an energy source, the coal gas has gone into millions of

11、 homes already. It becomes an indispensable part of peoples life because of its very high calorific value, burning completely quite, clean and pollution-free. Coal gas plays a very important role in our life. However, it is a kind of gas which is dangerous. It may be poisoning or be exploding if it

12、spillages. So, it is very necessary that do coal gas alarming timely and reliably in energy widespread nowadays.This system uses STC89C51 as core processors, and employs ZYMQ-7sensor as detecting element. Otherwise, it utilizes LM358N for the signal amplifier, and gives an alarm by a LED and a buzze

13、r. This system has a simple main body and makes mistakes never. It is safe and reliable, also has great sensitivity, all of these are advantages of this system. Moreover, it gives an alarm for two kinds of different concentrations of coal gases using LED or buzzer respectively. Talking about the tra

14、ditional alarm, it might be false alarm of coal gas. This design uses the time delay function for output signal of the time, for minimizing the probability of false alarm.Key words：coal gas, Single chip microcomputer, alarm, LED, buzzerIIxx工业学院毕业设计目 录第1章 绪 论11.1 煤气检测报警的目的及意义11.2 煤气报警器国内外研究状况21.3 本课题

15、的设计任务3第2章 煤气报警器的方案设计52.1 煤气报警器设计要求52.2 煤气报警器整体设计方案选择52.3 煤气报警器的结构与工作原理62.3.1 煤气报警器的结构62.3.2 煤气报警器的工作原理6第3章 煤气报警系统硬件部分的设计93.1 煤气报警系统的核心STC89C51单片微型集成电路芯片93.1.1 STC89C51单片机的发展93.1.2 STC89C51单片微型集成电路芯片的结构组成93.1.3 STC89C51单片微型集成电路芯片的引脚93.2 单片微型集成电路芯片最小应用系统电路的连接103.3.1 传感器简介113.3.2 气体传感器的分类113.3.3 煤气报警器传

16、感器的选定123.3.4 ZYMQ-7传感器介绍153.3.5 煤气报警浓度值的设定163.3.6 传感器电路的设计173.4 声光报警部分硬件电路的设计19第4章 煤气报警系统软件部分的设计214.1 主程序功能设计流程图214.2 有源电子讯响器报警部分程序设计224.3 STC89C51单片机芯片开发工具的使用23第5章 仿真调试与脱机运行245.1 系统仿真245.2 调试265.3 脱机运行26第6章 结论27参考文献28致谢29IV第1章 绪 论1.1 煤气检测报警的目的及意义煤气作为一种能源，早已经融入千家万户。由于它的热值非常高，燃烧也很彻底，清洁无污染，成为人们生活当中不可或

17、缺的一部分。但是，煤气在扮演重要角色的同时，也存在一个巨大的弊端。科学研究表明，煤气是一种对人体有害的气体。其中的一氧化碳与血红蛋白的亲和程度很高，这使得它成为了一种相当危险的气体。因为血红蛋白是血浆溶氧的重要物质，所以当人体大量地接触一氧化碳气体时，血液中氧气的位置会被占用。这时，人体组织结构被破坏，器官功能迅速衰竭，引发新陈代谢障碍疾病，造成人体大脑供氧量的不足而产生中毒现象，于是人体就会出现头晕、恶心等症状，严重的会导致休克甚至死亡。不仅如此，空气中煤气的浓度在达到其在空气中的爆炸极限时，如果遇到明火或者电火花时就会发生煤气爆炸。这可能会就此引发一系列更加严重的后果，威胁人民的生命安全和

18、财产安全。据中国城市燃气协会的不完全统计，在本世纪初期，全国平均发生的煤气中毒事故有近百起，燃气爆炸事故多达上百起。因此，实时地对家庭厨房进行煤气检测报警，防患于未然是十分有必要的。要想在发生悲剧之前及时地发现并解决问题，就要从这些事故的起因开始进行分析。今年3月某日，广西省某小区一户发生煤气爆炸事故。这起事故的起因是住户在家中关紧了家门和窗户，在灶台可燃气体泄漏时却没有及时发现，之后又打开个人计算机引起煤气爆炸。今年4月某日，大连市某老居民楼内发生煤气泄漏事故。这起事故导致了一名耄耋老人遇难。事故的起因是煤气报警器老化，没有及时报警而延误了人群疏散的黄金时机。不难发现，这些重大的安全事故引发

19、的原因都有一些极为相似的特点。人们在使用以煤气为燃料的家用设备时，都没有及时地发现煤气泄漏。很多情况下，人员中毒事故已经发生很久了，甚至煤气爆炸事故都发生了，在这之后才进行报警补救时已经为时已晚。非但如此，这类事的突发性非常强，救助难度不是一般的大，危害范围也十分的广泛。因此，一旦有煤气泄漏事故发生，即使及时地采取了相应的措施，也很难将事故造成的损失降低到最低水平。所以，要想避免这些祸殃，防患于未然，就需要一种既安全，又可靠，并且还可以及时而又稳定地工作的煤气报警器。1.2 煤气报警器国内外研究状况伴随着科学技术不断发展的是人们安全意识水平的逐渐提高，这也促使煤气报警器呈现出了迅猛的发展趋势。

20、它的各种性能，例如安全性能和可靠性能，以及稳定性能都在稳步增强。如今，各具特色的煤气报警器被广泛应用在日常生活中。因为人类广泛使用化石燃料类气体的历史并不算久远，所以煤气报警器的研制历史也就比较短暂。美国在上世纪中后期也才基本完善了煤气报警系统，目前已有十余个州明确规定，民用住宅以及建筑单元内都必须装配煤气报警器。日本也在上世纪中期才开始着手研究煤气报警系统1。国内煤气报警器的发展较国外的起步稍晚，国产的煤气报警器仅有二三十年的历史，但已有大批煤气报警产品投入市场。如果将煤气报警器从形态上分类，可以分为便携式和固定式两大类。便携式报警器的代表是+8.7V直流电压驱动的SK103型报警仪。它的最

21、大测量浓度是1kppm。触发报警值为50ppm并有几个百分点的误差。这种报警器可以随身携带，用于矿区或煤气泄漏场所。通过有源电子讯响器和灯报警。固定式报警器的代表是220V交流电压驱动的K500型报警仪。它的最大测量浓度是1kppm。采用高低两级报警方式。这种报警器固定安装在家庭厨房等使用待测气体的场所。现今，煤气报警器已经渐渐地向智能化和小型化方向发展，并且它的各种性能都在快速地进步。事实上，煤气报警器要想在各方面取得较大的突破，其对于传感器的性能要求也必须有所提高。因为对于一个完整的系统来说，它在探测部分以外的环节通常是没有任何机会再加入另外的信息的。并且，它也几乎无法完全地消除由于传感器

22、自身的缺陷而引起的随机误差。所以，传感器的性能决定了系统捕捉到的信息的质量Error! Reference source not found.。于是传感器也就自然地成为了整个系统中最为重要的环节。令人欣喜的是，信息技术与数据分析技术，以及计算机辅助技术在不断取得新的进展，促使着气体传感器的制造技术蓬勃发展。从检测对象来看，煤气报警器一般检测空气中一氧化碳气体。这是因为它的化学性质不稳定，容易被检测。从工艺角度方面来看，传感器的敏感元件可以是电解质或者氧化物半导，还有金属栅气敏元件等。这些传感器分别适合在各种不同的场合下使用，为增大煤气报警器的应用范围提供了支持。从检测原理的分类来看可谓是包罗万

23、象。采用红外吸收原理制造的器件虽然抗干扰能力强，灵敏度也极佳，但是其造价十分昂贵，一般应用在大型工业生产中。采用导热原理制造的敏感元件具有良好的重复性，元件工作稳定而可靠，但是响应速度较慢，同时需要接入复杂的桥式电路。采用催化燃烧原理及半导原理制造的传感器，不仅拥有良好的灵敏度和优秀的可靠性能，还有较低的制作成本，因而受到众多普通家庭的青睐。正是由于这些技术的支持，使煤气报警器向智能化和微型化的方向发展提供了可能，并且其安全性、可靠性和稳定性越来越高，使用寿命也越来越长。当今较为先进的气体传感器已经具有如下多种优点：(1) 安全性能出众；(2) 可靠性能良好；(3) 能够同时测量多种互不相干的

24、参变量；(4) 完美而准确地反映被测量的客观水平；(5) 体型小；(6) 质量轻；(7) 工作稳定平缓；(8) 反应速度快；(9) 灵敏度优良；(10)制造成本低廉等。这些传感器的升级为煤气报警器在技术水平上的发展提供了不可替代的支持。1.3 本课题的设计任务本课题的设计任务内容如下：(1) 明确本课题的设计目的；(2) 确定开发方案；(3) 进行功能模块和元器件的选择；(4) 设计并绘制硬件系统电路图；(5) 设计并绘制软件流程图；(6) 编写各个模块的程序以及主程序；(7) 实现虚拟仿真；(8) 开发实物模型；(9) 撰写设计论文。4第2章 煤气报警器的方案设计2.1 煤气报警器设计要求煤

25、气报警器的气体传感器能够检测空气中煤气的浓度。当空气中煤气的浓度高于300ppm时，单片微型集成电路芯片驱动LED使其发光报警。而当空气中煤气的浓度高于700ppm时，核心器件单片微型集成电路芯片驱动有源电子讯响器使其发声报警。2.2 煤气报警器整体设计方案选择方案一：由检测环节和报警环节两个部分组成煤气报警系统。它由外接电源供电，结构简单，不易出错，可以及时地完成对空气中煤气的检测和报警任务。方案二：由检测环节、信号处理环节和报警环节三个部分组成煤气报警系统。虽然它的结构比方案一中的煤气报警系统复杂，但是可以通过对单片机编写程序，对空气中煤气存在的原因进行判断，使报警更加可靠。因为当用户正常

26、使用煤气灶的时候，煤气燃烧可能不够彻底，这会使空气中存在一定浓度的煤气。不仅如此，在用户点燃煤气灶的时候，还有可能多次打不着灶台火而使少量煤气扩散。这些都会增加空气中的煤气含量。比较上述两种方案，在方案一中的煤气报警系统，由于其结构单一，可能会因为以上情况触发煤气报警电路而发生误报警现象。这种是一个很致命的缺点，因为它会影响煤气报警器的实际使用效果。方案二中的煤气报警系统，可以利用单片机对检测信号进行处理，通过编写程序，使核心处理器单片微型集成电路芯片获得一个5s左右的延时，用来判断空气中存在煤气的原因，进而防止误报警发生。此外，因为系统利用单片机对检测信号进行了处理，就可以对不同浓度的煤气分

27、别用LED和电子讯响器进行报警，较好地完成设计任务。因此在本设计中，煤气报警器选用方案二进行设计。空气中煤气浓度的信号采集由气体传感器完成，通过电路设计将其转换为可以被单片微型集成电路芯片识别和利用的数字信号。编写单片微型集成电路芯片的延时程序，向报警电路输出相应的报警信号。煤气报警系统的设计方案图如2.1所示：气体传感器ALM358N比较器A模拟信号STC89C51单片机数字信号蜂鸣器发声报警LED发光报警气体传感器BLM358N比较器B信号处理环节设置报警环节信号采集环节图2.1 煤气报警系统方案设计2.3 煤气报警器的结构与工作原理2.3.1 煤气报警器的结构在本设计中，煤气报警器检测环

28、节的核心是气体传感器，它可以实时地检测环境中待测气体的浓度。当环境中待测气体的浓度增加时，其电阻阻值就会降低。而当环境中待测气体的浓度降低时，其电阻阻值反而会增加。所以，气体传感器可以将空气中煤气浓度的变化转换为电阻值的变化。检测信号的传送放大环节主要以LM358N运算放大电路为核心。通过设计传感器电路，设置并比较正反向输入端的输入电压，输出不同的电压值。因此，它可以将传感器电阻值的变化转化为电压的变化。信号处理环节的主体是单片微型集成电路芯片。它可以通过编写好的程序，比较自身输入端接收电平的高低，判断空气中煤气的浓度是否超标，并且利用延时函数判断煤气存在的原因。之后再通过控制程序输出相应的信

29、号给由LED和有源电子讯响器为主体组成报警环节，使其做相应动作以达到报警目的。2.3.2 煤气报警器的工作原理在本设计中有两个气体传感器，均可检测空气中煤气的浓度。但是他们的电路各不相同，可以完成分级报警的要求。本设计硬件电路的具体连接方式如图2.2所示：图2.2 煤气报警器硬件电路图图中，单片机的P0.4口和P0.5口分别接收两个传感器电路的输出信号，P1.2口和P1.4口分别输出LDE和电子讯响器报警信号。当空气中煤气的浓度低于300ppm时，两个气体传感器阻值的变化均不大。因此，气体传感器所在各自电路中的LM358N比较器的A端电压均大于B端电压，信号输出端输出低电平。单片微型集成电路芯

30、片的P0.4口和P0.5口接收低电平，P1.2口和P1.4口输出低电平不会触发报警电路。当空气中煤气的浓度高于300ppm而低于700ppm时，两个气体传感器的阻值均会降低。但由只有气体传感器A阻值降低的变化会使其所在电路中的LM358N比较器的A端电压小于B端电压而输出高电平。这时，单片微型集成电路芯片P0.4口接收高电平，其内部的程序会作一个5s左右的延时，这时会出现两种情况：如果在5s的延时之后，P0.4口接收到了低电平，说明传感器电路是由于意外泄漏而存在的。这时P1.2口输出的是低电平，不会触发LED发光报警。如果在5s的延时之后，P0.4口依然接收到了高电平，说明有煤气泄漏。这时P1

31、.2口输出高电平触发LED发光报警。P1.4口输出低电平不会触发有源电子讯响器发声报警。当空气中煤气的浓度高于700ppm时，两个气体传感器的阻值均会降低。两个LM358N比较器的A端电压均小于B端电压而输出高电平，使单片微型集成电路芯片的P1.1口和P1.2口均接收高电平。这时，因为空气中煤气的浓度已经足以触发较高浓度的传感器检测电路，所以并不需要利用延时函数判断空气中煤气的存在是否为意外泄漏，而应该立即使P1.2口输出高电平触发LED发光报警，P1.4口输出高电平触发有源电子讯响器发声报警。30第3章 煤气报警系统硬件部分的设计硬件设计就是在总体方案的指导下，对构成单片机应用系统的功能部分

32、进行具体设计，确定系统中所使用的元器件，设计系统的原理图，以及实物模型的组装2。3.1 煤气报警系统的核心STC89C51单片微型集成电路芯片3.1.1 STC89C51单片机的发展STC85C51系列单片机的前身是Intel公司发行的MCS-48单片机，它是8位单片机的始祖，在此之后研发出的STC89C51型单片微型集成电路芯片，集体积小、功耗低、功能全和可反复擦写程序等优点于一身，在工业领域一枝独秀。3.1.2 STC89C51单片微型集成电路芯片的结构组成STC89C51单片微型集成电路芯片的结构如下：(1) 一个8位的中央处理器CPU。(2) 一个4K字节的ROM程序存储器。(3) 一

33、个时钟电路。(4) 32条可编程的输入/输出接口单路。(5) 两个16位定时器/计数器。(6) 一个可编程全双工串行口。(7) 5个中断源。(8) 两个优先级嵌中断结构。3.1.3 STC89C51单片微型集成电路芯片的引脚STC89C51单片微型集成电路芯片的端口按功能分类包括I/O端口、控制端口、电源与晶振引脚。I/O端口即输入/输出引脚，包括P0、P1、P2和P3四个8位双向I/O端口。控制引脚包括复位端RST、外部程序存储器的取指使能端PSEN(非)、外部访问允许端EA(非)/VPP和对外输出的时钟端ALE(非)/PORG；电源和晶振引脚包括Vcc、GND和接外部晶振的双引脚XTAL1

34、和XTAL2。3.2 单片微型集成电路芯片最小应用系统电路的连接最小应用系统是指能够维持单片机运行的最低配置系统，一般最小应用系统需要具备时钟电路、复位电路和电源电路3。时钟电路由晶体振荡器、晶震控制芯片和电容组成。它是用来为单片机提供运行时钟，使单片机程序按时间顺序执行的电路4。STC89C51单片微型集成电路芯片在启动时需要使CPU及系统各部件复位至初始状态，防止由于外界干扰或者其他因素造成系统工作混乱。这就需要用复位电路确保单片微型集成电路芯片应用系统从初始状态开始工作。在单片微型集成电路芯片应用系统处于正常的工作状态时，如果单片微型集成电路芯片内部的触发器接收到一个维持2个机械周期（大

35、约2s）的高电平，CPU就可响应并将系统复位5。本设计所采取的复位方式是手动复位方式。这种复位方式通过人为地在RST端加载复位信号，使复位信号传送到单片机中。手动复位电路在RST端和+5V直流电源Vcc之间接一个非自锁开关。当按下开关时，RST端就会保持接通并维持超过2s的时间，以满足复位的时间要求。STC89C51单片机最小系统电路以及复位电路如图3.1所示：图3.1 STC89C51单片微型集成电路芯片的最小系统和复位电路图3.3 气体传感器电路的设计3.3.1 传感器简介依照中华人民共和国国家标准(GB665-87)的规定：能够接收规定的被测变量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件

36、或装置被称为传感器6。传感器的结构组成可以分为三个部分：(1) 对被测量敏感的敏感元件。(2) 产生易于传送的信号的转换元件。(3) 修正转换元件的输出信号的变换电路。3.3.2 气体传感器的分类气体传感器按照原理可以分成多种类型，主要包括：(1) 固态电解质气体传感器。它由气敏膜与固态电解质共同组成，其中的固态电解质是一种结构特殊的无机材料，其中的离子可以进行远距离迁移，从而产生电导现象。这种传感器主要包括： 浓差式固态电解质传感器。 电化学式传感器。 固体氧化锆传感器。 安培式气体传感器。(2) 氧化物半导体气体传感器。它利用由利用特殊工艺烧结而成的氧化物半导体材料加工而成，其学性质稳定，

37、响应速度快，是一种最为普遍的传感器7。其原理是气体与气敏材料结合而改变载流子浓度，从而使元件电阻率的对数与气体浓度成线性关系。这种传感器主要包括： 半导体电阻式气体传感器。 接触燃烧式气体传感器。(3) 金属栅MOS气体传感器。它的敏感元件是一种特殊的二极管，由半导体与金属制成。其原理大致为：被测气体与MOS管接触时，会改变其功函数，进而影响整个传感器的C-V特性曲线。这种传感器主要包括： Pd/CdS气体传感器。 Pd/TiO气体传感器。 Pt/DiO2D气体传感器。 schottky二极管气体传感器。 MOS二极管气体传感器。(4) 声表面波（SAW）气体传感器。这种传感器的基本组成是一组

38、压电片和一组金属电极对，以及一对SAW反射器和接收器8。当SAW波在压电片上传播时，其振幅或速度等性质受气敏膜的介电常数与密度等各种性质影响，这些性质在没有外界影响时为常数9。但在气敏膜上吸附了某种气体之后会改变这些特性，SAW的传播振幅或速度就会变化，通过测量传感器在接触被测气体前后SAW的振幅及速度，即可测得该气体的含量。这是一种先进的科技，其测量灵敏度非常高，应用前景良好Error! Reference source not found.。目前在包括太空领域也有所影响和利用。3.3.3 煤气报警器传感器的选定对于一个控制系统而言，传感器的重要性简直是不言而喻的。无论一个自动控制系统采用何

39、种运行方式，它的传感器均是唯一的信号检测变送的源头。而在传感器以外的部分都不具备采集信息的功能，不能为系统添加检测信号。传感器在一个控制系统中发挥的作用，相当于人体器官的对于身体作用。虽然最终完成某项动作靠的是身体和四肢，但是如果没有五官，或者五官出现故障，会使直接影响大脑做出正确的命令，身体和四肢也就无法正常完成任务。由此可见，传感器的选型对于硬件设计以及最终实物模型制作的作用是决定性的。传感器在工作之前，首先要对其检测对象进行确定。因为本设计中的最终目的是设计一个对空气中的煤气有反应，并可以报警的装置10。所以在本设计中的检测对象就是空气中煤气，被测变量是空气中煤气的浓度11。但是，煤气是

40、一种混合气体，由氢气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、氧气、烷烃以及硫化氢等多种气体组成12。其中的一些气体，例如氧气和氮气，在空气中的含量极高，如果将这些气体作为检测对象，将会不可避免地会被空气影响，使测量不准确。而对于硫化氢或烷烃类气体，虽然具有一定的针对性，但是它们在煤气中的含量太低，融于空气中之后会更加难以被检测到。而根据对大多数的煤气报警器的传感器进行分析后可以发现，气体传感器的检测对象绝大多数均为煤气中的可燃性气体，例如烷烃类气体和一氧化碳气体。这些气体在煤气中的含量足够高，而在空气中的含量极低，因而不会被空气所影响。此外，它们还具有较为活泼的化学性质，容易被多种办法检测。更重要的是，无

41、论烷烃类气体还是一氧化碳气体，都是人体产生中毒现象的罪魁祸首。综合以上原因，本设计将直接把空气中的可燃性气体作为被测对象，将其浓度作为被测量。因此，传感器的选定要求总结如下： 众所周知，当煤气泄漏时会融于空气中，在测量这样的混合气体时，要求气体传感器不仅针对被测对象有较高的灵敏度，能够选择性地检测空气中的被测对象，还要不会被并存的化学物质所影响。 一定浓度的煤气对人体有毒性，所以，传感器的选定对于响应时间的要求十分严格，要求其对被测气体浓度的反应及时，信号响应的速度快，重复性和复现性要好13。 传感器在量程方面要求至少达到煤气对人体产生明显伤害的浓度范围，因为这样更容易选择煤气的报警浓度。根据

42、表3.1，煤气在空气中的浓度达到700*10-6时，会在数小时内使人失去知觉，会对人体造成足够严重的伤害，所以煤气传感器的量程要略超过700ppm。不同浓度的煤气对人体的损害程度解释如表3.1所示：表3.1 不同浓度的煤气对人体的损害煤气在空气中的浓度吸入时间与中毒症状之间的关系0.00001%0.1ppm空气中的正常水平，对人体绝对无害。0.0021-0.0070%21-70ppm家庭厨房平均水平，对人体基本无害。0.0080%80ppm国标规定的TLV值。0.0300%300ppm30min内无害，长时间吸入对中枢神经有影响。0.0700%700ppm数小时之后头部不适。0.1330%13

43、30ppm一小时以上前额疼痛。0.1925%1925ppm数小时以上剧烈头痛，视力出现障碍，身体虚脱。0.2625%2625ppm半小时以上导致肌肉痉挛。两小时以后失去知觉。0.4200%4200ppm两小时以后心跳急促。0.6475%6475ppm半小时以内头痛欲裂。两小时以上可以致死。2.2925%22925ppm一分钟内头痛恶性。半小时以上可以致死。5.2500%52500ppm一分钟以内可以致死。备注TLV指某种危险性气体在空气中的最大允许浓度 因为煤气是一种有毒且易燃易爆的气体，所以传感器要求有极高的可靠性能，出错率必须是0%。 传感器将会一年365天全天候工作，这要求它长时间工作的

44、稳定性要好，这对于用户的安全十分重要。 传感器能够安装在易于检修的地方。 作为民用装置，其制造成本应该足够低，使绝大多数用户可以承受。 作为家用装置，其适用温度应为室温，约为0至40。根据上述的这些要求，我们应该在进行各种气体传感器的一些重要性能参数的比较之后，确定本设计中所采用的气体传感器的规格。一些气体传感器的特性参数如表3.2所示：表3.2 气体传感器的性能传感器属性半导体式固态电解质式接触燃烧式电化学式热传导式半导体化学式灵敏度优良优良较好优良较差一般测量精度较好较好优良较好较好较好选择性一般-较差较好较差较好相应速度优良优良较好一般较好一般长期稳定性较好较好较好较差较好较差维修性优良

45、优良较好较差较好较好经济性优良较好优良较好较好优良测定范围LEL以内1100%3LEL以内11000ppm1100%几ppm对一氧化碳的检测效果优良优良较好-优良对甲烷的检测效果优良优良优良-备注LEL指某种气体在空气中的爆炸下限结合表格3.2，首先根据传感器检测对象的须求，应该在前三种和第六种传感器之间做出选择。再根据传感器的量程要求，能够被选择的仅有半导体气体传感器和接触燃烧式传感器。这两种传感器的灵敏度和测量精度以及响应速度均等参数都十分优良，但考虑到接触燃烧式传感器的工作原理会破坏对象的浓度，选择性也较差，故在本设计中应选择半导体气体传感器。3.3.4 ZYMQ-7传感器介绍根据上一小节的限定，我们选择半导体气体传感器ZYMQ-7作为煤气报警器的传感器。这是一种半导体气体传感器，对可燃性气体敏感，并且测量精确度优良，是煤气报警器检测元件的首选。ZYMQ-7传感器的防焊网由100目双相不锈钢制成，圆柱体腔体由塑料或橡胶制成，直径约17.5mm、高约22.5mm。其内部盛满了活性炭，可以大