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1、JIU JIANG UNIVERSITY毕 业 论 文题 目基于单片机的液化气检测报警器设计英文题目 Based on MCU Liquefid Gas Detection Alarmdesign 院 系 信息科学与技术学院 专 业 计算机科学与技术 摘 要随着社会和经济的发展，防火工作越来越重要，但是目前国内的许多研发都侧重于大型场所的火灾报警。因此，我们就有必要研制一种结构简单、经济实用的家庭液化气报警器以适应市场的需求。基于供家庭使用的液化气报警器应该具备的基本要求和功能，文章设计了一种比较适合的液化气报警器。液化气全名液化石油气，它的主要成分是丙烷和丁烷，炼厂气、天然气中的轻质烃类在常
2、温、常压下呈气体状态，在加压和降温的条件下，可凝成液体状态。该设计基于51系列单片机为核心，以气敏传感器检测可燃气体的质量浓度，经过信号处理后，直接读入单片机中，单片机对检测的信号进行判断。如果质量浓度超过预定数值时，蜂鸣器将发出声报警，并同时红灯亮，具有声光报警功能，数码管显示浓度。如果检测的信号浓度没有达到预定值，绿灯亮。系统采用交流电源或电池供电。该系统电路操作方便，体积小，成本低，功耗低，等特点。关键词：液化气，51系列单片机，蜂鸣器AbstractAlong with the social and economic development, fire prevention work
3、more and more important, but the present many research and development are focused on large place of the fire alarm. We, therefore, it is necessary to develop a simple structure, economic and practical family smog announciator to adapt to the demand of the market. Based on the use of smoke alarm for
4、 family should be provided with the basic requirements and function, this article designs a more suitable for smoke alarm.Liquefied gas full name liquefied petroleum gas (LPG), it is the main component of butane and propane, refinery gas, natural gas of lightweight hydrocarbons in room temperature,
5、atmospheric pressure gaseous, pressure and temperature in the condition, can condensed liquid state. The design is based on 51 series microcontroller as the core, with gas sensor detection of flammable gas mass concentration, after signal processing, directly into single chip microcomputer, the mono
6、lithic integrated circuit to signal detection judgment. If the quality concentration more than scheduled value, will be issued a buzzer sound alarm, and at the same time the red light comes on, with sound and light alarm functions, digital pipe display concentration. If the signal detection concentr
7、ation not to the expected value, a green light. System USES the ac power or batteries. This system, which is convenient operation, small volume, low cost, low power consumption, etc. Characteristics. Keywords: Liquefied Petroleum Gas (LPG), 51 Microcontroller, Buzzer目 录摘 要IAbstractII1 绪论1.1研究背景及意义(1
8、)1.2可燃气体检测与报警技术概述(1)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(6)2.2传感器的选择(7)2.3单片机的选型(12)2.4液化气报警器的主要功能设计(20)3 系统的硬件电路3.1 系统电源电路(22)3.2 AT89S51的时钟电路和复位电路(23)3.3液化气传感器模块(23)3.4信号采集及前置放大电路(25)3.5 A/D转换电路(26)3.6声音报警及消音键电路(29)3.7字符显示电路(31)4 系统的软件的设计4.1系统主程序设计及流程图(32)4.2主程序初始化流程图(33)4.3 算法实现及主程序流程图(34)5 系统调试及操作5.1 软件
9、调试(35)5.2 硬件调试(36)结 论(36)致 谢(39)参考文献(40)附录A 基于单片机的液化气报警器程序(42)1 绪 论1.1研究背景及意义 随着近代工业的进步，在生活、工业上排放的气体种类、数量日益增多。这些气体如天然气、液化石油气等都是易燃、易爆或对人体有害的。而本设计的研究方向是针对于液化石油气的报警器。液化气报警器作为一种检测液化气泄漏并及时发出声光报警等可预防着火、伤亡的安全装置1。 最近网络上又有新闻报道，液化石油气掺入二甲醚成行业潜规则 存爆炸风险，许多的隐患让我深感不安，作为这次的材料选题，也是想为社会的安全方面做出一点贡献，我相信，只要人人都献出一点，世界将变成
10、美好的人间。对于像液化气、天然气、煤气等可燃性气体的检测、监控和报警的研究可分为两大方向。一方面是从传统的传感器为主要研究对象，通过扩展其外围电路功能，来增强其应用性能。另一方面是利用计算机、单片机与智能传感器相结合2。结合高性能，高稳定性和可靠性的芯片，使设计出的产品更便捷小巧，易于操作。我这次设计的基于单片机液化气报警器，由于本人的知识和水平有限，也由于材料和器材方面的匮乏，所以只能设计一个最简单的具有报警功能的作品了。随着科技的进步与发展，对可燃气体报警器的研究主要集中在智能化与集成化。有基于CAN总线以ARM微处理器为核心的气体报警器，也有基于AT89系列和51系列系列单片机的设计3。
11、目前这一领域还有很大的发展空间和许多需要进一步研究的问题。随着以后我对于研究的深入，更高级别的单片机也应该能设计出来。1.2可燃气体检测与报警技术概述液化气是液化石油气的简称，是原油在加工提炼汽、柴油过程中产生的蒸馏部分，主要成分是碳氢化合物和氢气，较多含有丙烷、丁烷。它不同于天然气与煤气。因为天然气是自然形成的气体，主要成分是甲烷，此外还含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质4。煤气是用煤或焦炭等固体原料经干馏或汽化制得的。其主要成分是一氧化碳、甲烷和氢气等。因此，煤气有毒，易于在空气中形成爆炸性混合物。而液化气具有易燃易爆性、汽化性、受热膨胀性
12、、滞留性、带电性、腐蚀性及窒息性等特点。液化气具有污染少、发热量高、易于运输、压力稳定储存设备简单，供应方式灵活等优势。家用液化气罐可根据需要，调整火力，使用起来既方便又卫生，液化石油气虽然使用方便，但也有不安全的隐患。万一管道漏气或阀门未关严，液化石油气向室内扩散。由于气态的液化气比空气重约1.5倍，当其空气混合物含量达到爆炸极限（1.7%10%）时，遇到火星或电火花就会发生爆炸5。为了提醒人们及时发现液化气是否泄漏，加工厂常向液化气中混入少量有恶臭味的硫醇或硫醚类化合物。1927年，Oliver W.Johnson发明并提出了一种可燃气体在一个铂丝上催化燃烧机理的便携式可燃气体检测器。即使
13、80多年后的今天，大多数密闭空间检测中用到的检测器仍然采用这种原理，当然已融入了更多的现在技术成分6。随着计算机技术及传感器技术的发展，气体检测技术从原来的单方面应用一些化学反应发展为多方面、多科学交叉应用，在多方面获得了发展。从检测原理上分，目前运用比较多的主要有六种7，下面逐一介绍。（1）利用电阻式气敏元件测量气体浓度。电阻式气敏元件经过一段时间的预热后，其阻值与周围气体浓度有着确定的关系，因此，只需测出运行状态下气敏元件的电阻值，便可推算出当前运行状态下待测气体的浓度。这是气体浓度测量中最常用的传统方法，在实际运用中，一般采用脉冲调制技术，即基于时间的比较方法，它利用标准时基信号，将与被
14、测气体浓度有关的气敏传感器电阻的信息记录下来，转换成相应的模拟信号或数字信号，然后进行处理以达到测量目的。这是本设计的传感器的测量气体浓度的原理。利用气敏元件测量气体浓度原理简单，操作也比较方便，但存在以下不足8：由于在检测仪中一般将气敏元件与标准元件组成测量电桥电路，因此电桥电路的非线性会影响测量精度； 电桥供电电压的大小对测量精度有很大影响； 检测时还需考虑现场温度、空气扰动等因素，需要串接上补偿电路。所以这种方法主要用在测量精度要求不高的场合。当前，利用新的传感器技术测量气体浓度倍受关注。所谓新的传感器技术是指在测量中采用了除电阻元件外的其他新型的传感器，通过传感将待测浓度信号量转换为电
15、路中的电信号，再通过A/D转换电路等对电信号进行分析处理，根据传感器的特性参数和相应的经验公式推算出气体浓度的当前值，这种检测技术在实际中应用广泛，并常被穿插在其他检测技术中9。近年来出现了一些新型固态气敏传感器，主要有：氧化物半导体传感器、有机高聚物半导体传感器、声表面波传感器和固态电解质传感器等。例如：利用固态电解质构成电化学电池来测量其电极电位的变化或由于电极反应所产生的电流值，就可以达到测量气体浓度的目的。（2）超声波技术测量气体浓度。超声波在某种气体中的传播速度V与当前气体温度T和气体性质有一定的关系10。超声技术就是利用了这种关系，通过测量超声波在气体中的传播速度V以及当前气体温度
16、T，推算出该气体的大概浓度。如果需要测出气体浓度的具体值，可以通过实验推算出V，T与气体浓度的对应关系。由分析和实验可知气体浓度S与声速V，气体温度T间呈非线性二元函数关系，通过对不同浓度的某种特定气体（如氨气）做精确测量，并利用计算机对实测数据采用最小二乘法作统计处理和进行曲线拟合，便可以得到多项式回归方程 （1.1）式（1.1）中，系数A0、A1和A2由计算机解出，它们均为温度T的函数，如式（1.2） （1.2）当对测量精度要求不是很严格时，式（1.1）可简化为线性方程，式（1.2）也可简化为T的二次方程。这对简化编程，提高运算速度很有帮助。（3）气相色谱法测量气体浓度。气相色谱法是基于不
17、同的气体在通过色谱柱时速度不同的原理，主要适用于工厂生产现场的检测、设备检修过程中动力作业的安全检测11。该方法对混合气体进行多次采样，注入色谱仪直至色谱峰值全部出现后再进行色谱分析，很多地方也称其为光谱测量法。不同浓度的混合气体的色谱存在明显差异，根据当前呈现的色谱便能分析出当前气体浓度的高低。在气体浓度检测中占有很重要的地位，但在测量中必须合理地选择色谱柱及载气流速等参数，只只有进行多次重复试验后方能获得理想的测量效果。（4）载体催化燃烧法检测气体浓度。这种检测方法线性和稳定性较好。以爆炸下限百分体积浓度为单位的浓度标度方法能统一衡量各种可燃气体浓度所呈现的爆炸危险度，而且量程符合工业要求
18、，故常被用于爆炸危险场所可燃性气体的测爆12。该检测方法以载体型气敏元件作为浓度的传感器，该元件由铂丝上烧结一层陶瓷载体后，再涂覆催化活性物（Ph、Pd等）构成。当铂丝中通工作电流使之达到临界反应温度（320350）时，可燃气就在元件表面催化燃烧，铂丝电阻增加，在完全燃烧且热辐射可忽略时，电阻增量R与可燃气体一般将催化元件（检知元件）及与之配对的参比元件组成电桥，作为浓度信号采样单元。由于催化元件的气敏特性除了与可燃气体浓度有关之外好受到工作电流、环境的温度和湿度、气压的影响，所以在设计过程中应采用桥式单元或其他参比元件对其余与补偿。（5）示踪气体浓度衰减法测量气体浓度。示踪气体检测法是向被测
19、空间中注入一定量的示踪气体，如CO2等，通风（包括自然通风）后使示踪气体的浓度得到稀释，通过测出示踪气体浓度的变化，间接地求出通风量和空气龄13。该方法基于示踪气体质量守恒方程，常用于研究单一建筑物渗透通风的特性。利用示踪气体测量建筑物渗透通风特性在国外已有大约四十年的历史，并且发展出了各种不同的测量方法。在此所应用的示踪气体应具有可测、稳定（一般情况下不与空气及其他物质发生化学反应）、无毒的特性，并且在空气中含量较少。针对不同的研究目的，示踪气体法可以应用在不同的研究领域。（6）光干涉法测量气体浓度。光干涉法是一种创新的检测方法，它基于同一光源发出的光波会被平面镜分为两束光，经不同路线后又汇
20、集成一束光，发生光干涉，产生干涉条纹的物理现象14。光干涉式气体浓度测定器目前被广泛应用与煤矿井下空气中的甲烷、瓦斯等浓度，以及其他环境下各种气体浓度的测定；在实验室也往往采用这种测定仪器作为相对参考的仪器。用该方法测定气体浓度时，必须考虑到气体的温度、压力、含量、换算结果，以及光在该气体中的折射率等问题。检测环境的多样化增加了气体浓度检测仪器开发的难度。气体浓度检测技术在应用中还 需要考虑很多额外的因素，国内外对其的研究虽多，有的甚至开发出了一定的成型装置，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
21、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
22、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。 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AT8
23、9S51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LED状态指示灯单片机A/D转换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
24、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，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
25、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
26、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 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
27、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： 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； 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；对检测信号响应速度快，重复性好；长期工作稳定性好； 使用寿命长； 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
28、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
29、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、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（
30、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300400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
31、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
32、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 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
33、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
34、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
35、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。
36、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
37、 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，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） AC或
38、DC 50.2V 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最大DC 24V2K2000 K4(在1000ppmC4H10中)10S30S0.7W5010000ppm2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
39、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
40、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
41、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
42、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
43、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。（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1A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MCS51系列的区别如下24：MCS51是许多人熟
44、悉的单片机之一。PIC系列单片机与MCS51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。MCS51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（PIC1
45、6C6X/16C7X/16F87X）、高级型（PIC17CXX/18CXX）分别为12、14、16位。（2）流水线结构。MCS51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MCS51需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。（4）基本特性。PIC具有高性能精简指令集计算机CPU，只需学会35条单字指令；而MC
46、S51需要111条指令。PIC多达8K14字节可重复多次写入的闪速FLASH程序存储器、多达3688字节数据存储器（RAM）、多达2568字节E2PROM数据存储器；而MCS51有4千字节EPROM，128字节RAM。PIC终端源多达14个；而MCS51有中断源5个。PIC有3个定时器，定时器Timer0：带有8位预分频器的8位定时器/计数器。定时器Timer1：带有预分频器的16位定时器/计数器，在休眠期间外部晶振/时钟可以工作。定时器Timer2：带有8位周期寄存器、预分频器和后分频器的8位定时器/计数器；而MCS51有2个16位定时器/计数器（Timer/Counter）。PIC有两个捕
47、获（Capture）、比较（Compare）、脉冲宽度调制PWM模式、10位多通道A/D转换器、带有SPITM（主模式）和I2CTM（主/从）的同步串行端口SSP（Synchronous Serial Port）、带有9位地址检测的通用同步异步接收发送器USART（USART/SCI）、8位宽并行从属端口（Parallel Slave Port，PSP）、有节电锁定复位（Brown-Out Reset，BOR）的节电检测电路等；而MCS51没有。Microchip可提供的PIC单片机系列，按其指令的位数可分为3类：初级产品、中级产品和高级产品，每种产品包含多种型号。初级产品8位指令系列（PIC16C5XX/PIC12C5XX）其中PIC16C5X是最早发展的系列。适用于各种对成本要求严格的嵌入式控制。而PIC12C5XX是第一个8脚低价单片机，其小巧，应用前景广阔。中级产品12位指令字系列（PIC12C6XX/PIC16C/FXXX），它是品种最丰富的系列。它在PIC16C5X的基础上进行了很多改进，并保持很高的兼容性。从8脚到68脚各种形式的封装，PIC12C6X
