气敏传感器信号采集系统设计

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1、清华大学2012届毕业设计说明书1引言1.1研究背景及意义随着工业化的发展，我们的生活及环境的污染迅速增加，环境中存在着各种有毒有害、易燃易爆气体，从家用液化石油气、城市煤气以及天然气到工业生产过程中产生的废气、交通工具中排放的各种气体都在不断地污染环境，影响我们的生存。此外，我国燃气的变革及西气东输工程的进行，煤气或天然气已成为多数家庭的燃料。这些气体在带给人们能源、生产生活提供方便的同时，它们本身是有毒、易燃的化学物品，给燃气燃具用户深深埋下了火灾、中毒、爆炸的隐患。一方面人类对各种有毒有害气体的承受能力是有限的，另一方面易

2、燃易爆气体超过一定浓度，就可能引起火灾或爆炸，造成人身伤亡和财产损失。但是人的感官缺乏对各种有害气体的感知，特别是对有害气体浓度定量的判断能力，因而研制能够感知并判别气体的种类和测量气体浓度的仪器系统就变得尤为必要。传统的分析气体组分和浓度的方法是以色谱法为代表的各种化学计量方法，尽管其测量精度很高，但操作手续繁杂，实验周期长，无法对有毒、有害气体进行实时、连续、瞬时检测，而气体传感器则满足这种要求，并且在人们日常生活中对减少气体爆炸、火灾等事故已经发挥着越来越大的作用。再者，计算机的普及和信息技术的迅猛发展，智能化被引入家庭，

3、并迅速在世界各地发展起来。单片机在日用电子产品中的应用越来越广泛，其设计出的产品体积小、成本低、运用灵活、易于产品化、抗干扰能力强、适应范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠工作。基于此，本论文拟设计一种便携式的气敏传感器的信号采集系统，用于监测空气中天燃气气体的浓度，并且能将气体的浓度显示在液晶上，当空气中的可燃气体的浓度达到一定的警界值时，发出报警信号，从而能够保障人们自身和生产与生活的安全。1.2国内外发展现状气敏传感器及单片机是本设计的的两大核心内容。从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有

4、适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。未来一段时间，使用半导体和催化原理的气体检测仪器仪表依靠着价格优势仍会占据部分低端市场。目前国内用于燃气浓度监测的也主要是这两种气体传感器[1]。第47页共47页清华大学2012届毕业设计说明书随着现代科技的迅猛发展，LSI（超大规模集成电路）技术也在不断提高，为单片微型机的进步提供了有力的技术支持。目前的单片微型机早已从最初的四位、八位字长，发展到十六位、三十二位字长。技术的发展，集成度的提高，使得单片微型机在社会主义现代化建设的各个领域发挥着越来越大、越来越

5、多的作用。现在的社会是数字化的社会，是信息的时代。许多的模拟技术都被数字技术所取代，这意味着智能化的各种设备及产品会越来越多的呈现在我们的眼前。在我国当前，智能化的仪器仪表是单片微型机应用最多，最为活跃的领域。而且随着现代电子工业的发展，电阻型气敏传感器的工作稳定性也相对提高，成本也在不断的下降[2]。这两项技术的迅猛发展，为气体检测系统的发展提供了更好的平台。1.3研究目标及内容本文所设计的气敏传感器的信号采集系统采用单片机AT89C51，本设计能将在测试环境中的气体传感器输出的模拟电压通过A/D转换器送入单片机AT89C51

6、中进行处理后通过液晶显示，通过设置报警值，当检测到的浓度达到或者超过设定值时，用单片机控制发光二极管发光报警，同时打开喇叭发出声音报警，来达到报警的目的。系统以MQ-4气体传感器和AT89C51单片机为核心,设计气体浓度信号采集系统。完成以下内容：(1)研究天然气气体传感器的基本工作原理，并选择一个可供设计的具体型号，给出相应的技术指标；(2)设计与所选传感器匹配的放大、采集、存储电路，要求确定具体的放大倍数、采样速率、采样时间、进而确定采样容量；(3)设计报警电路并控制显示天然气气体浓度；(4)绘制测试系统原理图和PCB图。第

7、47页共47页清华大学2012届毕业设计说明书2系统总体方案设计2.1系统设计要求设计一个具有数据采集、存储和报警功能系统。要求能实时记录并存储空气中的天然气气体的浓度，并在浓度超某一临界值时具有报警功能。在本设计中，信号采集系统的主要功能就是快速准确的检测被测气体中天然气的含量，通过LCD显示屏将天然气浓度显示出来并且存储，当气体浓度达到一定门限值时发出声光报警。为了实现以上功能：系统应该具备气体传感器及其适配电路模块、A/D转换电路模块、单片机控制模块、LCD液晶显示模块、声光报警单元、存储模块，供电模块这几部分。2.2系统

8、设计整体框图系统工程流程：气体信号检测电路由气敏传感器和信号调理电路组成，将气体信号转化为模拟的电信号。模数转换电路将从检测电路送出的模拟信号转换成单片机可识别的数字信号后再送入单片机。单片机对该数字信号进行处理分析，看是否超过某个预设值，如果超过则会启动报警电