烟雾传感器 (1)

MQ系列家用报警器
2.2烟雾传感器的选型
烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。

传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分，是仪表的核心组成部分之一。

由此可见，传感器的选型是非常重要的。

2.2.1烟雾传感器介绍
(1) 烟雾传感器的分类
烟雾传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：
(a)利用物理化学性质的烟雾传感器：如半导体烟雾传感器、接触燃烧烟雾传感器等。

(b)利用物理性质的烟雾传感器：如热导烟雾传感器、光干涉烟雾传感器、红外传感器等。

(c)利用电化学性质的烟雾传感器：如电流型烟雾传感器、电势型气体传感器等。

(2) 烟雾传感器应满足的基本条件一个烟雾传感器可以是
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，任何一个完整的烟雾传感器都必须具备以下条件：
(a)能选择性地检测某种单一烟雾，而对共存的其它烟雾不响
应或低响应；
(b)对被测烟雾具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内
的烟雾浓度；
(c)对检测信号响应速度快，重复性好；
(d)长期工作稳定性好；
(e)使用寿命长；
(f)制造成本低，使用与维护方便。

MQ-2型烟雾传感器的工作原理
半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。

按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。

半导体气敏元件也有N型和P型之分。

N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。

半导体气敏传感器的分类如表2.2所示。

表2.2半导体气敏传感器的分类所利用的特性工作温度表面电阻控制器300~450°C
表2.2半导体气敏传感器的分类
本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。

当处于200~300°C温度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。

当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，就会引起表而电导率的变化。

利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。

遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。

而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。

这就是MQ-2
型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。

MQ-2型传感器的结构图如图2.1所示，其外观如2.2所示。

图2.1MQ-2型传感器的结构图
图2.2 MQ-2型传感器的外观
MQ-2 气敏元件的结构和外形如图1 所示(结构AorB),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６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。

2.2.4 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标
(1) MQ-2型传感器的一般特点
(a)MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。

(b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。

初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。

©MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。

(d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压5±0.2V。

(2) MQ-2型传感器的特性参数
(a)回路电压：(Vc) 5~24V
(b)取样电阻：(RL) 0.1~20K
(c)加热电压：(VH)5±0.2V
(d)加热功率：(P)约750mW
(e)灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)＞5
(f)响应时间：Tres＜10秒
(g)恢复时间：Trec＜30秒
2.3.3烟雾检测报警器的主要技术指标
(1) 传感器类型：半导体电阻式
(2) 检测范围：0~100%LEL
(3) 报警准确度:：±5%LEL
(4) 报警点设置：达到20%LEL开始报警
(5) 报警器工作方式：现场固定安装，自然扩散进行采样，
长年连续运行
(6) 工作环境温度：检测器 -50°C~50°C；报警器0°C~500°
C
(7) 工作环境湿度：≤85%RH
(8) 报警方式：烟雾泄漏声光报警、自诊断故障报警
(9) 指示方式：数字显示，可显示被测烟雾LEL%及设定报
警限值
(10)响应时间：≤30S (11) 输出信号：可输出与烟雾浓度对
应的0~5V DC标准信号
(11) 工作电压：AC220V±15%，50±lHz
(12)具备快速重复检测和延时报警功能，可区别烟雾的泄漏和短时间的微量散失，防止误报。

3.2烟雾检测报警器硬件电路设计
3.2.1信号采集及前置放大电路
传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。

本系统采用的半导体烟雾传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集。

由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。

常见的运算放大器中，LM324价格低廉、使用简单等优点比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用LM324作为电路的运算放大器。

LM324是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好；其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿，
可做到输出电平与数字电路兼容。

下面详细介绍运算放大电路：
如图3.2所示，从传感器的上端出来的信号Vi经过运算放大器的同相输入端，但是为保证引入的是负反馈，输出电压Vo通过电阻
R4接到反相输入端，同时，反相输入端通过电阻R3接到参考电压Vref。

同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数。

在图3.2中，根据运放的“虚短”和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，所以V- = Vo*R3/R3 + R4 +Vref*R4/R3 + R4 (3-1)
而且V- = V+ = Vi
Vo = Vi*（R3 + R4）/R3 (3-2)
由以上两式可求出Vo=Vref-R4/R3 (3-3)
所以本放大电路的放大倍数 A =1+ R4 R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于1。

同相比例运算电路有以下几个特点：
(1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路。

因为不存在“虚地”现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。

(2)电压放大倍数A =1+ R4 R3 ，即输出电压与输入电压的幅值成正比，且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。

如果不接
R3和R4，则此电路就成了“电压跟随器”，它可以减少电路模块间
由于阻抗引起的干扰。

(3)由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。

高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性，这显然有利于电路中其他模块的设计。

此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。

它利用滑动变阻器产生一个参考电压Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。

所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。

而电压跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止R3和R4对滑动变阻器输出电压的影响。

3.2.5报警器故障自诊断电路
(1)判断传感器电源连接情况
在传感器的地端串联一个电阻R6。

当传感器正常连接时，电阻和传感器分压，此时电阻两端有微弱的电压，单片机可以通过P1.1(AD)口检测到；如果传感器电源连接不正常，则会产生断路，检测到电阻两端电压为0。

图3.7 传感器电源连接自诊断电路
(2)判断传感器信号端连接情况
另一种情况是判断传感器信号端是否连接正确，此时不需要外加电路，在传感器预热2分钟后，测量传感器信号的输出电压，如果电压为5V，则说明传感器的信号端连接不正常。

当报警器自诊断发现传感器连接不正常，就会发出长鸣声音警报，并伴随黄灯闪烁，提
醒用户及时排除传感器连接问题。

图3.2前置放大电路图
矿井瓦斯超限报警电
煤气检测电路原理图
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