MQ-9的应用

1四川理工学院自动化与电子信息学院大学生创新基金技术报告项目名称：基于气敏传感器对工业锅炉烟气检测系统的设计指导教师：张翼宇项目负责人：张宗刚一、本项目的目标和任务（一）国内外研究现状火电厂锅炉燃烧产生大量烟气，主要含有二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、硝和水蒸汽、灰飞等成分，目前，多数火电厂是直接将锅炉燃烧的烟气排放到大气中。其结果是：导致大气污染和地球温室效应，尤其是工业锅炉大多集中在城市和市郊，属于低空排放，会对人体健康、环境、生态造成极大的危害。锅炉烟气的检测，对锅炉烟气的处理以实现保护环境，对保证锅炉高效率运行、节约能源都具有十分重要的意义。对锅炉燃烧排放烟气含量的检测，目前主要使用火电厂烟气排放连续检测装置(CEMS)，统计资料表明，近两、三年，该装置能够正常运行的只有２０％，因质量问题间断运行的５％，迫切需要设计更为可靠的检测系统。在检测系统中气敏传感器起着至关重要的作用，其检测精度直接影响检测系统对燃烧的控制，所以研制出一款优良的气敏传感器有很大的价值前景。（二）目标和意义1.目标设计出一款经济适用的气敏传感器，能测量出CO、CO2、SO2和NOx的浓度，当其中有气体浓度超标时可以对应的发出声光报警。22.意义在火力发电厂排放的锅炉烟气中，CO是重要组成部分。现场实时检测CO气体浓度对于锅炉安全运行、煤粉优化燃烧以及环境保护都有重要作用。大气中存在的CO2浓度大约为350ppm，由于人类活动频繁的影响，大气中CO2浓度还有继续增加的倾向，这种现象是地球温度变暖的主要原因之一。因此，检测工业排放气体中CO2的浓度对环境保护有积极的作用。SO2是一种具有强烈刺激性气味的无色气体，易溶于人体的体液和其它黏性液。受SO2的长期影响，会导致多种疾病，而且SO2在空气中形成的酸雨和酸雾危害也相当大。因此对SO2气体进行准确地监测和监控有很重要的意义。NOx是引起大气污染、水质污染以及引起臭氧洞等环境问题的主要气体之一，因此对NOx的浓度检测也感染重要。3二、项目的关键技术和主要技术指标（理科）或本课题研究的主要思路(包括视角、方法、途径、目的)和重要观点（文科）本传感器融合了现代检测技术的思想，主要利用单片机数据处理技术对传感器数据处理（包括线性化、温漂处理、数字滤波等），并能显示浓度，声光报警。（一）硬件设计如图为气传感器的硬件结构图本传感器以单片机STC89C52为核心，用仪表放大器AD620作为信号放大及信号调理作用，8路ADC通道的8位A/D转换芯片ADC0809进行A/D转换，单线数字温度传感器SD18B20用做检测环境温度。降低成本，充分利用单片机数据处理的功能始终贯穿于整个项目的研发过程。4经过几番改进和实验，最后确定出了下图的详细电路图由于资金的缺乏，本项目只对CO传感器和CO2传感器进行了研究。1.电源电路电源电路输入为220V交流电压，经变压后利用L78系列稳压芯片进行稳压，分别输出+8V、+6V、+5V的电压，由于负载对输出电压有影响，所以设计了两个+5V的电压输出，一个作为公用电源，另一个作为ADC0809的基准电源及CO传感器的电桥电源。2.检测电路检测电路中MQ—9为CO传感器，其主要技术指标如下：5（1）特点：*对一氧化碳、甲烷，液化石油气具有很高的灵敏度和良好的选择性*具有长期的使用寿命和可靠的稳定性（2）应用用于家庭、环境的一氧化碳探测装置。适宜于一氧化碳、煤气，液化石油气等的探测。（3）规格A.标准工作条件B.环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-10℃-50℃Tas储存温度-20℃-70℃建议使用范围Rh相对湿度小于95%RHO2氧气浓度21%(标准条件)最小值大于2%符号参数名称技术条件备注Vc回路电压≤10VAcorDcVH(H)加热电压（高）5.0V±0.2VAcorDcVH(L)加热电压（低）1.5V±0.1VAcorDcRL负载电阻可调RH加热电阻31Ω±3Ω室温TH(H)加热时间（高）60±1secondsTH(L)加热时间（低）90±1secondsPH加热功耗约350mw6C．灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体电阻2-20k在100ppmCO中а（300/100ppm)浓度斜率小于0.5Rs(300ppm)/Rs(100ppm)标准工作条件温度：-20℃±2℃相对湿度：65%±5%Vc:5.0V±0.1VVH（高）:5.0V±0.1VVH（低）:1.5V±0.1V预热时间≥48hours探测范围：10-1000ppm一氧化碳100-1000ppm可燃气体D.结构、外形、测试电路MQ-9气敏元件的结构和外形如图1所示(结构A或B),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。测试电路如图2所示。7图3给出了MQ-9元件对不同气体的灵敏度特性其中：温度：20℃、湿度：65%、氧气浓度：21%RL=10kΩRo:1000ppmLPG中气敏元件电阻Rs:不同气体不同浓度下气敏元件电阻。E.灵敏度特性曲线：标准测试电路：如图2，MQ-9气敏元件测试电路由两部分组成，一为加热回路，具有时间控制功能(高电压和低电压循环工作)。第二为测试回路，它可反映气敏元件表面电阻的变化。标准测试电路：如图2，MQ-9气敏元件测试电路由两部分组成，一为加热回路，具有时间控制功能(高电压和低电压循环工作)。第二为测试回路，它可反映气敏元件表面电阻的变化。8F．工作原理传感器的表面电阻Rs，是通过与其串联的负载电阻RL上的有效电压信号VRL输出而获得的。二者之间的关系为：Rs/RL=(Vc-VRL)/VRL图5为利用图2回路测得在传感器由洁净空气转移至一氧化碳或甲烷气氛中时，RL上的信号输出变化情况，输出信号的测定是在一个完整的加热周期（由高电压至低电压2.5分钟）或在两个完整的加热周期内测得。MQ-9型气敏元件的敏感层是用非常稳定的二氧化锡制成的。因此，它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达5年。图4示出了MQ-9气敏元件的温湿度特性。Ro:1000ppmLPG中，33%RH，20℃下元件电阻。Rs:1000ppmLPG中不同温度和湿度下元件的电阻。9MG811为CO2传感器，其主要技术指标如下：（1）特点对CO2有良好的灵敏度和选择性，受温湿度的变化影响较小，良好的稳定性、再现性。（2）应用空气质量控制系统，发酵过程控制，温室CO2浓度检测。（3）结构及测试电路元件结构及测试电路如下图。传感器由固体电解质层（1），金电极（2），铂引线（3），加热器（4），陶瓷管（5），100目双层不锈钢网（6），镀镍铜卡环（7），胶木基座（8），针状镀镍铜管脚（9）组成。（4）工作原理本传感器采用固体电解质电池原理，由下列固体电池构成：空气，Au|NASICON||碳酸盐|Au,空气，CO2.当传感器置于CO2气氛中时，将发生以下电极反应：负极：10正极：总电极反应：传感器敏感电极与参考电极间的电势差（EMF）符合能斯特方程：EMF=Ec-(RxT)/(2F)ln(P(CO2))上式中：P(CO2)—CO2分压Ec—常量R—气体常量T—绝对温度（K）F—法拉第常量在检测电路中，元件加热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出一电压信号，其值与能斯特方程符合得较好。元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间，其测试电流应控制在1pA以下。（5）规格符号参数名称技术条件备注HV加热电压6.0±0.1VAC或DCHR加热电阻30.0±5%Ω室温HI加热电流约200mAHP加热功耗约1200mWaoT使用温度-20—50asT储存温度-20—70ΔEMF输出信号30—50mV350—10000ppm（6）特性11①灵敏度特性上图给出了传感器的灵敏度特性曲线。其中：温度：28℃相对湿度：65%氧气浓度：21%EMF:元件在不同气体，不同浓度下的输出电压。②响应恢复特性：12从上图中可以看出：固体电解质元件具有较好的响应恢复特性。③温度特性从图中可看出温度对输出电压比较大。④湿度特性从图中可看出湿度对输出电压很小，可以忽略。在检测电路中用单臂电桥的形式对MQ-9进行测量，由于MG811输出的电压信号，所以可以直接测量。两者都采用仪表放大器AD620进行放大及信号调理，13AD620具有很高的精度，且漂移小、噪声低，可应用于精确的数据采集及各种微弱信号的前置调理器。3.数字电路数字电路中以89C52为核心进行数据处理。ADC0809为A/D转换芯片，ADC0809为8通道8位A/D转换芯片，其线性误差为±15.7mV，但可满足本传感器的精度要求。SD18B20用于测量传感器运行的环境温度，DSl820的测量范围从-55到+125增量值为0.5℃。LCD12864显示各气体浓度，当浓度超标时用发光二极管，蜂鸣器报警，LCD中的相应项也会闪烁。（二）软件设计软件流程图如下图14由于实验条件的限制，无法标定传感器，在数据处理部分还不够完善。其源程序如下：#includestdio.h#includemath.h#includereg52.h#includestring.h#includeabsacc.h#includeintrins.h#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitSPK=P2^0;//定义蜂鸣器端口sbitDQ=P2^1;//定义温度传感器端口sbitPSB=P2^2;//定义LCD控制端口sbitRES=P2^3;sbitRS=P2^4;sbitWRD=P2^5;sbitE=P2^6;sbitEOC=P2^7;//定义ADC0809控制端口sbitADDCS1=P3^0;sbitADDCS2=P3^1;sbitCO=P3^2;15sbitCO2=P3^3;sbitSO2=P3^4;sbitNOx=P3^5;sbitST=P3^6;sbitOE=P3^7;floatT;//温度ucharf=1;//用于标记是否进行过AD转换floatAD_DAT[4];//AD_DAT[0]为CO，AD_DAT[1]为SO2,AD_DAT[2]为CO2，AD_DAT[3]为NOxfloatDAT[4]=0;//用于存储各气体的浓度以方便数据处理ucharcodeDAT_IC[64]={CO:ppmSO2:ppmCO2:ppmNOx:ppm};voidADC_0809();//AD转换程序voidinit_ADC(void);//ADC0809系统初始化程序voidchannels(uchari);//ADC通道选择程序floatTemperature(void);//DS18B20测温程序voidInit_DS18B20(void);//DS18B20初始化程序16ucharReadOneChar(void);//读一个字节voidWriteOneChar(uchardat);//写一个字节voidDP(void);//数据处理程序（线性化、温漂处理、抗干扰）voidlineariz(void);//线性化程序voidbate(void);//温漂处理程序voidfilter(void);//数字滤波程序voidlcd_display();//LCD12684显示程序voidinit_LCD(void);//LCD12684初始化程序voidTransferData(chardata1,bitDI);//12864数据、命令选择传送voidlcd_mesg(ucharcode*adder1);//显示字符voidlcd_mesg2(uchar*adder2,n);//显示数字uchar*separat(floatn);//数字分离程序voidjudge(void);//浓度超标判断voidwarn