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國立勤益科技大學
輕便型瓦斯偵測器
四子三乙 3A013067 許修榮
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目錄
圖目錄 ......................................................................................................... 2
表目錄 ......................................................................................................... 3
摘要 ............................................................................................................. 4
研究動機 ...................................................................................................... 5
輕便型瓦斯偵測架構說明 ............................................................................ 6
第一章:感測器簡介 ................................................................................... 7
1.1 感測器基本認知 ............................................................................................... 7
1.2 感測器之種類 ................................................................................................... 7
第二章:紅外線感測器 ............................................................................... 9
2.1 焦電型紅外線感測器 .................................................................................... 99
2.2 焦電型紅外線感測器的動作原理 ............................................................ 10
第三章:酒精瓦斯感測器 .......................................................................... 12
3.1 酒精瓦斯感測器 TGS135 ............................................................................. 12
第四章:瓦斯感測電路 ............................................................................. 14
4.1 電路流程 .......................................................................................................... 14
4.2 電路動作說明 ................................................................................................. 15
4.3 測量瓦斯偵測器的輸出電壓與濃度比較對照表……………………16 第五章:瓦斯電路測試成功 ...................................................................... 17
第六章:撥號電路……………………………………………………………23
6.1 電路流程圖…………………………………………………………………23
6.2 電路動作說明………………………………………………………………24
6.3 繼電器開關動作說明………………………………………………………25
附錄 ....................................................................................................... 2526
元件說明 : ................................................................................................................ 26
ADC0804 類比轉數位 IC ............................................................................ 26
89S51 單晶片 ................................................................................................. 27
HT9200A 雙音多頻信號產生器 …………………………………………28
參考文獻 .................................................................................................... 34
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圖目錄
圖 A 輕便型瓦斯偵測架構圖 6
圖 2-1焦電型紅外線感測器外觀 9
圖 2-2焦電型紅外線感測器之構成 9
圖 2-3 焦電型紅外線感測器的原理圖 10
圖 3-1 TGS-135 實體圖 12
圖 3-2 TG-135 接腳圖及說明符號 12
圖 3-3 TG-135 標準電路 13
圖 4-1 瓦斯感測器流程圖 14
圖 4-2 為瓦斯感測濃度顯示電路 15
圖 5-A 17
圖 5-1 七段顯示 0 17
圖 5-2 七段顯示 1 18
圖 5-3 七段顯示 2 18
圖 5-4 七段顯示 3 19
圖 5-5 七段顯示 4 19
圖 5-6 七段顯示 5 20
圖 5-7 七段顯示 6 20
圖 5-8 七段顯示 7 21
圖 5-9 七段顯示 8 21
圖 5-10 七段顯示 9 22
圖 6-1 播號電路流程圖 23
圖 6-2 播號電路圖 24
圖 6-3 繼電器開關 25
圖 7-1 889S51 接腳圖 27
圖 7-2 HT9200A 雙音多頻信號產生器 28
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表目錄
表 3-4 TG-135 標準工作條件 13
表 4-3 理想表 16
表 4-4 實際表 16
表 4-5 七段顯示器對照表 16
表 7 重要接腳 28
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摘要
本專題研究利用一些感測器元件來設計一套適合於居家安全的系統,
將科技融入居家生活中,來預防意外及災害的發生,用以保障生活安全,
大幅提升現代人的居家生活品質,讓家能真正成為最安全的地方。
系統中包含「瓦斯偵測和瓦斯濃度顯示」、「通報」這幾個部分,如果
有偵測到異狀會傳送一個訊號給接通報系統來達到告知的目的。
未來我們生活中所有的科技都會比較偏向「顯而不見」的方式呈現。
因此我們所設計的這套「多功能煙霧安全防護」以體積小不佔空間,容易安
裝,重量輕為主,利用一個小小的系統來達到大大的防災防盜效果,適時
的提醒使用者的使用安全,且有效降低意外的發生率,避免不必要的危險
事故發生。
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5
研究動機 科技日新月異的進步使人的生活越來越方便,但也因此造成
了許多居家災害頻繁,常見火災、瓦斯洩氣、竊盜等等,本次專題希望能
夠以居家安全為考量,以瓦斯感測、播號系統,做到居家防災防盜安全系
統。
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輕便型瓦斯偵測系統架構說明
此專題以可開發性為出發點設計一系列感測居家安全之電路,本次以
最常發生安全疏忽之火災及防盜為主,系統架構如下。
圖 A 輕便型瓦斯系統架構圖
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第一章:感測器簡介
1.1 感測器基本認知
日常生活中到處利用各種各式各樣的感測器,例如,電視機遠距離加以
選台、控制音量之遙控器、伴唱機所使用支麥克風等等。感測器之主要功
用,即是將光、聲音、壓力或溫度等物力量轉換成墊子電路能加以處理之
電壓或電流等電氣量。若更廣泛來論壇,隨者溫度而變色之感溫紙,隨者
酸鹼度而變色之試驗紙,亦可算是感測器之一種。
理想中的感測器都以下列條件做為依據:
1. 特性參差不齊愈小著為佳
2. 再現性、穩定性俱佳
3. 可互換性
4. 溫度飄移小
5. 線性佳
6. 輸出功率大
7. 耗電小
8. 廉價
9. 最好能產生數位輸出 (絕緣性最佳)
越接近理想之感測器,其價格越高,選用時須依據使用目的,務必選
擇性、價格比高之感測器。
1.2 感測器之種類
以下列表為市面上常見之感測器種類
1. 熱電偶:(a)絕緣包覆型 (b)表面溫度測定用 T 型
2. 白金測溫電阻體
3. 熱阻體
4. 焦電型紅外線感測器
5. 熱電堆
6. 光二極體
7. Cds
8. 彩色感測器
9. 照度計感測器
10. 溼度感測器
11. AC 電流感測器
12. 超音波感測器
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13. 壓力感測器
14. 霍爾感測器
15. 磁阻元件:(a)強磁性體感測器 (b)半導體型
16. 感壓橡膠感測器
17. 瓦斯感測器
18. 酒精瓦斯感測器
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9
第二章:紅外線感測器
2.1 焦電型紅外線感測器
就紅外線感測器而言,有光二極體、熱電堆 (thermo pile),此外尚有利
用焦電效應(註一)之焦電型紅外線感測器。
圖 2-1 焦電型紅外線感測器外觀
因此,利用此一焦電型紅外線,若是沒有溫度變化,即無法產生信號,
而被稱為微分型感測器。此一型之感測器經常使用於人體探測電路上。
人類之體溫微36~37℃(309K~310K),因而具有尖峰波長9~10nm之紅外
線從人體放射出來。如同由紅外線加熱器來推測,當感測器吸收到紅外線
溫度隨著上升,因而產生電荷,隨著溫度之變化,紅外線波長亦會改變。
與此相反,失去原有之紅外線,即溫度下降一能產生溫度變化,同樣
可以取出信號。
如同上述說明,焦電型紅線感測器之輸出為電荷,無法直接加以利用。
因此,焦電型紅外線感測器之構造如圖1-1所示負家電阻Rg以電壓之形式加
以輸出。然而,因其電阻直非常高(1~100MΩ),需以FET來轉換阻抗。註:
Rs有內藏及外加感測器
圖 2-2 焦電型紅外線感測器之構成
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註一:焦電效應,紅外線一般稱為熱線,當紅外線輻射一經物體吸收後,
將會轉化為熱量,所以可用熱電效應的檢知元件,進行紅外線的測量,另
外紅外線還會使一此結晶體,在吸收熱線後產生極化作用,形成表面電荷
的積聚,而且電荷積聚的強弱成正比例,利用此原理,可以把紅外線轉化
為電訊,常用的聚熱元件有PZT,LiTa03,PbTi03等,如果在元件上加以適
當之濾光片,可以用於偵測人體所發出約10μm波長的紅外線。
2.2 焦電型紅外線感測器的動作原理
焦電型紅外線感測器為焦電物質的焦電特性效果性利用,此為檢出進
所有物
體放出的紅外線能量的感測器。但焦電特性,對應PZT(錯酸鈇酸鉛)等
結晶構
造的溫度變化,指表面電荷變化的特性。
圖2-3焦電型紅外線感測器的原理圖
上圖為焦電型紅外線感測器的原理圖。此處表示溫度變化引起表面電
荷的移動。就圖 [a]為表示無電荷移動的情形。又圖 [b]為表示元件照射紅外
線的情形。此電源件若照射紅外線,內部電荷會產生極大的變化,根據此
種變化,會產生電
流,此即為感測器元件威測到人體溫度時會產生訊號的原理。但紅外線感
測器,
在性質上為檢出熱線。故由於此種意義,前所說的熱阻體也應包含於此範
圍中。但焦熱型感測器為常溫動作與威度,因無波長的影響性,與熱阻體
不同,有優秀
的特性。一例為組合光學率光器,能構成按照用途的良質感測器。
焦電型紅外線感測器可以檢測相當寬廣的波長,可以從紅外線到遠紅
外線均
能檢測。在應用時要針對用途必須加上各種濾光鏡(通常成品本身已裝
妥)。若
加裝波長9000nm-10000nm的濾光鏡,則是專門用於人體檢知。若讓所有紅
外線
都能通過的濾光鏡則可做非接觸溫度計。由以上的說明可以瞭解焦電型紅
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外線感
測器具有以下特徵:
1. 焦電效果是由溫度變化而產生。要溫度變化就要有溫度差是什麼溫度差
呢?
是指被測物與背景的溫度差。故溫度沒有變化時,或溫度徐徐變化的物
體不能被測量,即對感測器不會有訊號;此時要另裝截波器強制使溫度
變化,此型已有成品出售,大部分用於非接觸型溫度計。
2. 焦電元件是檢知物體放射出來的輻射紅外線,故不必接觸待測物焦電元
件因
為是靠物體放射出來的紅外線使元件上產生電荷的變化而有訊號,故待
測物不必真正的接觸到感測器即會有訊號產生。
3. 應用時最好請供應商提供相關的特性資料,慎選各元件,尤其是濾光鏡
部份。
4. 人體檢知除濾光境外,擔心引起其他錯誤動作,需另加裝菲湟爾透鏡
(FresnelLens),使指向特性變小,減少外部非待測物對感測器的影響,
並濾 去雜訊。使用焦電型紅外感測器的要點:焦電型紅外線感測器為
非常優秀紅外線感測器之一,使用上有幾種的限制事項。把這些的要點
容易瞭解地綜合。
(1)焦電感測器依用於光學系,可能遠隔地的測溫。
(2)焦電感測器只有入射的有能量變化時才會發生輸出。
(3)焦電感測器在0.2-20nm的波長頜域,具有平坦的感度特性。
(4)焦電感測器為用窗材質,按照用途使用區分。
(5)焦電感測器元件本身,阻抗非常高,一般與FET並用,其輸出阻抗會
下降。
(6)焦電感測器有高級型的真空密封型,與普及型的樹脂盒型。
(7)焦電感測器檢出連續性溫度變化時,需要截波器。
(8)對偶型的感測器低頻波以及急激溫度變化的擺動強。
(9)對偶型與單一型比較雜訊大。
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第三章 酒精瓦斯感測器
3.1 酒精瓦斯感測器 TGS135
圖 3-1 TGS-135 實體圖 本次專題其一感測元件使用酒精瓦斯感測器TGS135作為瓦斯感測電
路之感測器。其特性為:
1. 使用壽命長
2. 檢測範圍廣
圖 3-2 TG-135 接腳圖及說明符號
用於檢測家庭、環境上的有害氣體檢測裝置。適宜於二氧化碳,
甲烷,乙醇,氫氣,硫化物,氫氧化物,石油氣,煙霧等的氣體檢測。
其模組可以直接以標準電路動作,直接測試可分為加熱電路及訊號輸
出電路。
圖3-3 TG-135標準電路
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感應器表面電阻 Rs 的變化,是通過與其串聯的電阻 RL 上的電壓
VRL 所獲得,兩者之間的關係為:Rs/RL=(Vc-VRL)/VRL。
表 3-4 TG-135 標準工作條件
符號 參數名稱 技術條件 備註
Vc 電路電壓 5V ACorDC VH 加熱電壓 5V ACorDC RL 負載電阻 可調 Ps<25mw RH 加熱器電阻 33Ω±5% 室溫 PH 加熱功能 小於 800mw
TG-135 使用注意事項:
在長期存放後首次使用時,在沒有遇到檢測氣體時,感測器電導率將會迅
速增 加並很快恢復正常,這段初始穩定時間約需五分鐘左右。
使用時避免落塵阻塞外層封裝之不繡鋼網,及油垢污染。
不得存放於腐蝕氣體中,不得長期在高濃度可燃氣體中使用。
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第四章:瓦斯感測電路
4.1 電路流程
圖 4-1 瓦斯感測器流程圖
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圖 4-2 為瓦斯感測濃度顯示電路
4.2 電路動作說明
本電路採用酒精瓦斯感測器 TGS135 偵測一氧化碳等氣體,此 SENSER
啟動前須經過一段時間暖機,約莫 1 分鐘。
當瓦斯感測器偵測到氣體輸出信號改變時,另一邊經由 IC-ADC0804
類比轉數位輸出至單晶片 89S51 作微處理,每 0.5V 變動一數目,信號輸出
越大,顯示之數字也越大,即表示著濃度越高。
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4.3 測量瓦斯偵測器的輸出電壓與濃度比較對照表 從廠商測提供的濃度與電壓關係圖中,取其線性關係 (濃度度
0ppm~2000ppm)且利用公式 RS÷RL=(VC-VRL)÷VRL 來推算,得此下
兩表,理想與實際比較表,如下表 4-3、表 4-4。
表 4-3 理想表 表 4-4 實際表
表 4-5 七段顯示器對照表
濃度
(p.p.m)
電壓(V)
0 1.6
100 2.4
150 3.0
200 4.0
250 4.8
300 5
濃度
(p.p.m)
電壓(V)
0 1.9-2.0
100 2.5
150 2.9-3.0
200 4.2
250 4.7
300 4.9-5.0
瓦斯使用情
形
空氣中 空氣中 正常使
用
正常使
用
少許外
洩
少許
外洩
持續
外洩
持續
外洩
大量
外洩
大量
外洩
瓦斯濃度
(p.p.m)
0ppm 50ppm 100ppm 125ppm 150ppm 175ppm 200ppm 225ppm 250ppm 275ppm
電壓(V)
1.884
以下
1.885
↓2.18
2.19
↓
2.48
2.49
↓
2.68
2.69
↓
2.87
2.88
↓
3.08
3.09
↓
4.19
4.20
↓
4.48
4.49
↓
4.87
4.88
以上
七段對照表 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
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第五章 電路測試成功
先用可變電阻當作 TGS-135 所輸入的電壓值,因無法使用瓦斯抓到準確的
ppm 且定點電壓查看,所以先用可變電阻代替!
圖 5-A
圖 5-1 當電壓為 1.46V 對照為 0ppm,七段顯示 0
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圖 5-2 當電壓為 1.93V 對照為 50ppm,七段顯示 1
圖 5-3 當電壓為 2.31V 對照為 100ppm,七段顯示 2
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圖 5-4 當電壓為 2.50V 對照為 125ppm,七段顯示 3
圖 5-5 當電壓為 2.73V 對照為 150ppm,七段顯示 4
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圖 5-6 當電壓為 2.91V 對照為 175ppm,七段顯示 5
圖 5-7 當電壓為 3.11V 對照為 200ppm,七段顯示 6
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圖 5-8 當電壓為 4.28V 對照為 225ppm,七段顯示 7
圖 5-9 當電壓為 4.55V 對照為 250ppm,七段顯示 8
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圖 5-10 當電壓為 4.95V 對照為 275ppm,七段顯示 9
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第六章 播號電路
6.1 電路流程
圖 6-1 播號電路流程圖
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圖 6-2 播號電路圖
6.2 電路動作說明
當要撥號時,用繼電器動作代替接通電話拿起話筒要撥號了,由 8051 送信
號指令到 HT9200A 撥號 IC 上,使用 HT9200A 產生的電話複頻信號經由變壓器再
耦合到電話線上。
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圖 6-3 繼電器開關
6.3 繼電器開關動作說明
圖 6-3 為繼電器開關,二極體因為線圈載斷電瞬間會產生逆向脈衝,為了防
止這個逆向脈衝打壞開關電晶體,所以在繼電器的線圈上並連一個逆向的整流二
極體。動作原理是當 330 輸路電壓為 5V,2N222 電晶體導通變飽和,此時 C 極
腳接近 0V,所以繼電器就上電開啟,NC 會跳到 NO 去,反之 330 輸入 0V,則
會相反
附錄
元件說明:
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ADC0804 類比轉數位 IC:
此 IC 是一顆將類比訊號輸出為 8 位元數位訊號的 IC,由於內部構造繁雜,
在這裏我們以接腳說明為主。
圖 7ADC0804IC 圖
1. CS:晶片選擇,Lo 動作
2. RD:讀取致能,Lo 動作
3. WR:轉換控制訊號,Lo 動作
4. INTR:中斷要求輸出端,Lo 動作
5. CLK:轉換時脈輸入端
6. VREF:參考電壓輸入端
7. VCC 和 GND:提供 ADC0804 的正負電源
8. AGND:類比電壓接地端
9. V+和 V-:類比訊號輸入端
10. DB0 到 DB7:資料匯流排
11. CLK R:轉換時脈反相輸出端
ADC0804
DB018
DB117
DB216
DB315
DB414
DB513
DB612
DB711
CS1
RD2
WR3
INTR5
AGND8
VI+6
VI-7
CLKR19
CLK4
VREF9
VCC20
GND10
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89S51 單晶片:
圖 7-1 889S51 接腳圖
1、89S51 規格:
A、89S51 為 8 位元微處理器。
B、ROM:內建 4K bytes、外部最多可擴充至 64K bytes
C、RAM:內建 128 bytes、外部最多可擴充至 64K bytes。
D、四組可謂原定址的 8 位元輸出入埠,P0、P1、P2 以及 P3。
E、一個全雙工串列埠,UART;兩個 16 位元計時 /計數器。
F、五個中斷源,INT0、INT1、T0、T1、TXD/RXD。
G、111 個指令碼。
2、89S51 包裝與重要接腳(表四):
89S51 採 PDIP40 針腳式的包裝方式。『相鄰兩隻腳的距離為 0.1 英吋(即
2.540mm)、 零件長度為 52.578mm,而兩排接腳之間距為 0.6 英吋(即
15.875mm),而零件後度
為 4.826mm(不含接腳 )。』(註二)
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表 7 重要接腳
接腳名稱 接腳位置 功能
電源接腳(VCC) 40 連接 5V 誤差 10%
電源接腳(GND) 20 接
地 輸出入埠(PORT0) 39~32 輸入 /
出 輸出入埠(PORT2) 1~8 輸入 /
出 輸出入埠(PORT2) 21~28 輸入 /
出 輸出入埠(PORT3) 10~17 輸入 /
出 重置接腳 9 重
置 時脈接腳(XTAL1) 19 輸入脈波
時脈接腳(XTAL2) 18 輸入脈波
記憶體接腳 31 當 EA=1,系統使用內部
記憶體;EA=0,使用外
部記憶體。
外部記憶體控制接
腳 (ALE-位置拴鎖
致能)
30 當 ALE=1,PORT0 被當
成位址匯流排;ALE=0,
PORT0 被當成資料匯
流 排。
外部記憶體控制接腳
(PSE-程式儲存致能)
29 存取外部記憶體
HT9200A雙音多頻信號產生器:
它們可由指令控制産生 16 種雙頻信號和 8 種單頻信號,並由 DTMF 引腳
輸出。HT9200A 提供一種串列模式,而 HT9200B可以選擇爲串列或並行模式,該
晶片可以有多種應用,如安全系統、家庭自動化、通過電
話線進行遠端控制、通訊系統等。
圖7-2 HT9200A雙音多頻信號產生器
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串列模式(HT9200A/HT9200B) :
在串列模式下,HT9200A/B 通過 DATA 引腳輸入的一個 5bit 的代碼來控制
不同的 DTMF 信號輸出,這 5 位元代碼按照 D0 到 D4 的順序來傳,並且資料
要在 CLK 引腳下降緣到來之前放到輸出閂鎖中。
控制代碼與頻率輸出對應關係(串列模式):
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30
參考文獻
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介,葉國泰。
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4. 感測器應用電路的設計與製作,孫清華 編譯
5. 常用線性 IC 資料手冊,黃金定、孫宗瀛 編著
6. IC 定時器手冊,林銘波
7. 喬治查爾斯電子電路網 http://gc.digitw.com/
8. ADC0804、HT9200A DATASHEET
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