傳感器原理及項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn) 課件 項(xiàng)目5-敏感氣體檢測(cè)

項(xiàng)目5

敏感氣體檢測(cè)

主講人0.1認(rèn)識(shí)敏感氣體傳感器0.2酒精傳感器應(yīng)用應(yīng)用實(shí)訓(xùn)0.3可燃?xì)怏w傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)0.4思考與練習(xí)目錄

我們生活在氣體的環(huán)境中，氣體與我們的日常生活密切相關(guān)。我們對(duì)氣體的感知是利用鼻子這個(gè)器官，而氣敏傳感器的作用就是相當(dāng)于我們的鼻子，可以“嗅”出空氣中某種特定的氣體或判斷氣體的濃度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體成分的檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，以改善人們的生活水平，保障人民的生命安全。

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制，煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警，環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)，煤氣泄漏，火災(zāi)報(bào)警，燃燒情況的檢測(cè)與控制等。

氣敏傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。生活中常用的這類傳感器有：測(cè)量飲酒者呼氣中酒精含量的傳感器；測(cè)量汽車空燃比的氧氣傳感器；家庭和工廠用的煤氣泄漏傳感器；剛發(fā)生火災(zāi)之后測(cè)量建筑材料發(fā)出的有毒氣體傳感器；坑內(nèi)沼氣警報(bào)器等。通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握氣敏傳感器的工作原理，熟悉氣敏傳感器的特性和分類、熟悉氣體傳感器的結(jié)構(gòu)和使用方法。知識(shí)目標(biāo)識(shí)目標(biāo)技能目標(biāo)通過(guò)實(shí)踐和訓(xùn)練，掌握各種氣體傳感器的選型及實(shí)際應(yīng)用，掌握氣體傳感器和STM32的接口技術(shù)和編程技術(shù)。認(rèn)識(shí)敏感氣體傳感器5.15.1認(rèn)識(shí)敏感氣體傳感器

氣敏傳感器是能夠感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種傳感器，即將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。根據(jù)這些信號(hào)的強(qiáng)弱便可獲得與待測(cè)氣體在環(huán)境中存在情況的有關(guān)信息，從而可以進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控、報(bào)警，還可以通過(guò)接口電路與計(jì)算機(jī)或單片機(jī)組成自動(dòng)檢測(cè)、控制和報(bào)警系統(tǒng)。常用的主要有半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器等。5.1.1半導(dǎo)體氣敏傳感器1.半導(dǎo)體氣敏傳感器的工作原理

半導(dǎo)體氣敏元件的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，當(dāng)它的表面吸附有被測(cè)氣體時(shí)，半導(dǎo)體微結(jié)晶粒子接觸界面的導(dǎo)電電子比例就會(huì)發(fā)生變化，從而使氣敏元件的電阻值隨著被測(cè)氣體的濃度改變而改變。電阻值的變化是伴隨著金屬氧化物半導(dǎo)體表面對(duì)氣體吸附和釋放而產(chǎn)生的，為了加速這種反應(yīng)，通常要用加熱器對(duì)氣敏元件加熱。

半導(dǎo)體氣敏元件有N型和P型之分，被測(cè)氣體也可分為氧化型氣體和還原型氣體，如氧氣等具有負(fù)離子吸附傾向的氣體，被稱為氧化型氣體—電子接收性氣體。

當(dāng)氧化型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升；當(dāng)氧化型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降。氫、碳氧化合物、醇類等具有正離子吸附傾向的氣體，被稱為還原型氣體—電子供給性氣體。當(dāng)還原型氣體吸附到N型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子增多，電阻率下降；當(dāng)還原型氣體吸附到P型半導(dǎo)體上，半導(dǎo)體的載流子減少，電阻率上升。圖5-2給出了N型半導(dǎo)體材料SnO2吸附氣體時(shí)氧化還原反應(yīng)及電阻值變化的情況。需要說(shuō)明的是，氣敏元件在工作時(shí)都需要加熱，其目的是加速氣體吸附、脫出的過(guò)程，清潔傳感器并提高靈敏度等。圖5-2SnO2吸附氣體時(shí)氧化還原反應(yīng)及電阻值變化曲線當(dāng)SnO2氣敏傳感器在潔凈的空氣中開始通電加熱時(shí)，其電阻值急劇下降，隨著溫度的上升，SnO2吸附空氣中的氧形成負(fù)離子吸附，其電阻值增加，最后電阻值逐漸趨于穩(wěn)定，這個(gè)過(guò)程一般需要2~10分鐘。當(dāng)氣敏元件的阻值處于穩(wěn)定值后，阻值會(huì)隨被測(cè)氣體的吸附情況而發(fā)生變化，其阻值的變化規(guī)律視氣體的性質(zhì)而定，如果被測(cè)氣體是氧化性氣體（如O2），被吸附氣體分子從氣敏元件得到電子，使N型半導(dǎo)體中的載流子電子減少，因而電阻值增大。如圖5-2中虛線所示。若被測(cè)氣體為還原性可燃性氣體（如H2、CO、酒精等），原來(lái)吸附的氧脫附，而由可燃性氣體以正離子狀態(tài)吸附在金屬氧化物半導(dǎo)體表面，氧脫附時(shí)放出電子，可燃性氣體以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使氧化物半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。若可燃性氣體不存在了，金屬氧化物半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。2.半導(dǎo)體氣敏傳感器的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體氣敏傳感器的敏感部分是金屬氧化物微結(jié)晶粒子燒結(jié)體，其制作是將一定配比的敏感材料氧化鋅（SnO2）、氧化銦（InO）及摻雜劑鉑（Pt）、鉛（Pb）等以水或粘合劑調(diào)和，經(jīng)研磨后使其均勻混合，然后將已均勻混合的膏狀物滴入模具內(nèi)，用傳統(tǒng)的制陶方法進(jìn)行燒結(jié)。燒結(jié)時(shí)埋入加熱絲和測(cè)量電極，最后將加熱絲和測(cè)量電極焊在座上，加特制外殼構(gòu)成器件。這種器件一般分為內(nèi)熱式和旁熱式兩種結(jié)構(gòu)。

內(nèi)熱式器件管芯體積一般都很小，加熱絲直接埋在金屬氧化物半導(dǎo)體材料內(nèi)，兼作一個(gè)測(cè)量電極，該結(jié)構(gòu)制造工藝簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是熱容量小，易受環(huán)境氣流的影響；測(cè)量電路和加熱電路之間相互影響；加熱絲在加熱和不加熱狀態(tài)下產(chǎn)生脹、縮，容易造成與材料接觸不良的現(xiàn)象。圖5-3內(nèi)熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)1、2、4、5-電極；3-SnO2燒結(jié)體

旁熱式氣敏器件的管芯是在陶瓷管內(nèi)放置高阻加熱絲，在瓷管外涂梳狀金電極，再在金電極外涂氣敏半導(dǎo)體材料。這種結(jié)構(gòu)形式克服了內(nèi)熱式器件的缺點(diǎn)，使器件穩(wěn)定性有明顯提高。圖5-4旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)1、2、4、5-電極；

3-加熱器；

6-SnO2燒結(jié)體；

7-陶瓷絕緣管

3.半導(dǎo)體氣敏傳感器的應(yīng)用

半導(dǎo)體氣敏傳感器廣泛應(yīng)用于防災(zāi)報(bào)警，如可制成液化石油氣、天然氣、城市煤氣、煤礦瓦斯以及有毒氣體等方面的報(bào)警器，也可用于對(duì)大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以及在醫(yī)療上用于對(duì)O2、CO2等氣體的測(cè)量，生活中則可用于空調(diào)機(jī)、烹飪裝置、酒精濃度探測(cè)等方面。從檢測(cè)角度來(lái)說(shuō)，氣敏電阻對(duì)氣體的種類、傳感器的靈敏度沒有大的差異。例如能感測(cè)出乙醇的傳感器，也能感測(cè)出氫氣和一氧化碳的含量。通過(guò)改變制造傳感器元件時(shí)的半導(dǎo)體燒結(jié)溫度、半導(dǎo)體中的摻雜物、加熱器的加熱溫度等，并將這些方法結(jié)合起來(lái)應(yīng)用，能使氣敏傳感器具有對(duì)各種氣體的識(shí)別能力。5.1.2

接觸燃燒式氣敏傳感器1.接觸燃燒式氣敏傳感器的工作原理

接觸燃燒式氣敏傳感器的檢測(cè)元件一般為鉑金屬絲(也可表面涂鉑、鈀等稀有金屬催化層)，使用時(shí)對(duì)鉑絲通以電流，保持300℃~400℃的高溫，此時(shí)若與可燃性氣體接觸，可燃性氣體就會(huì)在稀有金屬催化層上燃燒，因此，鉑絲的溫度會(huì)上升，鉑絲的電阻值也上升，通過(guò)測(cè)量鉑絲的電阻值變化的大小，就知道可燃性氣體的濃度。2.接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)

接觸燃燒式氣體傳感器的結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路如圖5-5所示。圖中采用的是橋式電路。它是將鉑絲阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，以達(dá)到測(cè)量可燃?xì)怏w的濃度的目的。圖5-5中R2是補(bǔ)償元件，其作用是補(bǔ)償可燃性氣體接觸燃燒以外的環(huán)境溫度和電源電壓變化等因素所引起的偏差。圖5-5

接觸燃燒式氣敏傳感器結(jié)構(gòu)及測(cè)量電路

圖5-5中，如果在A、B兩點(diǎn)間連接電流計(jì)或電壓計(jì)，就可以測(cè)量A、B兩點(diǎn)的電位差E，并由此求得空氣中可燃?xì)怏w的濃度，若與相應(yīng)的電路配合，就能在空氣中可燃?xì)怏w達(dá)到一定濃度時(shí)，自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。工作時(shí)，要求在R1和R2上保持100~200mA的電流通過(guò)，以供可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件R1上發(fā)生氧化反應(yīng)（接觸燃燒）所需要的熱量。3.接觸燃燒式氣敏傳感器的應(yīng)用

接觸燃燒式氣敏傳感器可用于坑內(nèi)沼氣、化工廠的可燃性氣體量的探測(cè)，城市煤氣泄漏報(bào)警，用于對(duì)半導(dǎo)體敏感元件不合適的空氣污染厲害的餐館等。5.1.3

電化學(xué)式氣敏傳感器

電化學(xué)式氣敏傳感器一般利用液體(或固體、有機(jī)凝膠等)電解質(zhì)，通過(guò)與被測(cè)氣體發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號(hào)來(lái)工作，其輸出形式可以是氣體直接氧化或還原產(chǎn)生的電流，也可以是離子作用于離子電極產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。這種氣體傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，選擇性好，而且能快速響應(yīng)，便于自動(dòng)測(cè)量和控制。

氧化鋯氧傳感器就是一個(gè)典型的電化學(xué)式氣敏傳感器。1.氧化鋯測(cè)量原理

氧化鋯氧傳感器是采用氧化鋯固體電解質(zhì)組成的氧濃度差電池來(lái)測(cè)氧的傳感器。它是20世紀(jì)60年代才興起的，屬于固體離子學(xué)中一個(gè)重要應(yīng)用方面。

氧化鋯傳感器的結(jié)構(gòu)是氧化鋯膜夾在兩個(gè)Pt電極之間，如圖5-6所示。在高溫下（700℃以上）氧化鋯中的氧離子可以自由的移動(dòng)，可以傳導(dǎo)氧離子但不導(dǎo)電。當(dāng)氧化鋯膜兩邊的氧濃度不同時(shí)，兩個(gè)電極之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，電壓與氧濃度的對(duì)數(shù)成正比關(guān)系，因此，氧化鋯傳感器檢測(cè)的是氧化鋯膜兩邊的氧氣濃度差。當(dāng)要檢測(cè)一未知?dú)怏w中的氧濃度時(shí)，氧化鋯膜的另一邊需要是一個(gè)已知氧濃度的氣體，即參考?xì)怏w。普通氧化鋯傳感器的參考?xì)怏w均為空氣。圖5-6氧化鋯傳感器的工作原理2.氧化鋯氧傳感器的結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方式

氧化鋯氧傳感器用于實(shí)際檢測(cè)中，主要需要解決的問(wèn)題是，氧化鋯檢測(cè)頭、反應(yīng)電極及將被測(cè)氣體與參比氣體(空氣)嚴(yán)格隔離的問(wèn)題(也叫作氧探頭的密封問(wèn)題)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，最難以解決的是密封問(wèn)題和反應(yīng)電極問(wèn)題，下面介紹兩種氧傳感器的檢測(cè)方式。1）采樣檢測(cè)式氧傳感器

采樣檢測(cè)方式是通過(guò)導(dǎo)引管，將被測(cè)氣體導(dǎo)入氧化鋯檢測(cè)室。檢測(cè)室通過(guò)加熱元件把氧化鋯加熱到工作溫度(750℃以上)。氧化鋯一般采用管狀，電極采用多孔鉑電極(見圖5-7)。采樣檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是不受檢測(cè)氣體溫度的影響，通過(guò)采用不同的導(dǎo)流管可以檢測(cè)各種溫度氣體中的氧含量。圖5-7多孔鉑電極氧化鋯傳感器2）直插式檢測(cè)方式

直插式檢測(cè)是將氧化鋯直接插入高溫被測(cè)氣體，直接檢測(cè)氣體中的氧含量。這種檢測(cè)方式應(yīng)用在被檢測(cè)氣體溫度在700℃~1150℃時(shí)(特殊結(jié)構(gòu)還可以用于1400℃的高溫)，利用被測(cè)氣體的高溫使氧化鋯達(dá)到工作溫度，不另外用加熱器，如圖5-8所示。直插式氧探頭的技術(shù)關(guān)鍵是陶瓷材料的高溫密封問(wèn)題和電極問(wèn)題。圖5-8直插式氧化鋯氧探頭結(jié)構(gòu)3.氧化鋯使用壽命的影響因素1）多孔Pt電極的問(wèn)題

Zr02氧傳感器在國(guó)內(nèi)普遍存在穩(wěn)定性差和壽命短的現(xiàn)象，即使國(guó)外已完全實(shí)用化了的產(chǎn)品也常常出現(xiàn)電勢(shì)異常、響應(yīng)劣化、電極中毒或脫落現(xiàn)象，這一切都與Zr02氧傳感器的多孔Pt電極的特性有關(guān)。氧探頭反應(yīng)電極過(guò)去一直用多孔Pt制成，因?yàn)樗拇呋芰?qiáng)，現(xiàn)在還有不少成品用多孔Pt電極。多孔Pt電極的表面積極大，是一種熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，特別是由于氧傳感器長(zhǎng)期在高溫下工作，例如滲碳爐中的氧傳感器的工作環(huán)境溫度為860℃—940℃，在這種工作條件下，多孔Pt電極的電極表面分布著的小孔尺寸會(huì)不斷增大而響應(yīng)電極反應(yīng)。2）轉(zhuǎn)晶

Zr離子在強(qiáng)還原性氣氛中會(huì)轉(zhuǎn)化為金屬Zr，并溶解于Pt中形成Pt-Zr固溶體，達(dá)到溶解極限后，開始形成Pt-Zr金屬間化合物，破壞了原始組織結(jié)構(gòu)。

此外，Pt-Zr02黏結(jié)力不好而脫膜也是經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象。3）積炭

多孔Pt電極在滲碳爐中致命的弱點(diǎn)是炭黑堆積在Pt電極的孔洞內(nèi)，特別在高碳勢(shì)的情況下更為嚴(yán)重，炭黑在多孔Pt電極小孔內(nèi)的堆積，使得Pt-Zr02-氣相三相催化反應(yīng)界面處的狀態(tài)發(fā)生變化而使電極反應(yīng)不穩(wěn)定，輸出電勢(shì)波動(dòng)或偏高等現(xiàn)象。4）堵塞

多孔Pt電極的小孔在加熱爐煙道中應(yīng)用時(shí)，經(jīng)常被塵灰堵塞而影響爐氣向三相界面的擴(kuò)散，最終使氧探頭輸出信號(hào)減弱而測(cè)不準(zhǔn)。5）Zr02固體電解質(zhì)的時(shí)效問(wèn)題

Zr02固體電解質(zhì)作為工業(yè)爐用氧探頭往往長(zhǎng)期在700℃以上的高溫下進(jìn)行工作，如果不考慮氣體的影響，這個(gè)工作溫度對(duì)由Y203（氧化釔）固溶為立方相結(jié)構(gòu)的Zr02固體電解質(zhì)來(lái)講，是一個(gè)高溫時(shí)效過(guò)程，這是氧探頭不穩(wěn)定和失效的另一個(gè)主要原因。4.氧化鋯氧傳感器的工業(yè)應(yīng)用

氧化鋯氧傳感器已在國(guó)內(nèi)外廣泛用于工業(yè)爐窯優(yōu)化燃燒，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果；廣泛用于汽車尾氣測(cè)量，明顯地改善了城市環(huán)境污染；廣泛用于鋼液測(cè)氧，大大提高了優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量和產(chǎn)量；廣泛用于惰性氣體中測(cè)氧，其靈敏度和測(cè)氧范圍非其他氧量計(jì)可比。5.氧化鋯氧傳感器的特點(diǎn)

氧化鋯傳感器的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間快，可以在高溫、高壓、低壓下測(cè)量氧氣濃度，如鍋爐尾氣等。暴露在空氣中或在空氣中儲(chǔ)存不會(huì)影響其性能，因此操作方便。

氧化鋯傳感器的缺點(diǎn)是不適合檢測(cè)氣體中含有在高溫下分解或與氧氣反應(yīng)的物質(zhì)，如有機(jī)溶劑和氫氣，不適合檢測(cè)ppm級(jí)氧氣。氧化鋯傳感器需要在高溫下工作，當(dāng)檢測(cè)氣體中含有機(jī)溶劑時(shí)，有機(jī)溶劑會(huì)在電極上產(chǎn)生化學(xué)變化（分解），從而產(chǎn)生一些問(wèn)題：影響電極性能，造成零點(diǎn)漂移；影響傳感器壽命；在高溫下檢測(cè)氣體中的氧氣會(huì)與有機(jī)物反應(yīng)而被消耗掉，使得氧氣檢測(cè)的值比實(shí)際值低。酒精傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)5.25.2.1

實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過(guò)實(shí)訓(xùn)，學(xué)會(huì)使用MQ-3氣體傳感器對(duì)酒精濃度進(jìn)行檢測(cè)，掌握氣體傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，熟悉并掌握STM32F407芯片外設(shè)ADC功能編程應(yīng)用，熟悉使用氣體傳感器進(jìn)行酒精濃度的測(cè)量，在液晶顯示屏幕顯示當(dāng)前酒精濃度數(shù)值。5.2.2氣體傳感器MQ-3簡(jiǎn)介

1.氣體傳感器MQ-3的工作原理5.2酒精傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)

MQ-3氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在酒精蒸汽時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-3氣體傳感器對(duì)酒精的靈敏度高，可以抵抗汽油、煙霧、水蒸氣的干擾。這種傳感器可檢測(cè)多種濃度酒精氣氛，是一款適合多種應(yīng)用的特種傳感器。2.傳感器MQ-3的應(yīng)用及特點(diǎn)MQ-3氣體傳感器可用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)藛T及其他嚴(yán)禁酒后作業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，也用于其他場(chǎng)所乙醇蒸汽的檢測(cè)，其主要特點(diǎn)：·

對(duì)乙醇蒸汽具有很高的靈敏度和良好的選擇性；·

具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；·

驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，成本低；·

快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。3.氣體傳感器MQ-3的特性曲線圖中橫坐標(biāo)為氣體濃度，縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/R0），Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的阻值，R0表示傳感器在潔凈空氣中的阻值。圖中所示都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。可以看出，MQ-3氣體傳感器的阻值隨著氣體濃度的增加而減小，并且從圖中可以看出MQ-3氣體傳感器對(duì)酒精氣體最敏感。圖5-10為MQ-3氣體傳感器靈敏度特性曲線5.2.3氣體傳感器MQ-3硬件接口電路設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后接STM32F407的PF4引腳，F(xiàn)P6291是一款升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，為氣體傳感器MQ-3提供5V電源。5.2.4程序設(shè)計(jì)

本次實(shí)訓(xùn)的任務(wù)是采用MQ-3傳感器對(duì)空氣中的酒精含量進(jìn)行檢測(cè)，由于氣體傳感器MQ-3輸出的是模擬量，AD轉(zhuǎn)換用STM32F407ZGT6外設(shè)ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)，該任務(wù)主要由main.c、STM32F40x_ADC.c程序文件來(lái)完成，STM32F40x_ADC.c完成ADC外設(shè)的配置及對(duì)模擬量的采集轉(zhuǎn)換，main.c將采集到的電壓值轉(zhuǎn)換成酒精濃度值并通過(guò)LCD液晶屏顯示。本實(shí)訓(xùn)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）配置RCC寄存器組，打開ADC設(shè)備時(shí)鐘，同時(shí)打開GPIOF設(shè)備時(shí)鐘；（2）配置GPIOF.4為模擬輸入模式，無(wú)上拉/下拉電阻；（3）AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理及顯示。5.2.5程序運(yùn)行結(jié)果

掃描二維碼獲得整個(gè)工程文件，編譯并運(yùn)行程序，可以看到液晶顯示屏顯示空氣中酒精含量的AD轉(zhuǎn)換值、電壓值以及濃度值?？扇?xì)怏w傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)5.35.3.1實(shí)訓(xùn)目的及要求

通過(guò)實(shí)訓(xùn)，掌握可燃?xì)怏w傳感器MQ-2應(yīng)用調(diào)理電路設(shè)計(jì)，熟悉并掌握STM32F407ZGT6芯片外設(shè)ADC功能編程應(yīng)用，熟悉使用可燃?xì)怏w傳感器進(jìn)行氣體濃度的測(cè)量，在液晶顯示屏幕顯示當(dāng)前可燃?xì)怏w濃度值數(shù)值。5.3可燃?xì)怏w傳感器應(yīng)用實(shí)訓(xùn)5.3.2氣體傳感器MQ-2簡(jiǎn)介1.氣體傳感器MQ-2的工作原理

MQ-2氣體傳感器的制作材料采用在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)，屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)MQ-2氣體傳感器在200到300攝氏度環(huán)境時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與可燃?xì)怏w接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘受到可燃?xì)怏w的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種氣體存在的信息，氣體的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。2.氣體傳感器MQ-2的應(yīng)用及特點(diǎn)

MQ-2氣體傳感器可用于家庭和工廠的氣體泄漏檢測(cè)，適宜對(duì)液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測(cè)，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器，其主要特點(diǎn)：

（1）MQ-2型煙霧傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等氣體有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類氣體更為敏感，具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息（經(jīng)過(guò)測(cè)試：對(duì)烷類的感應(yīng)度比紙張木材燃燒產(chǎn)生的煙霧要好的多，輸出的電壓升高的比較快）。（2）MQ-2型氣體傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。需要注意的是：在使用之前必須加熱一段時(shí)間，否則其輸出的電阻和電壓不準(zhǔn)確。（3）其檢測(cè)可燃?xì)怏w與煙霧的范圍是100~10000ppm(ppm為體積濃度，1ppm=1立方厘米/1立方米)。（4）電路設(shè)計(jì)電壓范圍寬，24V以下均可，加熱電壓5±0.2V。需要注意：如果加熱電壓過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部的信號(hào)線熔斷，從而使器件報(bào)廢。3.氣體傳感器MQ-2的特性曲線圖5-14為MQ-2氣體傳感器靈敏度特性曲線，圖中縱坐標(biāo)為傳感器的電阻比（Rs/R0），橫坐標(biāo)為氣體濃度，Rs表示傳感器在不同濃度氣體中的阻值，R0表示傳感器在潔凈空氣中的阻值。可以看出，MQ-2氣體傳感器的阻值隨著可燃?xì)怏w濃度的增加而減小，并且從圖中可以看出MQ-2氣體傳感器對(duì)可燃?xì)怏w最敏感。圖中所示都是在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下完成的。圖5-14MQ-2氣體傳感器靈敏度特性曲線5.3.3

MQ-2硬件接口電路設(shè)計(jì)

傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后接STM32F407的PF4引腳，F(xiàn)P6291是一款升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，為氣體傳感器MQ-2提供5V電源。5.3.4

程