國立勤益科技大學

輕便型瓦斯偵測器

四子三乙 3A013067 許修榮

1

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

2

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

3

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

4

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。

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。

6

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

7

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

8

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

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

10

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

11

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。

12

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

13

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。

14

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

15

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。

16

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

17

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

18

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

19

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

20

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

21

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

22

圖 5-10 當電壓為 4.95V 對照為 275ppm，七段顯示 9

23

第六章 播號電路

6.1 電路流程

圖 6-1 播號電路流程圖

24

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。

25

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:

26

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

27

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)

28

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

29

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)：

30

參考文獻

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介，葉國泰。

2. 運算放大器設計應用鐵則，陳連春。

3. 單晶片微電腦 8051/8951 原理與應用，蔡朝洋。

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