畢業(yè)設計（論文）-燃器報警器設計.doc

河北建材職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計論文題目：燃器報警器設計 系 別 信息機電系 專 業(yè) 應用電子技術 班 級 09電子 姓 名 學 號 0406090102 指導教師 2012年4月20日摘 要家庭使用液化氣、燃氣等可燃氣體作燃料的越來越多，但是這些氣體有害、易爆炸，隱患事故多，如氣體泄漏時不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，會給家庭及鄰居帶來災難性危害。本次設計內(nèi)容包括可燃氣體報警電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理。此報警電路以氣敏傳感器為主要組成部分,氣敏半導體傳感器檢測到可燃氣體時通過電導率的改變來控制多諧振蕩器及正反饋振蕩器間歇工作，通過報警電路從而達到報警的目的。 隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆氣體的種類和使用范圍都隨之增加。這些氣體在使用過程中一旦發(fā)生泄漏，與空氣混合后將會引發(fā)火災。由于氣體本身存在的擴散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風力作用下，可燃氣體會沿地表面迅速擴散，擴大危害區(qū)域。一旦發(fā)生可燃氣體泄漏事故，及時可靠地探測空氣中可燃氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。 本次設計的題目是家用可燃氣體報警器，主要應用于家庭中。本設計應用的主要器件是氣敏半導體傳感器，該傳感器的靈敏度高，因此可以檢測可燃氣體的微量泄漏。關鍵詞：燃器；報警器；設計ABSTRACT Court to use liquefied petroleum gas, gas and other combustible gas as a fuel, more and more, but these gases are harmful, explosive, hidden accidents, such as gas leaks, not timely detection and handling, will give families and neighbors to bring catastrophic harm. The design includes the structure and working principle of the combustible gas alarm circuit.This alarm circuit as the main component of gas sensors, gas semiconductor sensor detection of combustible gases multi.vibrator is controlled by changes in electrical conductivity and the positive feedback oscillator intermittent alarm through the alarm circuit so as to achieve the purpose. With the development of the petrochemical industry, flammable, the type and scope of use of the explosive gases have increased. These gases in the course of the event of leakage, mixed with air will result in a fire .Due to the diffusion of the gas itself, after the leak in the external wind effect gas experience rapid spread along the ground surface, expanding the hazard area. Once the combustible gas leakage accident occurs, timely and reliable detection of combustible gases in air content, and take timely and effective measures to remedy, correct disposal methods to reduce the leak caused the accident, is a necessary condition to avoid causing major property and casualty.The subject of this design is the home combustible gas alarm, mainly used in the home. The main components of the design application is the gas sensitive semiconductor sensor, the sensors high sensitivity enables the detection of combustible gases trace leak. Key words: burner; alarm; design目 錄 摘要.1 第一章 引言.1 1.1 本課題研究的背景與意義.2 1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展.2 第二章 方案設計.3 2.1 整體設計思想.3 第三章 電路設計.4 3.1 電源模塊的設計.4 3.2可燃氣體檢測模塊的設計.4 3.3 報警模塊的設計.5 3.4燃器報警器的組成以及工作原理.6 第四章 電路的仿真與分析.8 4.1 電路的PCB仿真.8 4.2 電路的調(diào)試分析.9 第五章 所用芯片及其他器件選擇.10 5.1 555定時器.10 5.2氣敏元器件.10 5.3繼電器.11 畢業(yè)設計總結(jié)及致謝.13 參考文獻.14 引言1.81 化工行業(yè)的發(fā)展，易燃易爆氣體的種類和適用范圍都隨之增加，這些氣體在使用過程一旦發(fā)生泄漏，與空氣混合后將會引發(fā)火災。由于氣體本身存在的擴散性，在外部風力作用下，可燃氣體會沿著地表面迅速擴散，夸大危害區(qū)域。一旦發(fā)生可燃氣體泄漏事故，及時可靠地探測空氣中可燃氣體的含量，及時采取有效措施進行補救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。由于燃氣泄漏引發(fā)的爆炸，中毒和火災事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使可燃氣體更好的造福于民，造福于社會，減少并杜絕各種因燃氣泄漏而引發(fā)的爆炸及火災事故，固可燃氣體使用單位及居民用戶選擇一種適合的燃器報警器實為必要之舉。1.1 本課題研究的背景及意義 生活當中，天然氣，煤氣，液化氣已經(jīng)成為人們常用的燃料，然而由于器具或傳輸通道老化，很容易發(fā)生泄漏事件。若泄漏的可燃性氣體或液體蒸汽未被及時發(fā)現(xiàn)，而使氣體濃度不斷積累，進而達到一定的爆炸極限，則隨時可能發(fā)生火災甚至是爆炸等惡性事故，造成人身傷亡的重大事故，釀成不堪設想的悲劇，國內(nèi)外均有這方面不少的報道，其教訓是非常深刻的。為了防患于未然，需采用先進的，可靠地安全監(jiān)測器嚴密監(jiān)測環(huán)境中的可燃氣體的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而采取有效措施，確保人身安全。它的重要性已被安全意識日益增強的人們所公認。為此我們需要研制出一種可燃性氣體定量限時報警器，用于檢測空氣中可燃氣體的濃度，但空氣中的可燃性氣體濃度達到一定值時，指示燈點亮并報警。從而保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災和爆炸事故發(fā)生。1.2 國內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢2.81 目前世界上可燃氣體報警器的產(chǎn)品規(guī)格有300到400種，可燃氣體檢測設備從儀器結(jié)構(gòu)上可檢測方法上可分為便攜式，袖珍式和固定式3類型。便攜式檢測儀器主要為泵吸式。泵吸式儀器一般有較長吸樣管，以用于危險作業(yè)場所對未知濃度的有害易燃易爆氣體進行檢測，適用于檢測人員定期進行安全檢測和日常檢測；袖珍式儀器的檢測方法主要以擴散法為主，適合與在危險作業(yè)環(huán)境中安全人員隨身攜帶。目前氣體報警器行業(yè)主要根據(jù)不同的氣體來生產(chǎn)不同的報警器。由于氣體報警器并不是通用性，比如天然氣場合使用天然氣報警器，人工煤氣場合使用人工煤氣報警器，所以會有不同的氣體報警器。報警服務業(yè)在國外發(fā)達國家，無論是市場制度的建立完善，行業(yè)資源配置的合理，管理水平的提高，完善的法律保障體系，還是嚴格的行業(yè)規(guī)范等等都已經(jīng)比較成熟。中國在可燃氣體報警電路的研制也取得了很大的收獲。 氣體報警器行業(yè)市場目前規(guī)模不是很大，但未來需求潛力巨大。由于市場上的氣敏傳感器的價格普遍較貴，一般家用可燃氣體報警器的最低價格要150元，目的在于降低產(chǎn)品成本，促進燃器報警器的推廣。第二章 方案設計2.1 整體設計思想從功能角度上看燃器報警器電路要實現(xiàn)可燃氣體的感應，將氣體的濃度轉(zhuǎn)化成電壓的變化，氣體濃度達到一定程度發(fā)出報警。該設計的可燃性氣體報警通風裝置，采取單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成。它的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用元件相對較少，使其制作成本大大降低，經(jīng)濟實用，適應了燃器報警器價格逐步降低的趨勢，具有較高的性價比。圖1即為燃器報警器報警系統(tǒng)設計的方案框圖，其主要組成電路為：電源電路、穩(wěn)壓電路、傳感器及設定電壓、比較電路、放大電路及報警電路。報警電路3.81 第三章 電路的設計3.1 電源模塊的設計 原理說明：如圖所示電路由家用220V電壓，變壓器，整流電路，及濾波穩(wěn)壓電路組成，實現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)變，在供電給后續(xù)電路工作。 電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓海水電網(wǎng)電壓波動，負載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動，負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。電源部分電路 3.2 檢測模塊的設計4.81 原理說明：如圖所示當空氣中的可燃氣體未到達一定值時，QM-N5氣敏傳感器電阻值很大，使電壓比較器正向輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為低電平，繼電器不工作，如果空氣中的可燃氣體濃度達到一定值時，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正向輸入端電壓大于反相輸入端電壓，比較器輸出高電平，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報警電路。改變RV2滑動變阻器的阻值，可以改變電壓比較器的反相輸入端的電壓，使聲光報警電路可以在可燃氣體不同濃度下工作。即用氣敏傳感器實現(xiàn)可燃氣體不同濃度的測量。 3.3 報警模塊的設計 原理說明：如圖所示中繼電器控制聲光報警電路，繼電器的電感線圈的一端與電壓比較器輸出端相連。當電壓比較器輸出低電平時，繼電器內(nèi)部的開關打開，聲光報警電路不工作；當電壓比較器輸出高電平時，繼電器內(nèi)部開關閉合，聲光報警電路在電源的供電下開始工作。 555多諧振蕩器輸出端為個周期性的方波，其頻率為： f=1/(tpl+tph),可近似看成 f=1.43/(r1+r2)c 本設計中R1=22K，R2=11K，c=33u，可算得f約為1hz,即555多諧振蕩器會產(chǎn)生一秒的連續(xù)脈沖。5.81 3.4 燃器報警器的組成以及工作原理6.81 由220v交流電壓經(jīng)電源變壓器，整流電路，濾波和穩(wěn)壓電路四部分后變?yōu)橹绷麟妷海饷魝鞲衅骷奥暪鈭缶娐饭ぷ?。當空氣中的有害氣體濃度為達到一定值時，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使電壓反向比較器正向輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為低電平，繼電器不工作；空氣中的可燃氣體達到一定值時，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正向輸入端電壓大于反相輸入端電壓，比較器輸出高電平，繼電器工作，從而驅(qū)動聲光報警電路。當可燃氣體的體積分數(shù)降到某一預定值時，該控制器回自動切斷聲光報警電路的工作電源，時期停止工作，從而達到了自動控制可燃氣體的目的。 7.81第四章 電路的仿真與分析4.1 電路的PCB仿真. protel99se設計的燃器報警器只需簡略改良即可增長把持功效，可方便實現(xiàn)主動把持開啟風扇等裝置。該可燃性氣體泄漏報警器不僅適于家庭，也適于工礦企業(yè)等利用，且其報警敏銳度、報警提示功效、可靠性等優(yōu)于目前已有產(chǎn)品。1.用protel軟件繪制系統(tǒng)原理圖8.812. PCB 制圖4.2 電路的調(diào)試分析將該傳感器接至規(guī)定負載，在加電的初始階段，傳感器的電導率呈現(xiàn)一個較高的值，約3 min左右達到穩(wěn)態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃氣體中，其電導率將升高，在一定范圍內(nèi)，可燃氣體濃度越高，傳感器電導率也越高，如果將傳感器與負載串聯(lián)，負載即引起電壓變化，讀取這一變化電壓，經(jīng)比較、放大即可實現(xiàn)報警與控制等功能。該設計的家用可燃性氣體泄露報警及通風裝置，采取了單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成，從而該設計的燃氣報警裝置有較高的性價比。該智能可燃性氣體報警器具有較好的性能，并且價格低廉，適應市場上可燃性氣體報警器發(fā)展的方向，所以其應用前景廣闊。9.81第五章 所用芯片及其他器件說明5.1 555定時器555為8腳封裝的器件。其中，1腳(GND)為接地腳;2腳(TL)為低電平觸發(fā)端;3腳(Q)為電路的輸出端;4腳為復位端，低電平有效;5腳(V-C)為電壓控制端;6腳(TH)為閾值輸入端;7腳(DIS)為放電端;8腳(VCC)為電源電壓端，其電壓范圍318V。 如圖所示，由555組成的多諧振蕩器工作原理如下 ：接通電源后，電容c被充電，當vc上升到2/3vcc時，觸發(fā)器被復位，同時發(fā)電BjT T 導通，此時Vo為低電壓，電容C通過R2和T放電，使Vc下降。當Vc下降到（1/3)Vcc時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時間為: Tpl=R2Cln2,可近似看成tpl=0.7R2C 當C放電結(jié)束時，T截止，VCC將通過R1、R2向電容器C充電，VC由(1/3）Vcc上升到（2/3)Vcc所需的時間為: Tph=(R1+R2）Cln2,可近似看成tph=0.7（R1+R2）C 而當Vc上升到（2/3）Vcc時，觸發(fā)器又周而復始，在輸出端就得到一個周期性的方波，其頻率為： F=1/(tpl+tph），可近似看成f=1.43/(R1+R2)C 10.815.2 QM-N5氣敏傳感器9.81QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導體氣敏元件，當元件接觸還原性氣體時，其電導率隨氣體濃度的增加而迅速升高。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測，屬于N型半導體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應和恢復時間短.工作電壓AC或DC(50.5)V;回路電壓最大DC24 V;負載電阻2 k;清潔空氣中電阻小于等于4 000 k;靈敏度大于等于4(1 000 ppm C4H10);響應時間小于等于10 s;恢復時間小于等于30 s;檢測范圍為5010 000ppm。QM-N5使用注意事項；元件開始通電工作時，沒有接觸可燃性氣體，其電導率急劇增加1 min后達到穩(wěn)定，這時方可正常使用;加熱電壓的改變會直接影響元件的性能，所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳;使用溫度-15+35;相對濕度45%75%RH;大氣壓力80106 kPa;為避免腐蝕性氣體及油污染，長期使用，需防止堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。5.3 繼電器電磁繼電器是自動控制電路中常用的一種元件。實際上它是用較小電流控制較大電流的一種自動開關。因此，廣泛應用于電子設備中。電磁繼電器一般由一個線圈、鐵心、一組成幾組帶觸點的簧片組成。觸點有動觸點和靜觸點之分，在工作過程中能夠動作的稱為動觸點，不能動作的稱為靜觸點。 電磁繼電器的工作原理是這樣的：當線圈通電以后，鐵心被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，吸動銜鐵并帶動簧片，使動觸點和靜觸點閉合或分開；當線圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵返回原來的位置，動觸點和靜觸點又恢復到原來閉合或分開的狀態(tài)。應用時只要把需要控制的電路接到觸點上，就可利用繼電器達到控制的目的。11.81 繼電器的電符號和觸點形式。繼電器線圈在電路中用一個長方框符號表示，如果繼電器有兩個線圈，就畫兩個并列的長方框。同時在長方框內(nèi)或長方框旁標上繼電器的文字符號“J”。繼電器的觸點有兩種表示方法：一種是把它們直接畫在長方框一側(cè)，這種表示法較為直觀。另一種是按照電路連接的需要，把各個觸點分別畫到各自的控制電路中，通常在同一繼電器的觸點與線圈旁分別標注上相同的文字符號，并將觸點組編上號碼，以示區(qū)別。 繼電器的選用： 1.先了解必要的條件：控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流；被控電路需要幾組、什么形式的觸點。選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)?？刂齐娐窇芙o繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 2.查閱有關資料確定使用條件后，可查找相關資料，找出需要的繼電器的型號和規(guī)格號。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。 3.注意器具的容積。若是用于一般用電器，除考慮機箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對于小型電器，如玩具、遙控裝置則應選用超小型繼電器產(chǎn)品。12畢業(yè)設計總結(jié)及