氣體報(bào)警電路設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué) 課 程 設(shè) 計(jì) 2011 年 7 月 3 日 任務(wù)書 課 程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題 目 氣體報(bào)警電路設(shè)計(jì) 院 系 電氣信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 測控 2008-1 班 學(xué)生姓名 李瑩 學(xué)生學(xué)號 080601240107 指導(dǎo)教師 趙志華（講師） 路敬祎（講 師） 課程 傳感器課程設(shè)計(jì) 題目 氣體報(bào)警電路設(shè)計(jì) 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 李瑩 學(xué)號 080601240107 主要內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)氣體報(bào)警電路，畫出電路原理圖，確定元器件及元件參數(shù)。 基本要求： 1、設(shè)計(jì)一個(gè)氣體報(bào)警電路，準(zhǔn)確地理解有關(guān)要求，獨(dú)立完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，要 求所設(shè)計(jì)的電路具有以下功能： 1）當(dāng)有害氣體體積分?jǐn)?shù)高于某一

2、設(shè)定值時(shí)，開啟排風(fēng)扇； 2）同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警信號； 2、給出設(shè)計(jì)方案，畫出設(shè)計(jì)電路的電路圖、寫明電路工作原理、有源元件 給出芯片介紹。 主要參考資料： 1 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2001. 2 宋文緒.傳感器與檢測技術(shù)J.北京：高等教育出版社，2004. 3 余孟嘗.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2006. 4 王文秀.電子元器件M.北京：人民郵電出版社，1985. 5 劉潤華,劉立山.模擬電子技術(shù)J.山東：石油大學(xué)出版社，2003. 完成期限 2011.6.272011.7.1 指導(dǎo)教師 趙志華 路敬祎 專業(yè)負(fù)責(zé)人 曹廣華 2011 年 6 月

3、 24 日 1 摘 要 當(dāng)擴(kuò)散到空氣中的有害氣體達(dá)到一定的濃度的時(shí)候，若人們吸入這些氣體， 會(huì)給身體帶來危害，重則導(dǎo)致死亡；同時(shí)一定濃度的氣體極易發(fā)生爆炸，從而嚴(yán) 重威脅人民的生產(chǎn)生活，針對氣體的這些危害我們選擇了氣體報(bào)警器。 1）對于工業(yè)甚至是一般家庭，當(dāng)氣體（燃?xì)猓┌l(fā)生泄露時(shí)，報(bào)警器將會(huì)報(bào) 警，可避免中毒甚至爆炸。 2）有害氣體檢測報(bào)警儀是專用的安全衛(wèi)生檢測儀，用來檢測化學(xué)品作業(yè)場 所或設(shè)備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體和蒸氣含量并超限報(bào)警，可避免因有害氣 體而引起的災(zāi)害和事故。主要內(nèi)容包括電路的設(shè)計(jì)，芯片選擇，分析工作原理， 元件選擇和參數(shù)確定。 包括兩種方案： 1）可燃性氣體泄漏報(bào)警器；

4、開機(jī)預(yù)熱 3 min，裝置無初始報(bào)警。當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，幾秒鐘后裝置開始報(bào) 警，若將裝置移離現(xiàn)場到，約 30 s 后報(bào)警停止。 2）有害氣體報(bào)警器。 當(dāng)有害氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警同時(shí)開啟排風(fēng)扇，降低氣體濃 度。 關(guān)鍵詞：報(bào)警器；有害氣體；排氣風(fēng)扇；氣敏傳感器 2 目 錄 一 、設(shè)計(jì)要求 .1 1、功能與用途 .1 2、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀 .1 二、方案設(shè)計(jì) .1 1、方案一 .1 2、方案二 .2 三、傳感器工作原理 .3 四、電路的工作原理 .3 五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 .4 1、單元電路設(shè)計(jì) .4 2、器件選擇 .6 3、系統(tǒng)需要的元器件清單 .7 六、總結(jié) .

5、8 傳感器課程設(shè)計(jì) 1 氣體報(bào)警電路設(shè)計(jì) 一 、設(shè)計(jì)要求 1、功能與用途 有害氣體檢測報(bào)警儀是專用的安全衛(wèi)生檢測儀，用來檢測化學(xué)品作業(yè)場所 或設(shè)備內(nèi)部空氣中的可燃或有毒氣體和蒸氣含量并超限報(bào)警。另外，空氣欠氧 檢測儀也屬于這類儀器。 危險(xiǎn)化學(xué)品場所有害氣體檢測，主要有以下幾種情況： 泄漏檢測：設(shè)備管道有害氣體或液體（蒸氣）現(xiàn)場所泄漏檢測報(bào)警，設(shè)備 管道運(yùn)行檢漏。 檢修檢測：設(shè)備檢修置換后檢測殘留有害氣體或液體（蒸氣） ，特別是動(dòng)火前檢測更為重要。應(yīng)急檢測：生產(chǎn)現(xiàn)場出現(xiàn)異常情況或者處理事 故時(shí)，為了安全和衛(wèi)生要對有害氣體或液體（蒸氣）進(jìn)行檢測。 進(jìn)入檢測：工作人員進(jìn)入有害物質(zhì)隔離操作間，進(jìn)入危險(xiǎn)

6、場所的下水溝、 電纜溝或設(shè)備內(nèi)操作時(shí)，要檢測有害氣體或液體蒸氣。 巡回檢測：安全衛(wèi)生檢查時(shí)，要檢測有害氣體或液體蒸氣。 危險(xiǎn)化學(xué)品要加強(qiáng)安全管理，完善安全措施、控制事故隱患。但是，不可 能達(dá)到絕對安全，仍然會(huì)出現(xiàn)萬有一失的情況。因此，事故隱患的檢測報(bào)警， 在危險(xiǎn)化學(xué)品場所有害氣體或液體（蒸氣）檢測報(bào)警，是非常必要的，對避免 和控制事故具有重要意義。 2、課題意義及產(chǎn)品發(fā)展現(xiàn)狀 現(xiàn)階段氣體傳感器越來越能進(jìn)入我們的日常生活，一氧化碳，煤氣，液化石 油氣等氣體與人民聯(lián)系非常密切，因此，氣體報(bào)警器不但用于工業(yè)也慢慢的融入 我們的生活當(dāng)中。目前，在工業(yè)上，隨著制造技術(shù)的發(fā)展，便攜式多氣體 (復(fù) 合式)檢

7、測儀也是一個(gè)新的 潮流。由于這種檢測儀可以在一臺(tái)主機(jī)上配備所需 的多個(gè)氣體(無機(jī)/有機(jī))檢測傳感器，所以它具有體積小、重量輕、相應(yīng)快、 同時(shí)多氣體濃度顯示的特點(diǎn)。更重要的是，泵吸式復(fù)合式氣體檢測儀的價(jià)格要 比多個(gè)單一擴(kuò)散式氣體檢測儀便宜一些，使用起來也更加方便。 二、方案設(shè)計(jì) 1、方案一 傳感器課程設(shè)計(jì) 2 可燃性氣體泄漏報(bào)警器電路設(shè)計(jì)。將該裝置置于某密閉空間內(nèi)，開機(jī)預(yù)熱 3 min，裝置無初始報(bào)警。當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，幾秒鐘后裝置開始報(bào)警，再將裝置移 離現(xiàn)場到，約 30 s 后報(bào)警停止。當(dāng)密閉空間中仍散有氣體時(shí)，它將持續(xù)報(bào)警， 將它置于窗外，它才能較快恢復(fù)并停止報(bào)警。 蜂鳴器 延時(shí)電路 比較器

8、電位器 氣敏傳感器 圖 1 方案一原理框圖 2、方案二 有害氣體控制報(bào)警電路設(shè)計(jì)。接通電源讓傳感器預(yù)熱幾分鐘，往容器注入氣 體，一段時(shí)間以后，繼電器吸合，其常開觸點(diǎn) Kl、K2、K3 均閉合，使排風(fēng)扇電 動(dòng)機(jī) M 和聲、光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響亮的警聲信號，發(fā)光二 極管 VL 隨著警聲而閃亮。當(dāng)氣體濃度降低以后，繼電器會(huì)自動(dòng)切斷排風(fēng)扇和聲、 光報(bào)警電路的工作電源，使其停止工作，從而達(dá)到了自動(dòng)控制室內(nèi)有害氣體的目 的。 圖 2 方案二原理框圖 通過方案比較，由于方案三的抗干擾能力較強(qiáng)，電路功能全面，且方案一可 實(shí)現(xiàn)的功能方案三均可實(shí)現(xiàn)，故選用方案三。方案三電路由電源電路、氣體檢

9、測 電路、電子開關(guān)電路和聲光報(bào)警電路組成，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和廚房中，具有不錯(cuò) 的前景。 有害氣體傳感器是將空氣中的有害氣體含量轉(zhuǎn)化為電信號的器件。傳感 器產(chǎn)生的電信號經(jīng)電子線路處理、放大和傳感器在現(xiàn)場使用，承受各種惡劣環(huán) 電源電路 氣體檢測電路 電子開關(guān)電路 光聲報(bào)警器 排風(fēng)扇 傳感器課程設(shè)計(jì) 3 境和氣氛的影響，特別是固定式儀器的傳感器，長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，又有防爆和供 電容量的限制，因此對有害氣體傳感器的要求非常嚴(yán)格。轉(zhuǎn)換后，實(shí)現(xiàn)有害氣 含量的顯示和報(bào)警。 三、傳感器工作原理 聲表面波器件之波速和頻率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就 是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的

10、氣敏薄膜，當(dāng)該氣 敏薄膜與待測氣體相互作用，使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時(shí)，引 起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程 度亦不同，即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就 可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化。利用光敏二極管代替開關(guān)，銜接報(bào)警電路。 氣敏傳感器種類繁多，我們在這里使用 MQ-N5 型傳感器，它是一種新型的電 阻，型氣敏型元件，可用于天然氣、煤氣、石油氣等檢漏報(bào)警。具有靈敏度高， 長期穩(wěn)定性好，壽命長，價(jià)格低，功耗小，可方便使用電池等特點(diǎn)。MQ-N5 型傳 感器原理：將該傳感器接至規(guī)定負(fù)載，在加電的初始階段，傳感器的電導(dǎo)率呈現(xiàn)

11、 一個(gè)較高的值，約 3 min 左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃?xì)怏w 中，其電導(dǎo)率將升高，在一定范圍內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度越高，傳感器電導(dǎo)率也越高， 如果將傳感器與負(fù)載串聯(lián)，負(fù)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(shí)現(xiàn)報(bào)警與控制等功能。 四、電路的工作原理 該有害氣體控制報(bào)警器電路由電源電路、氣體檢測電路、電子開關(guān)電路和聲 光報(bào)警電路組成。原理圖如圖 3 所示。接通電源讓傳感器預(yù)熱幾分鐘，往容器 （圖示的飲料瓶）注入氣體，一段時(shí)間以后，繼電器吸合，其常開觸點(diǎn) Kl、K2、K3 均閉合，使排風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) M 和聲、光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響亮的警聲信號，發(fā)光二

12、極管 VL 隨著警聲而閃亮。排風(fēng)扇不斷地把室內(nèi) 約有害氣體向容器外排放。當(dāng)氣體濃度降低以后，繼電器會(huì)自動(dòng)切斷排風(fēng)扇和聲、 光報(bào)警電路的工作電源，使其停止工作，從而達(dá)到了自動(dòng)控制室內(nèi)有害氣體的目 的。繼電器的吸合主要由晶體管 Vl-V3 來控制，Vl-V3 均截止，繼電器 K 不吸合， 控制器不工作；Vl-V3 均導(dǎo)通，繼電器 K 吸合，其常開觸點(diǎn) Kl、K2、K3 均閉合， 使排風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) M 和聲、光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響亮的警聲信 傳感器課程設(shè)計(jì) 4 號，發(fā)光二極管 VL 隨著警聲而閃亮。排風(fēng)扇不斷地把室內(nèi)約有害氣體向室外排 放。 由于各種有害氣體的比重不同，故用于檢測不

13、同氣體時(shí)，控制器的安裝位置 是不同的。若用于檢測煤氣，則應(yīng)將該控制器安裝在廚房的高處，若用于檢測液 化石油氣，則應(yīng)將該控制器安在廚房的低處。 圖 3 有害氣體報(bào)警電路 五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇 1、單元電路設(shè)計(jì) 1）電源電路 傳感器課程設(shè)計(jì) 5 圖 4 電源電路 因?yàn)樵搱?bào)警裝置主要針對有害氣體對普通居民日常生活的影響，且監(jiān)控報(bào)警 處于長期打開狀態(tài)，我們選擇 220V 交流電作為電源，以減少普通電池的不穩(wěn)定 性，以及頻繁更換的麻煩。而在實(shí)驗(yàn)室演示過程之中，我們直接選用 12V 的電源。 通過變壓器的變壓，轉(zhuǎn)成 12V 交流電，然后接入整流橋，全橋是將連接好的 橋式整流電路的四個(gè)二極管

14、連在一起，作用是通過整流二極管轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性 的直流電壓，之后并聯(lián)了一個(gè)電容 C1，它是濾波電容，C1 接在整流電路的輸出 端與地線之間。因此，加了濾波電路后后、輸出的是直流電壓，而不是單向脈動(dòng) 性直流電壓。濾波電容 C1 的容量越大，對交流成分的容抗越小，使殘留再整流 電路負(fù)載上的交流成分越小，濾波效果就越好。 輸出的直流電壓進(jìn)入三端集成穩(wěn)壓器，為了進(jìn)一步減小輸出電壓的波紋，在 穩(wěn)壓器的輸出端并入了 100uF 的電解電容 C3。 2)氣體檢測電路 圖 5 氣體檢測電路 氣體檢測電路由氣體傳感器和其外圍元器件組成。 氣體傳感器是本部分電路的主體，其工作原理是：當(dāng)氣敏原件表面吸附有被 測氣體

15、的時(shí)候，其電阻率發(fā)生了變化，是一種氣電轉(zhuǎn)換原件。 本電路中氣敏傳感器在不接觸有害氣體時(shí)，其 A、B 兩極間的電阻值很大， Vl-V3 均截止，繼電器 K 不吸合，控制器不工作。 當(dāng)室內(nèi)有害氣體的濃度達(dá)到一定值時(shí)，氣敏傳感器 A、B 兩極間的阻值將變 小，使 Vl-V3 均導(dǎo)通，繼電器 K 吸合，其常開觸點(diǎn) Kl、K2、K3 均閉合，使排風(fēng) 扇電動(dòng)機(jī) M 和聲、光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響亮的警聲信號，發(fā) 光二極管 VL 隨著警聲而閃亮。排風(fēng)扇不斷地把室內(nèi)約有害氣體向室外排放。 當(dāng)室內(nèi)有害氣體的體積分?jǐn)?shù)降到某一預(yù)定值時(shí)，繼電器會(huì)自動(dòng)切斷排風(fēng)扇和 傳感器課程設(shè)計(jì) 6 聲、光報(bào)警電路的

16、工作電源，使其停止工作，從而達(dá)到了自動(dòng)控制室內(nèi)有害氣體 的目的。 有害氣體的比重不同，故用于檢測不同氣體時(shí)，控制器的安裝位置是不同的。 若用于檢測煤氣，則應(yīng)將該控制器安裝在廚房的高處，若用于檢測液化石油氣， 則應(yīng)將該控制器安在廚房的低處。 3)電子開關(guān)電路 電子開關(guān)電路由晶體管 Vl-V3、繼電器 K 和有關(guān)外圍元器件組成。 繼電器 K 為本部分的主體，其結(jié)構(gòu)和工作原理為：主要由鐵芯、線圈、銜鐵、 觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電 流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸 向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。

17、當(dāng)線圈斷電后，電 磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與 原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、 切斷的目的。 繼電器的吸合主要由晶體管 Vl-V3 來控制，Vl-V3 均截止，繼電器 K 不吸合， 控制器不工作；Vl-V3 均導(dǎo)通，繼電器 K 吸合，其常開觸點(diǎn) Kl、K2、K3 均閉合， 使排風(fēng)扇電動(dòng)機(jī) M 和聲、光報(bào)警電路通電工作，揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響亮的警聲信 號，發(fā)光二極管 VL 隨著警聲而閃亮。排風(fēng)扇不斷地把室內(nèi)約有害氣體向室外排 放。 4）聲、光報(bào)警電路 圖 6 聲、光報(bào)警電路 平聲、光報(bào)警電路由音樂集成電路 IC

18、、音頻放大管 V4、V5、揚(yáng)聲器 BL 發(fā) 光二極管 VL 等組成。 該部分為電路的輸出，主要是在繼電器閉合的時(shí)候通過揚(yáng)聲器 BL 中發(fā)出響 亮的警聲信號，發(fā)光二極管 VL 隨著警聲而閃亮起到警示作用。 2、器件選擇 R1、R2、R4-R9 均選用 1/4W 碳膜電阻器，R3 選用 1/2W 碳膜電阻器。 C1、C2 和 C4 均選用耐壓值為 25V 的鋁電解電容器，C3 選用滌綸電容器。 傳感器課程設(shè)計(jì) 7 VD1-VD4、VD7 均選用 1N4007 型硅整流二極管，VD5 和 VD6 均選用 1N4148 型硅開關(guān)二極管。 VSl 選用 lW、l2V 的 lN4742 型穩(wěn)壓二極管；VS

19、2 選用 1/2W、4.5V 的 lN231 或 lN5992B 型穩(wěn)壓二極管。 VL 選用 5mm 的發(fā)光二極管。 Vl 和 V4 選用 S9013 或 3DG6 型硅 NPN 型晶體管；V2 選用 S9012 或 3CG2l 型硅 PNP 型晶體管；V3 和 V5 均選用 S8050 或 C8050 型硅 NPN 型晶體管。 IC 選用 KD9561 型音效集成電路。 K 選用 l2V 的 HH53P 直流繼電器。 BL 選用 8、0.5W 電動(dòng)式揚(yáng)聲器。 氣敏傳感器選用 QM-NG1 型氣敏元件。 3、系統(tǒng)需要的元器件清單 表 1 元器件清單 序號元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注 R1 電阻

20、 2401 R2 電阻 431 Rp 可變電阻器 220K1 R4 電阻 301 R5 電阻 47K1 R6 電阻 10K1 R7 電阻 240K1 R8 電阻 1K1 R9 電阻 2001 C1 鋁電解電容器 470/25V1 C2 鋁電解電容器 220/25V1 C3 滌綸電容器 0.01/25V1 C4 鋁電解電容器 100/25V1 IC 音效集成電路 KD95611 VD1-VD4 整流二極管 1N40074 VD5-VD6 開關(guān)二極管 1N41482 VD7 整流二極管 1N40071 傳感器課程設(shè)計(jì) 8 VS1 穩(wěn)壓二極管 lN474211W/12V VS2 穩(wěn)壓二極管 lN23

21、110.5W/4.5V VL 發(fā)光二極管 5mm1 V1 NPN 型晶體管 S90131 V2 PNP 型晶體管 S90121 V3 NPN 型晶體管 S80501 V4 NPN 型晶體管 S90131 V5 NPN 型晶體管 S80501 K 直流繼電器 HH53P112V BL 電動(dòng)式揚(yáng)聲器 8/0.5W1 AB 氣敏傳感器 QM-N51 六、總結(jié) 本設(shè)計(jì)為有害氣體報(bào)警系統(tǒng)，包括：氣敏傳感電路、微處理器、電壓頻率轉(zhuǎn) 換模塊、穩(wěn)壓器模塊、光電語言報(bào)警電路；氣敏傳感電路由數(shù)字電位器、氣敏傳 感器構(gòu)成；數(shù)字電位器的一端接穩(wěn)壓器的輸出電壓，另一端接氣敏傳感器，而調(diào) 整端接微處理器的控制端口；氣敏傳感器輸出的電壓經(jīng)過電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換 為與之成線性關(guān)系的頻率信號后輸出至微處理器的輸入端口；對應(yīng)某一燃?xì)鉂舛龋?設(shè)定微處理器輸入端口預(yù)期值，如果氣敏傳感器輸出的實(shí)際電壓值與所述的微處 理器輸入端口上設(shè)定的預(yù)期值偏離，則由微處理器計(jì)算出此偏離值，并將此偏離 值存入微處理器的存儲(chǔ)器內(nèi)，微處理器以此偏離值作為實(shí)際運(yùn)行的修正值，在此 修正值的基礎(chǔ)上進(jìn)行判斷。本發(fā)明能夠自動(dòng)完成有毒有害氣體報(bào)警，省時(shí)省力， 降低生產(chǎn)成本，加強(qiáng)穩(wěn)定性和可靠性。 在使用的時(shí)候需要一分鐘左右的時(shí)間預(yù)熱，完成預(yù)熱后若氣體濃度超過某一 數(shù)值時(shí)，將會(huì)在幾秒內(nèi)開始報(bào)警，并同時(shí)開啟風(fēng)扇，降低氣體濃度，恢復(fù)到無害 狀態(tài)。