廚房天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)

1、 目錄1 課程設(shè)計(jì)目的12 課程設(shè)計(jì)題目13 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求13.1設(shè)計(jì)內(nèi)容13.2設(shè)計(jì)要求14 總設(shè)計(jì)方案14.1傳感器的選擇14.2放大電路的選擇34.3單頻音報(bào)警系統(tǒng)的選擇44.4控制電路的選擇55 電路設(shè)計(jì)56 系統(tǒng)原理5結(jié)論6參考文獻(xiàn)711 課程設(shè)計(jì)目的天然氣鍋灶的普遍給我們的生活帶來(lái)了很大的便利，在日常生活中占據(jù)著很重要的地位。但是由于管道設(shè)備的老化，地理、氣候條件等等各種因素的影響以及人為的破壞，經(jīng)常會(huì)造成泄漏事故。天然氣一旦泄漏，不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)上的損失和環(huán)境污染，還會(huì)發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故。因此，日常生活中對(duì)天然氣泄漏的監(jiān)測(cè)十分必要。本次的課程設(shè)計(jì)，就是

2、要設(shè)計(jì)出一種能夠檢測(cè)天然氣濃度在達(dá)到一定高度時(shí)自動(dòng)報(bào)警和打開(kāi)抽煙機(jī)的傳感器系統(tǒng)設(shè)備。2 課程設(shè)計(jì)題目廚房天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)3 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容采用電阻式氣敏傳感器，通過(guò)電壓比較器控制電路通斷以及放大電路放大信號(hào)、555定時(shí)器電路控制蜂鳴器的運(yùn)轉(zhuǎn)以及接觸器，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)廚房中天然氣（CH4）濃度大于1000ppm時(shí)，用蜂鳴器報(bào)警并發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)抽油煙機(jī)。3.2設(shè)計(jì)要求1. 掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2. 獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)格式規(guī)范，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖。4 總設(shè)計(jì)方案4.1傳感器的選擇氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)檢測(cè)氣體的機(jī)理

3、有多種?？衫么龣z測(cè)氣體的物理吸附作用，如濕度傳感器利用吸附水的傳導(dǎo)作用引起表面電導(dǎo)率變化，獲得電信號(hào)；或是由吸附水引起電容變化，由靜電電容的變化取得電信號(hào)；利用待測(cè)氣體的化學(xué)吸附與反應(yīng)引起表面附近的電子或空穴濃度變化而使表面電導(dǎo)率變化，這類(lèi)敏感元件有Zn、SnO2等，用于檢測(cè)可燃?xì)?、CO2、N2類(lèi)等;利用氣體成分的反應(yīng)性如催化燃燒式可燃性氣體傳感器利用可燃性氣體在元件表面催化燃燒是因升溫而引起的鉑絲電阻變化，測(cè)出可燃性氣體的濃度，利用待測(cè)氣體對(duì)固體的分配平衡，如半導(dǎo)體氧敏元件和體電導(dǎo)體半導(dǎo)體可燃性氣敏元件，屬于這類(lèi)的有TiO、CoO等，可用于氧氣、煤氣、液化氣、酒精等的檢測(cè)；還可利用氣體成分

4、的選擇性透過(guò)，如固體電解氧敏元件，當(dāng)元件兩側(cè)的氧濃度不同時(shí)，形成濃差電池電動(dòng)勢(shì)也不同，這就是可用來(lái)檢測(cè)氧濃度的變化，這類(lèi)有ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3、ZrO2-MgO、TrO2-Y2O3等。以氧化物半導(dǎo)體為基質(zhì)材料的氣敏元件，已發(fā)展為包括燒結(jié)型、厚模型、薄膜型、集成型等多種氣敏元件。除半導(dǎo)體表面吸附氣體發(fā)生電子傳遞的表面型氣敏半導(dǎo)體外，還發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體吸附氣體后與體內(nèi)發(fā)生電子傳遞的體電導(dǎo)氣敏半導(dǎo)體和氣體分子在金屬半導(dǎo)體接觸面上產(chǎn)生電子傳遞的結(jié)型氣敏半導(dǎo)體。 在本次設(shè)計(jì)中，從檢測(cè)對(duì)象來(lái)看，天然氣的主要成份是CH4，所以設(shè)計(jì)時(shí)選擇電阻式氣敏傳感器QM-N10來(lái)檢測(cè)氣體。電阻式氣敏

5、電阻傳感器的敏感原件多采用半導(dǎo)體材料如SnO2，當(dāng)這種半導(dǎo)體材料表面某些氣體時(shí)，其電導(dǎo)率將隨氣體濃度的變化而變化。SnO2是由許多晶粒組成的N型多晶體，其內(nèi)部電阻值可以等效為三種：晶粒與晶粒之間的晶間電阻Rn，單個(gè)晶粒的表面電阻Rs和單個(gè)晶粒的體電阻Rb，三類(lèi)等效電阻串聯(lián)連接；其中體電阻不受吸附氣體影響，而表面電阻Rs和晶間電阻Rn的阻值則隨吸附氣體的濃度變化。又由于RnRs，故晶體電阻以晶間電阻Rn等效。它適合檢測(cè)天然氣，煤氣，液化石油氣，氫氣，一氧化碳，烷類(lèi)氣體，烯類(lèi)氣體，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨類(lèi)蒸汽，醚蒸汽及煙霧等。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、用于可燃性氣體的檢測(cè)（CH4、C4H10、H

6、2等）；2 靈敏度高；3、響應(yīng)速度快；4、輸出信號(hào)大；5、壽命長(zhǎng)，工作穩(wěn)定可靠。QM-N10型氣敏傳感器的參數(shù)4.2放大電路的選擇本設(shè)計(jì)放大電路采用高精度、低溫漂的運(yùn)放ICL7650。ICL7650采用14腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式.圖2.3所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。引腳功能說(shuō)明:CEXTB:外接電容 ；CEXTA:外接電容；-IN:反相輸入端；+IN:同相輸入端；V-:負(fù)電源端； CRETN:CEXTA和CEXTB的公共端；OUT CLAMP:箝位端；OUTPU:輸出端；V+:正電源端； INT CL

7、KOUT:時(shí)鐘輸出端；NT/EXT:時(shí)鐘端；EXT CLKIN:時(shí)鐘輸入端。可通過(guò)該端選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘.當(dāng)選擇外部時(shí)鐘時(shí).該端接負(fù)電源端V- ,并在時(shí)鐘輸入端(EXT CLKIN)引入外部時(shí)鐘信號(hào).當(dāng)該端開(kāi)路或接V+ 時(shí).電路將使用內(nèi)部時(shí)鐘去控制其它電路的工作。4.3單頻音報(bào)警系統(tǒng)的選擇 實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡(jiǎn)單，其發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，這種蜂鳴器只需在其兩引線(xiàn)上加35V的直流電壓，約需10mA的驅(qū)動(dòng)電流，就能產(chǎn)生3KHZ左右的蜂鳴震蕩音響，比電研式蜂鳴結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耗電少，適宜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的報(bào)警電路。4.4控制電路的選擇本系統(tǒng)的

8、控制電路采用電壓比較器電路，通過(guò)電壓的正負(fù)來(lái)確定輸出的電壓是正還是負(fù)流經(jīng)單向?qū)ǖ亩O管來(lái)控制電路的通斷。以及555定時(shí)器電路，該電路四個(gè)引腳都輸入正電壓時(shí)，定時(shí)器工作，輸出正向電壓。5 電路設(shè)計(jì)天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)的總電路圖：6 系統(tǒng)原理按如上電路圖連接電路。接通220V的家用電路電源，先通過(guò)降壓電路獲得所需要的低壓，然后再通過(guò)橋式整流電路，獲得直流電壓電源。再經(jīng)過(guò)一個(gè)7808分壓，給電阻式氣敏傳感器輸入一個(gè)8V的直流工作電壓。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R2，使電壓比較器的負(fù)極參數(shù)為當(dāng)甲烷濃度為1000ppm時(shí)的電壓。在正?？諝庵校琎M-N10兩電阻之間的電阻高達(dá)幾千歐姆，所以流經(jīng)R1的電流很小。流過(guò)IC

9、3負(fù)極的電壓大于流過(guò)它正極的電壓，所以電壓比較器的輸出端輸出的是負(fù)電壓，在單向?qū)ǖ腖ED管中是不能導(dǎo)通的，所以555定時(shí)器電路不能導(dǎo)通工作。當(dāng)空氣中甲烷濃度上升時(shí)，QM-N10兩電阻之間的阻值急速下降，流過(guò)的電流急速增加。當(dāng)甲烷濃度大于1000ppm時(shí)，電壓比較器正極的電壓大于負(fù)極的電壓，所以輸出正電壓。此時(shí)接到555定時(shí)器四角的電壓皆為正電壓，所以555定時(shí)器工作，輸出端導(dǎo)通，輸出正向電壓，LED燈亮，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。與此同時(shí)，接觸器正向?qū)?，接觸器線(xiàn)圈的得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，而該常開(kāi)觸點(diǎn)串聯(lián)在抽油煙機(jī)的回路中充當(dāng)開(kāi)關(guān)，此時(shí)該觸點(diǎn)閉合，抽油煙機(jī)接通，自動(dòng)開(kāi)始工作。至此，該系統(tǒng)就完成了當(dāng)廚房空

10、氣中甲烷濃度大于1000ppm時(shí)，警報(bào)器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)打開(kāi)抽油煙機(jī)排出易燃易爆氣體的全部要求。結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)是要設(shè)計(jì)一個(gè)天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)，并自帶打開(kāi)抽油煙機(jī)開(kāi)關(guān)的功能。該課題的第一個(gè)難題是信息采集。因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象是氣體，具體的說(shuō)，是天然氣，一種易燃易爆的危險(xiǎn)氣體。要測(cè)量它的濃度，不是一般的傳感器能做到的，所以我們想到了氣敏傳感器。而氣敏傳感器有很多種，本次課程設(shè)計(jì)需要檢測(cè)的是天然氣，其主要成分是CH4，所以就用所以選用QM-N10氣敏傳感器。QM-N10型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。它適合檢測(cè)天然氣

11、，煤氣，液化石油氣，氫氣，一氧化碳，烷類(lèi)氣體，烯類(lèi)氣體，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨類(lèi)蒸汽，醚蒸汽及煙霧等。選好氣敏傳感器后信息采集就得到了解決。第二個(gè)問(wèn)題是，系統(tǒng)中的主要電氣原件幾乎是低壓驅(qū)動(dòng)，不能直接接在220V的家用電源上，所以首先還需要設(shè)置一個(gè)降壓電路。遇到的第三個(gè)難題是555電路那邊，設(shè)置的參數(shù)需要計(jì)算。因?yàn)槲译姽る娮記](méi)有學(xué)好，計(jì)算那個(gè)參數(shù)真的是十分困難。后來(lái)在同組同學(xué)的幫助下，再加上去翻閱相關(guān)資料，終于算出了設(shè)置參數(shù)。第四個(gè)問(wèn)題是，在甲烷濃度達(dá)到1000ppm時(shí)，除了報(bào)警還需要自動(dòng)打開(kāi)抽油煙機(jī)的開(kāi)關(guān)，要完成這個(gè)要求可能需要用到單片機(jī)，但是我們確定制作這個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有單片機(jī)程序，所以最終想到了用接觸器，利用接觸器線(xiàn)圈得電觸點(diǎn)工作的原理。將接觸器的常開(kāi)觸點(diǎn)串在抽油煙機(jī)回路上，充當(dāng)開(kāi)關(guān)。當(dāng)濃度達(dá)1000ppm時(shí)接觸器線(xiàn)圈得電常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，啟動(dòng)抽油煙機(jī)。參考文獻(xiàn)1 李巍.