可燃气体报警器 毕业论文.doc

武汉职业技术学院毕业设计报告课题名称: 可燃气体报警器专 业： 电子测量技术与仪器班 级: 10301班设 计 者： 指导老师： 时 间： 2012年12月11日1目录第1章 毕业设计的意义.1第二章 选择题目的意义.3第三章 整体电路的设计.5 3.1整体设计分析.5第四章 单元电路设计.7 4.1 直流稳压电路.7 4.1.1 电路图设计.7 4.1.2 电路工作原理.8 4.2 信号采集及处理电路.11 4.2.1 气敏传感器.11 4.2.2 气敏传感器的参数.15 4.2.3 mqk2型气敏传感器的结构、外形.16 4.2.4 基本回路的测试.17 4.3 触发电路.18 4.4 排风通气装置.21 4.5 声光报警电路.22第五章 整机电路的设计.23 5.1 整机电路的工作过程.23 5.2 任务的实现.23第6章 结束语.25参考文献.26附录.27ii第1章 毕业设计的意义毕业设计是教学计划中最后一个综合性实践教学环节，是学生在教师的指导下，独立从事艺术设计工作的初步尝试，其基本目的是培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识、基本技能应对和处理问题的能力。是学生对三年所学知识和技能进行系统化、综合化运用、总结和深化的过程。其意义在于：首先，撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但它总是在一定程度上表明一个人的能力与才华，向社会展示自身的价值。撰写毕业论文在学业生涯中是一件值得留恋的事情。论文写作过程中所唤起的对科学研究的极大兴趣，所激发的对科学事业的满腔热情，以及写作中辛勤的耕耘，导师的教诲和拿到学位证书时激动人心的场面等，都会变成美好的回忆，深藏在记亿中。此外，撰写毕业论文是大学生在校学习期间专业考核的重要环节。教学计划规定大学三年级学生要写学年论文，四五年级即将毕业的学生要写毕业论文。1981年全国实行学位制度，规定凡申请学位者，都要提交学位论文。目前，撰写毕业论文制度，不仅在全国高等院校中普遍实行，而且在电大、函大、职工大学、刊授大学等各种形式的高等业余教育中也得到了全面贯彻。实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。其次，提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全民族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。所以撰写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的心得体会。第2章 选择题目的意义随着石油化学工业的发展，易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都有所增加。液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分，是易燃、易爆、有毒、有害的气体。它们易流动、易燃烧，在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏的现象。当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时，就是一种爆炸性混合物，遇火就会发生剧烈的化合反应，产生大量的热，会燃起大火，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。国内外均有不少这方面的报道，其教训是非常深刻的。为了防患于未然，只有采用先进、可靠的安全监测仪表，严密监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，将事故消灭在酿成事故之前，才能确保安全生产，企业的经济效益才能有保证。 可燃性气体报警器属于中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录中第46项，它归类于物理化学计量器具。建筑设计防火规范(gbj16-87)第10.3.2条明确规定:“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类厂房和场所，应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。但现在国内使用的报警器，许多产品使用时间过长，产品老化严重，技术指标达不到标准，报警器的性能也不稳定。有些是保养不当，如电池流水腐蚀仪器，或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不当而造成故障，因此不能进行准确，安全的报警。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(gb 15322-2003)可燃气体探测器。在2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程jjg693-2004 )。一部分不合规定的可燃性气体报警器将停止使用。因此，研制一种新型，性能稳定、准确监测可燃性气体，并且合乎国家相关规定的报警器势在必行。第3章 整体电路的设计3.1 总体设计分析根据系统的设计要求和要实现的功能，本设计的系统设计主要包含直流稳压电源电路、信号采集处理电路、触发电路、排气通风装置和声光报警电路。其各部分关系如下图3.1所示： 图3.1 总体电路框图1、 气敏传感器的原理及特性 气敏传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，是气敏体积分数将相应的转换成电信号。气敏传感器具有稳定性，灵敏性，选择性，抗腐蚀性。2、直流电源部分 为系统各部分提供稳定、可靠的直流电，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。3、信号采集及处理电路信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气敏传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。该电路由气敏传感器及附属电路组成。传感器将空气中的有害气体浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。4、 触发电路该电路主要由比较器及其处理电路组成。用来对排气扇以及声光报警电路进行触发，当气体的浓度影响到气敏元件的输出时，会将比较器触发，从而引起报警电路报警。5、排气通风装置在有害气体浓度超标时，设计对应的电路驱动通风装置（如排气扇）工作，以迅速降低有害气体浓度。6、声光报警电路在有害气体浓度超标而排风扇又不足以排干净时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号，提醒人们空气中的有害气体浓度已超出允许范围，应及时撤离现场。第四章 单元电路设计根据总体设计的方案，分别对其各个模块进行分析说明。4.1 直流稳压电路直流稳压电源输入交流220v，能输出稳定的、可调的直流电压。广泛用于实验、电子产品供电。单向小功率直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波、和稳压电路4部分组成，其工作过程一般为：首先由电压变压器将220v的交流电压变换为所需要的直流电压值；其次利用二极管整流为单向脉动的直流电压；再通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉动成分，从而得到比较平滑的直流电压；由于经过整流、滤波后得到的直流电压易收电网电压及负载变化的影响，必须加稳定电路，可利用负反馈等措施维持输出直流电压的稳定。1、 主要技术指标（1） 输出电压可调：uo=39v；（2） 最大输出电流：iomax=800ma；（3） 输出电压变化量：uo=800ma;（4） 稳压系数：su0.003。4.1.1 电路图设计直流稳压电源电路设计图如图4.1.1所示。 图4.1.1 稳压电路原理图上图所示主要是由lm317为主构成的。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、实验方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压电源。4.1.2 电路工作原理市电流交流220v经变压器t降低为u2，再经vd1vd4桥式整流为脉动直流电压，再经c1、c2滤波平滑，再由集成稳压块lm317稳定和调节电压，输出所需要的电压值。调节rp1可改变其输出电压值。根据任务要求选择元器件。1、稳压集成块的选择lm317其特性参数：输出电压可调范围：1.237v；输出负载电流：1.5a；输入与输出工作电压u=uiuo：340v；能满足设计要求，故选用lm317组成稳压电路。2、选择电源变压器（1）确定副边电压u2根据性能指标要求：uomin=3v，uomax=9v。又因为uiuomax（uiuo）min uiuomin（uiuo）max其中：（ uiuomin）min=3v，（uiuo）max=40v所以 12vui43v次范围中可任选：ui=14v=uo1根据 uo1=（1.11.2）u2可得变压的副边电压：（2）确定变压器复变电流i2因为io1=io又副边电流i2=（1.52）io1 取io=iomax=800ma则i2=1.50.8a=1.2a(3) 选择变压器的功率变压器的输出功率：poi2u2=14.4w3、 选择整流电路中的二极管因为变压器的副边电压u2=12v，所以桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：17v。桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：。查手册选整流二极管1n4001，其参数为：反向击穿电压ubr=50v17v。最大整流电流if=1a0.4a4、 滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用公式求得。（1） 求ui根据稳压电路的稳压系数的定义：设计要求uo15mv，su0.003uo=+3v+9vui=14v带入上式，则可求得ui。（2）滤波电容c设定io=iomax=0.8a，t取交流电源半周期即t=0.01s，则可求得c。电路中的滤波电容承受的做工电压为17v，所以所选电容的耐压值应大于17v。注意：因为大容量电解电容有一定的绕指分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。4.2 信号采集及处理电路信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。4.2.1 气敏传感器按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型又分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。 电阻型半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时的电导率等物性的变化来检测气体。电阻型半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有o2和no2，称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有h2、co、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给气体。当氧化性气体吸附到n型半导体上，还原性气体吸附到p型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大；相反当还原性气体吸附到n型半导体上，氧化性气体吸附到p型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧气的吸附也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系，即可得知被测气体的浓度。气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置！气体传感器一般被归为化学传感器的一类，尽管这种归类不一定科学。它包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器等。工作原理以及应用：声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体相互作用（化学作用或生物作用，或者是物理吸附），使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（r11、r12）的检测、呼气中乙醇的检测等等。 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、控制和报警系统。 特性及发展方向：稳定性： 稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。 灵敏度： 灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要依赖于传感器结构所使用的技术。大多数气体传感器的设计原理都采用生物化学、电化学、物理和光学。首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制(tlv-thresh-old limit value)或最低爆炸限(lel-lower explosive limit)的百分比的检测要有足够的灵敏性。选择性： 选择性也被称为交叉灵敏度。可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。 抗腐蚀性： 抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数1020倍。在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。 气体传感器的基本特征，即灵敏度、选择性以及稳定性等，主要通过材料的选择来确定。选择适当的材料和开发新材料，使气体传感器的敏感特性达到最优。 近年来，由于在工业生产、家庭安全、环境监测和医疗等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。随着先进科学技术的应用，气体传感器发展的趋势是微型化、智能化和多功能化。深入研究和掌握有机、无机、生物和各种材料的特性及相互作用，理解各类气体传感器的工作原理和作用机理，正确选择各类传感器的敏感材料，灵活运用微机械加工技术、敏感薄膜形成技术、微电子技术、光纤技术等，使传感器性能最优化是气体传感器的发展方向。对于本文所使用的传感器是mqk-2型气敏传感器，mqk-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(sno2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 mqk-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 特点：1、在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度 ；2、对液化气、丙烷、氢气 的灵敏度较高 ；3、长寿命、低成本 ；4、简单的驱动电路即可。4.2.2 气敏传感器的参数a.标准工作条件符号参数名称技术条件备注 vc 回路电压24vdc vh加热电压5.0v0.2vacordc rl负载电阻可调 rh加热电阻313室温 ph加热功耗900mwb. 环境条件符号参数名称技术条件备注 tao使用温度-1050 tas储存温度-2070 r相对湿度小于95% r o2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性最小值大于c. 灵敏度特性 符号参数名称 技术参数 备注 rs敏感体表面电阻2k-20k(2000ppmc3h8 )适用范围：300-10000ppm 丙烷、丁烷、氢气(r3000ppm/r1000ppmc3h8)浓度斜率0.6标准工作条件 温度： 202 vc:5.0v0.1v相对湿度： 65%5% vh: 5.0v0.1v预热时间不少于48小时敏感体功耗（ps）值可用下式计算：ps=vc2rs/(rs+rl)2 传感器电阻（rs），可用下式计算：rs=(vc/vrl-1)rl4.2.3 mqk-2型气敏传感器的结构、外形mqk-2气敏元件的结构和外形如图4.3.3所示(结构 a 或 b), 由微型al2o3陶瓷管、sno2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。 部件材料1气体敏感层二氧化锡2电极金（au）3测量电极引线铂（pt）4加热器镍铬合金（ni-cr）5陶瓷管 三氧化二铝6防爆网100目双层不锈钢（sub316）7卡环镀镍铜材（ni-cu）8基座胶木或尼龙9针状管脚镀镍铜材（ni-cu）图4.2.3 气敏元件的结构和外形4.2.4 基本测试回路mqk-2型气敏传感器的基本测试回路如图4.3.4：vcvhgndrlvrl图4.2.4 基本测试回路上图是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2 个电压：加热器电压（vh）和测试电压（vc）。其中vh用于为传感器提供特定的工作温度。vc 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（rl）上的电压（vrl）。这种传感器具有轻微的极性，vc 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，vc 和vh 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的rl值。为防止在电路开始的时候上电造成开机误报警，可在b端加上一个开机延时电路，详情见附录图的整机电路图。4.3 触发电路触发电路的主要组成由电压比较电路组成。电压比较器是对两个模拟电压比较其大小(也有两个数字电压比较的，这里不介绍)，并判断出其中哪一个电压高，如图4.3所示。图1(a)是比较器，它有两个输入端：同相输入端(“+”端)及反相输入端(“-”端)，有一个输出端vout(输出电平信号)。另外有电源v+及地(这是个单电源比较器)，同相端输入电压va，反相端输入vb。va和vb的变化如图1(b)所示。在时间0t1时，vavb；在t1t2时，vbva；在t2t3时，vavb。在这种情况下，vout的输出如图1(c)所示：vavb时，vout输出高电平(饱和输出)；vbva时，vout输出低电平。根据输出电平的高低便可知道哪个电压大。如果把va输入到反相端，vb输入到同相端，va及vb的电压变化仍然如图1(b)所示，则vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与va、vb的输入端有关。如果把va输入到反相端，vb输入到同相端，va及vb的电压变化仍然如图1(b)所示，则vout输出如图1(d)所示。与图1(c)比较，其输出电平倒了一下。输出电平变化与va、vb的输入端有关。图2(a)是双电源(正负电源)供电的比较器。如果它的va、vb输入电压如图1(b)那样，它的输出特性如图2(b)所示。vbva时，vout输出饱和负电压。4.3 触发电路如果输入电压 va 与某一个固定不变的电压 vb 相比较，如下 图3(a)所示 。此vb称为参考电压、基准电压或阈值电压。如果这参考电压是0v(地电平)，如图3(b)所示，它一般用作过零检测。4.4 排风通气装置 排风电路如图4.4所示： 图4.4 排风扇电路图当空气中有害气体超标时，由高电平送入三极管，从而驱动继电器动作，常开触点接通，驱动风扇工作，同时，降低空气中有害气体的浓度，以确保室内人员的生命安全，同时led2灯发光报警（可归到光报警部分）。当空气中有害气体不超标时，继电器不动作，常闭触点接通，排气通风装置不工作。图中，继电器两端并联的二极管叫消耗二极管。继电器断开(相当于电感断开)时,产生一个感生电动势.并联并联并联并联的二极管会在这个电动势的作用作用作用作用下沿着电感与二极管与二极管与二极管与二极管形成的回路继续向电感(线圈)供电。因此会引时延。(断电时产生的感应电动势往往比电源提供的电压还要高)，并一个二极管的意义在于保护继电器的线圈不被断开时产生的高电压所损坏。(绝缘击穿,线间短路)。一般来说继电器都有一定的滞后。通常在毫秒级或十毫秒级,加上二极管后虽然有时延,但通常也是可以忽略不计的。 4.5 声光报警电路该报警电路包括光报警电路、声音报警电路两个报警电路，下面简单介绍这两个报警电路的组成部分。如图4.5所示：图4.5 声光报警电路当有害气体浓度过高，而且排气扇不能够及时排掉时，触发电频会触发三极管9013，此时，三极管导通，触发led3发光，同时kd9561发出警车声报警。第五章 整机电路图的设计5.1 整机电路的工作过程如附录图中，市电流交流220v经变压器t降低为u2，再经vd1vd4桥式整流为脉动直流电压，再经c1、c2滤波平滑，再由集成稳压块lm317稳定和调节电压，输出所需要的电压值。调节rp1可改变其输出电压值。本文的输出电压值为+9v。本文加入了led1的驱动，此结构是为显示气敏传感器的加热丝是否烧断而设计。图中，u1a、u1b、u1c构成比较器，调节rp3可设定报警点，调节rp4可使得led1平时灯熄灭，当mqk2气敏传感器的加热丝烧断时，u1a翻转输出高电平，vt3导通。led1发光，表示mqk2气敏传感器失效。vd3为温度补偿二极管。r2、vd5、vd6、c3组成开机延时电路。r2阻值可根据延时时间长短选择，报警电路采用kd9561发出警车声。5.2 任务的实现具有自动控制排气扇和声光报警功能的报警电路时一种结构设计合理、功能比较齐全的实用检测电路，该电路有四个明显的特点，使用时应注意。1、 通电数秒钟，等mqk2型气敏传感器加热线圈稳定后，再进行测试工作。2、 实用时严密观察二极管led1的状态，因为mqk2正常工作时，r1两端的电压，即运放u1a的反向输入端的电位高于同相输入端电位，led1熄灭，一旦mqk2的加热线圈被烧断，即