气体报警电路设计

1、东北石油大学 课 程 设 计 2011 年 7 月 3 日 任务书 课 程 传感器课程设计 题 目 气体报警电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控 2008-1 班 学生姓名 李莹 学生学号 080601240107 指导教师 赵志华（讲师） 路敬祎（讲 师） 课程 传感器课程设计 题目 气体报警电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 李莹 学号 080601240107 主要内容： 设计一个气体报警电路，画出电路原理图，确定元器件及元件参数。 基本要求： 1、设计一个气体报警电路，准确地理解有关要求，独立完成系统设计，要 求所设计的电路具有以下功能： 1）当有害气体体积分数高于某一

2、设定值时，开启排风扇； 2）同时发出声光报警信号； 2、给出设计方案，画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、有源元件 给出芯片介绍。 主要参考资料： 1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2001. 2 宋文绪.传感器与检测技术J.北京：高等教育出版社，2004. 3 余孟尝.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006. 4 王文秀.电子元器件M.北京：人民邮电出版社，1985. 5 刘润华,刘立山.模拟电子技术J.山东：石油大学出版社，2003. 完成期限 2011.6.272011.7.1 指导教师 赵志华 路敬祎 专业负责人 曹广华 2011 年 6 月

3、 24 日 1 摘 要 当扩散到空气中的有害气体达到一定的浓度的时候，若人们吸入这些气体， 会给身体带来危害，重则导致死亡；同时一定浓度的气体极易发生爆炸，从而严 重威胁人民的生产生活，针对气体的这些危害我们选择了气体报警器。 1）对于工业甚至是一般家庭，当气体（燃气）发生泄露时，报警器将会报 警，可避免中毒甚至爆炸。 2）有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场 所或设备内部空气中的可燃或有毒气体和蒸气含量并超限报警，可避免因有害气 体而引起的灾害和事故。主要内容包括电路的设计，芯片选择，分析工作原理， 元件选择和参数确定。 包括两种方案： 1）可燃性气体泄漏报警器；

4、开机预热 3 min，装置无初始报警。当有气体泄漏时，几秒钟后装置开始报 警，若将装置移离现场到，约 30 s 后报警停止。 2）有害气体报警器。 当有害气体达到一定浓度时，报警器开始报警同时开启排风扇，降低气体浓 度。 关键词：报警器；有害气体；排气风扇；气敏传感器 2 目 录 一 、设计要求 .1 1、功能与用途 .1 2、课题意义及产品发展现状 .1 二、方案设计 .1 1、方案一 .1 2、方案二 .2 三、传感器工作原理 .3 四、电路的工作原理 .3 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 .4 1、单元电路设计 .4 2、器件选择 .6 3、系统需要的元器件清单 .7 六、总结 .

5、8 传感器课程设计 1 气体报警电路设计 一 、设计要求 1、功能与用途 有害气体检测报警仪是专用的安全卫生检测仪，用来检测化学品作业场所 或设备内部空气中的可燃或有毒气体和蒸气含量并超限报警。另外，空气欠氧 检测仪也属于这类仪器。 危险化学品场所有害气体检测，主要有以下几种情况： 泄漏检测：设备管道有害气体或液体（蒸气）现场所泄漏检测报警，设备 管道运行检漏。 检修检测：设备检修置换后检测残留有害气体或液体（蒸气） ，特别是动火前检测更为重要。应急检测：生产现场出现异常情况或者处理事 故时，为了安全和卫生要对有害气体或液体（蒸气）进行检测。 进入检测：工作人员进入有害物质隔离操作间，进入危险

6、场所的下水沟、 电缆沟或设备内操作时，要检测有害气体或液体蒸气。 巡回检测：安全卫生检查时，要检测有害气体或液体蒸气。 危险化学品要加强安全管理，完善安全措施、控制事故隐患。但是，不可 能达到绝对安全，仍然会出现万有一失的情况。因此，事故隐患的检测报警， 在危险化学品场所有害气体或液体（蒸气）检测报警，是非常必要的，对避免 和控制事故具有重要意义。 2、课题意义及产品发展现状 现阶段气体传感器越来越能进入我们的日常生活，一氧化碳，煤气，液化石 油气等气体与人民联系非常密切，因此，气体报警器不但用于工业也慢慢的融入 我们的生活当中。目前，在工业上，随着制造技术的发展，便携式多气体 (复 合式)检

7、测仪也是一个新的 潮流。由于这种检测仪可以在一台主机上配备所需 的多个气体(无机/有机)检测传感器，所以它具有体积小、重量轻、相应快、 同时多气体浓度显示的特点。更重要的是，泵吸式复合式气体检测仪的价格要 比多个单一扩散式气体检测仪便宜一些，使用起来也更加方便。 二、方案设计 1、方案一 传感器课程设计 2 可燃性气体泄漏报警器电路设计。将该装置置于某密闭空间内，开机预热 3 min，装置无初始报警。当有气体泄漏时，几秒钟后装置开始报警，再将装置移 离现场到，约 30 s 后报警停止。当密闭空间中仍散有气体时，它将持续报警， 将它置于窗外，它才能较快恢复并停止报警。 蜂鸣器 延时电路 比较器

8、电位器 气敏传感器 图 1 方案一原理框图 2、方案二 有害气体控制报警电路设计。接通电源让传感器预热几分钟，往容器注入气 体，一段时间以后，继电器吸合，其常开触点 Kl、K2、K3 均闭合，使排风扇电 动机 M 和声、光报警电路通电工作，扬声器 BL 中发出响亮的警声信号，发光二 极管 VL 随着警声而闪亮。当气体浓度降低以后，继电器会自动切断排风扇和声、 光报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体的目 的。 图 2 方案二原理框图 通过方案比较，由于方案三的抗干扰能力较强，电路功能全面，且方案一可 实现的功能方案三均可实现，故选用方案三。方案三电路由电源电路、气体检

9、测 电路、电子开关电路和声光报警电路组成，广泛应用于工业和厨房中，具有不错 的前景。 有害气体传感器是将空气中的有害气体含量转化为电信号的器件。传感 器产生的电信号经电子线路处理、放大和传感器在现场使用，承受各种恶劣环 电源电路 气体检测电路 电子开关电路 光声报警器 排风扇 传感器课程设计 3 境和气氛的影响，特别是固定式仪器的传感器，长期连续运转，又有防爆和供 电容量的限制，因此对有害气体传感器的要求非常严格。转换后，实现有害气 含量的显示和报警。 三、传感器工作原理 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

10、气敏薄膜，当该气 敏薄膜与待测气体相互作用，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。利用光敏二极管代替开关，衔接报警电路。 气敏传感器种类繁多，我们在这里使用 MQ-N5 型传感器，它是一种新型的电 阻，型气敏型元件，可用于天然气、煤气、石油气等检漏报警。具有灵敏度高， 长期稳定性好，寿命长，价格低，功耗小，可方便使用电池等特点。MQ-N5 型传 感器原理：将该传感器接至规定负载，在加电的初始阶段，传感器的电导率呈现

11、 一个较高的值，约 3 min 左右达到稳态值。若将其置于具有一定浓度的可燃气体 中，其电导率将升高，在一定范围内，可燃气体浓度越高，传感器电导率也越高， 如果将传感器与负载串联，负载即引起电压变化，读取这一变化电压，经比较、 放大即可实现报警与控制等功能。 四、电路的工作原理 该有害气体控制报警器电路由电源电路、气体检测电路、电子开关电路和声 光报警电路组成。原理图如图 3 所示。接通电源让传感器预热几分钟，往容器 （图示的饮料瓶）注入气体，一段时间以后，继电器吸合，其常开触点 Kl、K2、K3 均闭合，使排风扇电动机 M 和声、光报警电路通电工作，扬声器 BL 中发出响亮的警声信号，发光二

12、极管 VL 随着警声而闪亮。排风扇不断地把室内 约有害气体向容器外排放。当气体浓度降低以后，继电器会自动切断排风扇和声、 光报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体的目 的。继电器的吸合主要由晶体管 Vl-V3 来控制，Vl-V3 均截止，继电器 K 不吸合， 控制器不工作；Vl-V3 均导通，继电器 K 吸合，其常开触点 Kl、K2、K3 均闭合， 使排风扇电动机 M 和声、光报警电路通电工作，扬声器 BL 中发出响亮的警声信 传感器课程设计 4 号，发光二极管 VL 随着警声而闪亮。排风扇不断地把室内约有害气体向室外排 放。 由于各种有害气体的比重不同，故用于检测不

13、同气体时，控制器的安装位置 是不同的。若用于检测煤气，则应将该控制器安装在厨房的高处，若用于检测液 化石油气，则应将该控制器安在厨房的低处。 图 3 有害气体报警电路 五、单元电路设计、参数计算和器件选择 1、单元电路设计 1）电源电路 传感器课程设计 5 图 4 电源电路 因为该报警装置主要针对有害气体对普通居民日常生活的影响，且监控报警 处于长期打开状态，我们选择 220V 交流电作为电源，以减少普通电池的不稳定 性，以及频繁更换的麻烦。而在实验室演示过程之中，我们直接选用 12V 的电源。 通过变压器的变压，转成 12V 交流电，然后接入整流桥，全桥是将连接好的 桥式整流电路的四个二极管

14、连在一起，作用是通过整流二极管转换成单向脉动性 的直流电压，之后并联了一个电容 C1，它是滤波电容，C1 接在整流电路的输出 端与地线之间。因此，加了滤波电路后后、输出的是直流电压，而不是单向脉动 性直流电压。滤波电容 C1 的容量越大，对交流成分的容抗越小，使残留再整流 电路负载上的交流成分越小，滤波效果就越好。 输出的直流电压进入三端集成稳压器，为了进一步减小输出电压的波纹，在 稳压器的输出端并入了 100uF 的电解电容 C3。 2)气体检测电路 图 5 气体检测电路 气体检测电路由气体传感器和其外围元器件组成。 气体传感器是本部分电路的主体，其工作原理是：当气敏原件表面吸附有被 测气体

15、的时候，其电阻率发生了变化，是一种气电转换原件。 本电路中气敏传感器在不接触有害气体时，其 A、B 两极间的电阻值很大， Vl-V3 均截止，继电器 K 不吸合，控制器不工作。 当室内有害气体的浓度达到一定值时，气敏传感器 A、B 两极间的阻值将变 小，使 Vl-V3 均导通，继电器 K 吸合，其常开触点 Kl、K2、K3 均闭合，使排风 扇电动机 M 和声、光报警电路通电工作，扬声器 BL 中发出响亮的警声信号，发 光二极管 VL 随着警声而闪亮。排风扇不断地把室内约有害气体向室外排放。 当室内有害气体的体积分数降到某一预定值时，继电器会自动切断排风扇和 传感器课程设计 6 声、光报警电路的

16、工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体 的目的。 有害气体的比重不同，故用于检测不同气体时，控制器的安装位置是不同的。 若用于检测煤气，则应将该控制器安装在厨房的高处，若用于检测液化石油气， 则应将该控制器安在厨房的低处。 3)电子开关电路 电子开关电路由晶体管 Vl-V3、继电器 K 和有关外围元器件组成。 继电器 K 为本部分的主体，其结构和工作原理为：主要由铁芯、线圈、衔铁、 触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电 流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸 向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

17、当线圈断电后，电 磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与 原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、 切断的目的。 继电器的吸合主要由晶体管 Vl-V3 来控制，Vl-V3 均截止，继电器 K 不吸合， 控制器不工作；Vl-V3 均导通，继电器 K 吸合，其常开触点 Kl、K2、K3 均闭合， 使排风扇电动机 M 和声、光报警电路通电工作，扬声器 BL 中发出响亮的警声信 号，发光二极管 VL 随着警声而闪亮。排风扇不断地把室内约有害气体向室外排 放。 4）声、光报警电路 图 6 声、光报警电路 平声、光报警电路由音乐集成电路 IC

18、、音频放大管 V4、V5、扬声器 BL 发 光二极管 VL 等组成。 该部分为电路的输出，主要是在继电器闭合的时候通过扬声器 BL 中发出响 亮的警声信号，发光二极管 VL 随着警声而闪亮起到警示作用。 2、器件选择 R1、R2、R4-R9 均选用 1/4W 碳膜电阻器，R3 选用 1/2W 碳膜电阻器。 C1、C2 和 C4 均选用耐压值为 25V 的铝电解电容器，C3 选用涤纶电容器。 传感器课程设计 7 VD1-VD4、VD7 均选用 1N4007 型硅整流二极管，VD5 和 VD6 均选用 1N4148 型硅开关二极管。 VSl 选用 lW、l2V 的 lN4742 型稳压二极管；VS

19、2 选用 1/2W、4.5V 的 lN231 或 lN5992B 型稳压二极管。 VL 选用 5mm 的发光二极管。 Vl 和 V4 选用 S9013 或 3DG6 型硅 NPN 型晶体管；V2 选用 S9012 或 3CG2l 型硅 PNP 型晶体管；V3 和 V5 均选用 S8050 或 C8050 型硅 NPN 型晶体管。 IC 选用 KD9561 型音效集成电路。 K 选用 l2V 的 HH53P 直流继电器。 BL 选用 8、0.5W 电动式扬声器。 气敏传感器选用 QM-NG1 型气敏元件。 3、系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 R1 电阻

20、 2401 R2 电阻 431 Rp 可变电阻器 220K1 R4 电阻 301 R5 电阻 47K1 R6 电阻 10K1 R7 电阻 240K1 R8 电阻 1K1 R9 电阻 2001 C1 铝电解电容器 470/25V1 C2 铝电解电容器 220/25V1 C3 涤纶电容器 0.01/25V1 C4 铝电解电容器 100/25V1 IC 音效集成电路 KD95611 VD1-VD4 整流二极管 1N40074 VD5-VD6 开关二极管 1N41482 VD7 整流二极管 1N40071 传感器课程设计 8 VS1 稳压二极管 lN474211W/12V VS2 稳压二极管 lN23

21、110.5W/4.5V VL 发光二极管 5mm1 V1 NPN 型晶体管 S90131 V2 PNP 型晶体管 S90121 V3 NPN 型晶体管 S80501 V4 NPN 型晶体管 S90131 V5 NPN 型晶体管 S80501 K 直流继电器 HH53P112V BL 电动式扬声器 8/0.5W1 AB 气敏传感器 QM-N51 六、总结 本设计为有害气体报警系统，包括：气敏传感电路、微处理器、电压频率转 换模块、稳压器模块、光电语言报警电路；气敏传感电路由数字电位器、气敏传 感器构成；数字电位器的一端接稳压器的输出电压，另一端接气敏传感器，而调 整端接微处理器的控制端口；气敏传感器输出的电压经过电压频率转换模块转换 为与之成线性关系的频率信号后输出至微处理器的输入端口；对应某一燃气浓度， 设定微处理器输入端口预期值，如果气敏传感器输出的实际电压值与所述的微处 理器输入端口上设定的预期值偏离，则由微处理器计算出此偏离值，并将此偏离 值存入微处理器的存储器内，微处理器以此偏离值作为实际运行的修正值，在此 修正值的基础上进行判断。本发明能够自动完成有毒有害气体报警，省时省力， 降低生产成本，加强稳定性和可靠性。 在使用的时候需要一分钟左右的时间预热，完成预热后若气体浓度超过某一 数值时，将会在几秒内开始报警，并同时开启风扇，降低气体浓度，恢复到无害 状态。