毕业设计（论文）燃气泄漏报警控制装置设计

1、西安工业大学继续教育学院毕业设计(论文)1 绪论随着社会的发展，人们生活水平的提高，西气东输工程的实施。现代家庭对燃气用量也随之增加，燃气给人们带来方便的同时也会导致家庭火灾的发生，有时因为灭火器材缺乏或在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，会导致重大生命财产损失。那么探讨家庭火灾的特点及防火对策，对于预防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。一般的居民火灾当中，处置不当或报警迟缓是造成人员伤亡的主要原因。所以说，人们应该积极了解家庭火灾的的主要起因，掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法这样才能及时消除隐患。英国每年发生50000起以上的严重家庭火灾，其中大部分火灾造成人员伤亡和重

2、大的家庭财产损失，有的还连累左邻右舍，火灾损失更加惨重。在调查火灾起因的时候，绝大多数发生火灾家庭的当事人说，以前总觉得火灾是人家的事情，与自己离得很远，没有想到这一次竟然会发生在自己的头上。家庭火灾的主要原因是麻痹大意，没有及时采取预防措施。在我国一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。假如能根据家庭的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。消防部门的统计显示，在所有的火灾中，家庭火灾已经占据到全国的30%左右，家庭起火的原因种种，可能在我们注意的到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。国内外燃气报警器种类繁多各有特色，具有低功

3、能、网络传输、及时侦测等特点比较专一性。运用了遥感学、网络学、电子学、通信学等知识，较为复杂，但特定领域运用性强，符合环境工艺认证，是具有无危害的绿色产品。本文主要研究简易通用型燃气报警器，扩展其应用领域，减少其成本，但要求甚严的领域不能使用。80年代以来，国内各大宾馆、饭店、商场、百货公司等相继从英、美，日等国引进和国内研制销售的火灾报警器，主要关键部件用qm-n5型等气敏材料。2 综述 此设计是一种实用的燃气泄漏报警控制装置，它包括排风扇本体、驱动电机、有害气体报警电路、继电器的驱动电路和有源蜂鸣器等组成。当厨房有害气体泄漏时，俗称电子鼻的气敏传感器的阻值降低，三极管基极电压增大，三极管导

4、通驱动继电器ka由常开状态变为闭合状态，此时有源蜂鸣器工作发出声音的同时led红灯亮，电动机驱动排风扇工作将有害气体从室内排出；当厨房无有害气体泄漏时，气敏传感器由于内阻太大三极管的基极无电流三极管不工作，此时后续电路不工作，则检测属正常状态。其方框图如图2.1：电源驱动继电器气敏传感器声光报警排风扇控制图2.1 家用可燃气泄漏报警器的电路方框图2.1各电路的作用电源：给其它各部分电路供电。气敏传感器：当感应到空气中有可燃气时阻值就会下降。 驱动继电器：其开关的转换受三极管基极电流大小的影响即受气敏传感器ab端阻值大小的影响。 排风扇控制：燃气泄漏时排风扇工作将可燃气从室内排出下降其浓度。 声

5、光报警：燃气泄漏时蜂鸣器发声led红灯亮，提示人们燃气泄漏要采取措施。3 家用可燃气泄漏报警器的工作原理3.1 电路工作原理说明交流市电220v经变压器t降压，再经过桥式整流和c1滤波之后为此电路提供12v直流工作电压；当空气中可燃气在安全范围内时，气敏传感器qm-n5 a b间阻值较大，b端输出电压低，不能使三极管vt1获得偏流导通，因此vt1截止，电磁式继电器ka不吸合，电动机（排风扇本体）不转，led红灯不亮，ha蜂鸣器不发声；当燃气泄漏时超过其在空气中浓度的设定值时，气敏传感器qm-n5 ab间的电阻值降低，vt1随即导通，中间电磁式继电器ka吸合（由常开状态变为闭合状态），则此时le

6、d红灯亮，ha蜂鸣器发出“笛笛笛”的报警声，提醒并催促人们燃气泄漏要查找原因排除故障，不仅如此而且还有一级排风扇控制电路也工作可将泄漏的燃气从室内排出降低其在空气中的浓度，更好的帮助人们将危险率降至最低。其电路原理图如图3.1。 图3.1 家用可燃气泄漏报警器的电路原理图4 气敏传感器概况气敏传感器就是能感知环境中某种气体及其浓度的一种器件，它将气体的种类及其浓度有关的信息转换为电信号，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。 为了确保安全，需对各种可燃性气体、有毒性气体进行检测。

7、目前实用气体方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便、费用低等特点。 半导体气敏元件是60年代初期研制成功的，最先研制的是sno薄膜元件。它是利用加热条件下sno薄膜电阻随接触的可燃性气体浓度增加而下降，实现对可燃性气体检测。继而又发现在sno烧结体中添加pt或pd等贵重金属可提高灵敏度。 1968年诞生了商品半导体气敏元件，其后，其它材料的半导体气敏元件也相继投放市场。根据传感器的气敏材料以及气敏材料与气体相互作用的机理和效应不同主要可分为：半导体式、固体电解质式、电化学式、接触燃烧式等。固体电解质气敏传感器是利用被测气体在敏感电极上发生化学反应，所生成的离子通过固体电

8、解质传递到电极，使电极间产生的点位随气体分压而变化的原理来对气体进行检测的。电化学式气敏传感器是利用电极和电解质组成的电池中，气体与电极进行氧化还原反应，从而使两极间输出的电流或电压随气体浓度而变化的原理而制作的。燃烧式气敏传感器则是基于强催化剂使气体在其表面燃烧时产生的热量，而使贵重金属电极电导随气体浓度发生变化来对气体进行检测的。其他类型有光学式气敏传感器、石英振子式气敏传感器、表面声波式气敏传感器等形式。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、使用简单的特点，应用极其广泛。本次设计采用电阻型半导体式传感器，电阻型半导体气敏传感器是利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应，导

9、致敏感元件阻值变化的原理来制作的。sno是电阻型金属氧化物半导体传感器的气敏材料的典型代表，这类半导体传感器的使用温度较高，大约200500。为了进一步提高它们的灵敏度，降低工作温度，通常向母料中添加一些贵金属（如ag,au,pb等）、激活剂及粘接剂（alo, sno ,zro等），sno半导体气敏元件，目前以tgs型和qm-n5型气敏元件为主。4.1 sno半导体气敏元件特点 1.sno材料的物理、化学稳定性较好，与其它类型气敏元件(如接触燃烧式气敏元件)相比，sno气敏元件寿命长、稳定性好、耐腐蚀性强。 2.sno气敏元件对气体检测是可逆的，而且吸附、脱附时间短，可连续长时间使用。 3.元

10、件结构简单，成本低，可靠性较高，机械性能良好。 4.对气体检测不需要复杂的处理设备。可将待检测气体浓度直接转变为电信号,信号处理电路简单。4.2 sno气敏元件的结构4.2.1 气敏元件分类：主要有三种类型：烧结型、薄膜型、厚薄型。其中烧结型气敏元件是目前工艺最成熟，应用最广泛的元件，这里仅对其结构加以介绍。4.2.2 气敏元件结构介绍a. 烧结型sno气敏元件结构 烧结型sno气敏元件是以多孔陶瓷sno为基材(料粒度在1m以下)，添加不同物质，采用传统制陶方法，入行烧结。-烧结时埋渗透测量电极和加暖线，制成管芯，最后将电极和加暖丝引线焊在管座上,外加二层不锈钢网而制成元件。主要用于检测还原性

11、气体、可燃性气体和液体蒸气。工作时需加热到300左右.按其加暖方式又可分为直暖式和旁热式两种。 b. 直热式sno气敏元件（又称内暖式） 1）组成：元件管芯由三部分组成：sno基体材料、加暖丝、测量丝，它们都埋在sno基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值. 2）优点：制作工艺简单、成本低、功耗小、可以在高电压下使用、可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。国内qn型和mq型气敏元件. 3）缺点：热容量小，易受环境气流的影响；测量回路与加热回路间没有隔离，互相影响；加热丝在加暖和不加热状态下会产生胀缩，易造成接触不良。 c. 旁暖式sno气敏元件 其管芯增加了一个陶瓷管，在管内放入

12、高阻加暖丝，管外涂梳状金电极作测量极，在金电极外涂sno材料。这种结构克服了直热式的缺点，其测量极与加暖丝分开，加热丝不与气敏元件接触，避免了回路间的互相影响；元件热容易大，降低了环境气氛对元件加热温度的影响，并保持了材料结构的稳定性。目前国产qm-n5型气敏元件，日本弗加罗tgs#812、813型气敏元件采用这种暖式结构。本次设计选用国产qm-n5型气敏元件作为传感器部分。 4.3 sno的基本性质4.3.1 sno物理性质： sno是一种白色粉末，密度为6.16-7.02g/cm 3，熔点为1127，在更高温度下才能分解，沸点高于1900的金属氧化物。 sno不溶于水，能溶于热强酸和碱。s

13、no晶体结构为金红石型结构，具有正方晶系对称，其晶胞为体心正交平行六面体，体心和顶角由锡离子占据。4.3.2 sno的气敏效应 a. 经实验发现，多晶 sno对多种气体具有气敏特性。 b. 多孔型sno半导体材料，其电导率随接触的气体种类而变化。一般吸附还原性气体时电导率升高，而吸附氧化性气体时其电导率降低。4.3.3 影响sno气敏效应的主要因素a. sno具有金红石型晶体结构，用于制作气敏元件的 sno一般都是偏离化学计量比的，在sno中有氧空位或锡间隙原子，这种结构缺陷直接影响气敏器件特征。一般地说，sno中氧空位多气敏效应明显。 b.sno中添加物对气敏效应的影响实验证明，sno中的添

14、加物质对其气敏效应有明显影响。4.4 qm-n5型气敏元件的性质及参数qm-n5型气敏元件是以金属氧化物sno为主体材料的半导体气敏元器件它适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于n型半导体元件，其阻值随有害气体的浓度升高而下降。qm-n5型气敏元件灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，在市场上应用广泛。4.4.1 qm-n5气敏元件的技术指标如下：加热电压（uf）ac或dc 50.2v回路电压（vc） 最大dc 12v负载电阻（rl） 30清洁空气中电阻(ra) 2000k灵敏度（s=rarg）4（在1000ppm丁烷中）响应时间（tres）10s恢

15、复时间（tres）30s元件功耗0.7w检测范围5010000ppm（丁烷），使用寿命2年4.5 qm-n5的使用方法及注意事项：元件开始通电时，没有接触检测气体，其电导率也急剧增加，1分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决，加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。使用条件：温度：-1535 相对湿度：4575%rh 大气压力：80106kpa4.6半导体气敏传感器的基本工作电路如图4.1 所示，负载电阻rl串联在传感器中，其两端加工作电压，加热丝f两端加上加热电压uf在洁净空气中传感器的电阻较大，在负载电阻上的输出电压较小。图4.

16、1 气敏传感器的基本工作电路5 电磁式继电器5.1 电磁式继电器的结构与工作原理电磁式继电器是应用得最早、最多的一种型式。其结构及工作原理与接触器大体相同。由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图5.l所示。由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小(一般5a以下)，故不需要灭弧装置。 1.铁芯2.旋转棱角3.释放弹簧4.调节螺母5.衔铁6.动触点7.静触点8.非磁性垫片9.线圈图5.1 电磁式继电器的结构图 常用的电磁式继电器有电压继电器、中间继电器和电流继电器。电磁式继电器的图形、文字符号如图5.2所示。图5.2 电磁式继电器的图形、文字符号5.2 电磁式继电器的特性

17、继电器的主要特性是输入输出特性，又称继电特性，继电特性曲线如图5.3所示。当继电器输入量x由零增至x2以前，继电器输出量y为零。当输入量x增加到x2时继电器吸合输出量为y1；若x继续增大y保持不变。当x减小到x1时继电器释放输出量由y1变为零；若x继续减小y值均为零。图5.3 继电器的特性曲线 图5.3中，x 2称为继电器吸合值，欲使继电器吸合，输入量必须等于或大于x2；x1称为继电器释放值，欲使继电器释放，输入量必须等于或小于x 1。kfx1x2称为继电器的返回系数，它是继电器重要参数之一。kf值是可调节的。 例如一般继电器要求低的返回系数，kf值应在0.10.4之间，这样当继电器吸合后，输

18、入量波动较大时不致引起误动作；欠电压继电器则要求高的返回系数，kf值在0.6以上。设某继电器kf0.66，吸合电压为额定电压的90，则电压低于额定电压的50时，继电器释放，起到欠电压保护作用。 另一个重要参数是吸合时间和释放时间。吸合时间是指从线圈接受电信号到衔铁完全吸合所需的时间；释放时间是指从线圈失电到衔铁完全释放所需的时间。一般继电器的吸合时间与释放时间为0.050.15s，快速继电器为0.0050.05s，它的大小影响继电器的操作频率。5.3电磁式继电器在使用过程中的问题及解决方案由于电磁继电器的触点在断开时会产生电火花，所以使用和更换时要确保其线圈的额定电压，电流和触点负荷应满足电路

19、的要求。电磁式继电器实际使用时在其线圈两端采用附加保护电路，确保其可靠动作。反向并联二极管保护电路：如图 5.4所示。当线圈两端的电源断开时因继电器线圈中的电流突变，所以在其两端感应的电动势很高，它将与原电源叠加后加在输出晶体管的ce之间，使晶体管的ce结可能被击穿而损坏晶体管。为了保护晶体管，在继电器旁反向并联一只二极管（二极管的极性不能接错），当线圈两端断电时，线圈中的感应电动势所产生的电流经二极管vd泄漏，起到保护晶体管的作用。 vdrv1k图5.4 反向并联二极管保护电路6 微型电磁讯响器（蜂鸣器）微型电磁讯响器又称为电磁式蜂鸣器，为一种“电声”的转换器件。它具有体积小、重量轻、电压低

20、、电流小、声压强、性能可靠、寿命长等优点，可直接安装在印制线路板上，广泛用于讯响装置中。其文字符号为“h”或“ha”。6.1讯响器的结构和工作原理讯响器的基本外形和结构如图6.1所示 图6.1 讯响器的外型及电路符号其内部发声部件采用电磁式结构，由永久性磁铁、铁心、高导磁的小铁片、振动膜、线圈等组成，当线圈中流过交流电流时，铁片与振动膜受磁场的吸引会向铁心靠近，产生的振动在共鸣腔的作用下发生尖锐响亮的声音，实现电能与声能间的转换。 微型电磁式讯响器的发声谐振率一般为23khz,在距离10cm处的声音有80db以上。各种讯响器的体积大小不同，规格型号各异。6.2讯响器的类型和使用微型电磁式讯响器

21、按是否要驱动电路可分为无源式和有源式两大类。无源式讯响器自身不带音源电路，相当于一只微型的扬声器，要外加音频驱动电路才能发声。无源讯响器的信号电压一般为1-2v，无源式讯响器价格便宜，大量用于电子时钟和电子玩具上，运用时要根据直流阻抗进行选择，直流阻抗一般有16、42、50等。有源讯响器内部有振荡和驱动电路。使用时只需外加直流电压即可发声。有源讯响器适合用做各种仪器、仪表的发声器件，选用时要根据工作电压进行选择，其工作电压为1.5v 、3v、6v、9v、12v等，接入电源要注意分清“+”“”两根引线。 微型电磁讯响器按发声的方式可分为断续声和连续声两大类，连续声讯响器的输出声音在时间上是连续的

22、。断续声讯响器发出的响亮声是脉冲式的。其工作电压也分多种等级。7 单相桥式整流电路7.1电路组成和工作原理单相桥式整流电路中的四只二极管可以是四只分立的二极管，也可以是一个内部装有四只二极管的桥式整流器（桥堆）。+_+aaa-b+（a）单相桥式整流电路 +_-（b）简化电路图7.1 单相桥式整流电路在u的正半周内（设a端为正，b端为负）d、 d因正偏而导通，d、 d因反偏而截止；在u的负半周内（b端为正,a端为负）,二极管d、d导通，d 、d截止。但是无论在u的正半周还是负半周，流过r中的电流的方向都是一致的。在u的整个周期内，四只二极管分两组轮流导通或截止，在负载上得到了单一方向的脉动直流电

23、压和电流。单相桥式整流电路中各处的电压和电流波形分别如图7.2(a)(b)所示：0（a）03（b）4图7.2单相桥式整流电路的波形图7.2负载上直流电压和电流的估算由图7.2知，单相桥式整流输出电压波形的面积是单相半波整流时的两倍，所以输出的直流平均电压uo也是单相半波整流时的两倍，即uo=0.9u2输出平均电流io io=7.3二极管的选择 在单相桥式整流电路中，由于四只二极管两两轮流导电，即每只二极管都只是在半个周期内导通，所以流过每个二极管的平均电流是输出电流平均值的一半，即 i=二极管的最大反向峰值电压：u=u2由以上分析可知，单相桥式整流输出电压的直流分量大，纹波小，且每个二极管流过

24、的平均电流也小，因此应用最为广泛。8 家用可燃气泄漏报警器的制作8.1印制板图的设计如图8.1图8.1 家用可燃气泄漏报警器的印制板图8.2元器件的清单表 8.1 元器件清单表序号名称型号规格位号数量备注1电阻200r11限流2电阻43r21限流3电阻30r314电阻120kr41限流5电位器300 rp1调节灵敏度6二极管1n4007vd1、vd2、vd3、vd44桥式整流7二极管1n4148vd5、vd628二极管1n4001vd719稳压二极管1n5927bz1112v10稳压二极管1n5917bz215v11发光二极管5led112气敏传感器qm-n5113三极管2sc2482114继

25、电器jrx-4115电解电容470f/25vc116变压器10w117蜂鸣器112v18家用排气扇90wm1119保险1.5a120开关k118.3安装说明 8.3.1 安装步骤a.先弄明白其电路原理图依照元件清单清点电子元件数量。b.对所清点的元件进行检测以判断其好坏，若有坏的要及时更换。c.将所检测好的元件，镀锡成型后按照电路的印制板图进行焊接。8.3.2 锡焊的要求a.焊点机械强度要足够。b.焊接可靠要保证导电性能。c.焊点表面要光滑清洁。8.3.3 故障排除a.按照印制板图将各元器件焊接装配完毕后，用目测法检测各焊点是否光滑干净，有无虚假焊的现象，以确保导通的同时也美观怡人。b.将指针式万用表调在rx10档对各焊点和各线路进行测量判断其是否存在开路和短路情况。8.3.4 通电调试