危险气体泄漏报警器

1、 JIU JIANG UNIVERSITY 检测与转换技术 课程设计 题 目 危险气体泄漏报警器 院 系 电子工程学院 专 业 电子信息工程技术 姓 名 邵玄德 年 级 B1261(16) 指导教师 张 波 2014年 12月 摘 要在日常生活和工业生产中,安全是一个至关重要的环节,因为它关系到我们的人身和财产安全,危险气体泄漏报警系统可以在发生危险之前,积极采取措施,从而降低或是甚至完全排除危险。以半导体气体传感器为核心, 结合7805和LM324,设计了一种简易廉价并且能够准确检测泄漏气体的危险气体泄漏报警器。当危险气体泄漏时, 系统可以用蜂鸣器报警警示人们,并可连接后续器件, 当危险气体

2、的浓度达到一定数值时, 将会启动排风装置,恢复正常的安全气体环境。关键词：危险气体报警系统；半导体气体传感器；排风装置 目 录摘 要1第1 章 绪论31.1 背景31.2 设计目的3第2章 原理分析42.1 电路系统框图及其原理图42.2 系统电路设计组成部分介绍5 2.2.1 半导体气体传感器5 2.2.2 气敏传感器输出电压获取方式.6 2.2.3 电源电路6 2.2.4 比较电路7 2.2.5 声光报警及外部驱动电路8第3章 实现过程8心得体会9参考文献.9第1 章 绪论1.1 背景目前, 在工业和生活中均大量用到用于储存和输送压缩气体的压力容器, 如气缸、气罐、煤气管道等等。由于各种人

3、为或是其他各种各样的原因, 容器会产生漏孔, 从而发生气体泄漏。这是一种对资源的严重浪费, 不仅会对空气造成严重的污染, 而且会造成人员伤亡, 国内外就有过类似的事情发生。危险气体泄露预警系统的出现可以准确的判断和定位产生气体的位置, 并进行及时的报警提示, 对于提高企业的生产效率和节约能源具有重要的意义, 同时也避免了一些不必要的人员伤亡和财产损失。本设计从实际应用角度出发, 设计出一种价廉物美的危险气体泄漏报警器。1.2 设计目的 本设计主要实现当工业或日常生活环境中可燃或有毒气体泄露时, 气体报警器检测到气体的浓度已经达到爆炸或中毒的临界点时, 报警器就会发出报警信号, 以提醒人们采取安

4、全措施, 并同时驱动排风、切断、喷淋等系统, 防止发生爆炸、火灾、中毒事故, 从而保障生产、人身和财产安全。第二章 原理分析2.1 电路系统框图及其原理图气体泄漏报警器可由五个部分组成: 传感器、二极管、三极管、运算放大器、电源模块、比较电路。传感器选择半导体气体传感器, 它能感知环境中某种气体并将与气体浓度有关的信息转换成电信号。 图1 基于比较电路设计的系统框图比较电路主要以运算放大器为核心, 它能够对传感器的输出电压和最初的设定值( 即气体泄漏的门限值) 进行比较, 当输出电压超过设定值时, 进行声音报警, 当输出电压超出设定值1. 5V时, 系统在进行声音报警的同时, 绿色指示灯亮,

5、启动外部驱动电路, 进行自动排除危险功能。系统框图如图1所示。报警器应具有以下特点:1) 当环境中危险气体的泄漏超过预定的门限值时, 能够做到准确报警;2) 系统正常工作, 绿色指示灯亮;3) 气体浓度达到一定浓度时, 红色指示灯亮,并驱动蜂鸣器报警;4) 拥有外部驱动开关, 能够驱动排气扇等通风设备工作;5) 电源电路可实现220V到5V的电压转换;6) 采用声光报警;7) 体积小;8) 价格低廉, 简单易用。电路的整体设计原理图如图2所示。 图2 系统设计原理图2.2 系统电路设计组成部分介绍2.2.1 半导体气体传感器气体传感器的种类很多, 其中包括半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器

6、、电化学式气体传感器及固体电解质气体传感器等等, 但目前应用最广泛的是半导体气体传感器。氧化物半导体表面一旦吸附某些气体时, 其电导率将会发生改变, 利用半导体的这种性质检测气体特定成分( 主要是还原性气体) 的传感器称为半导体气敏传感器 1。如图3所示。图3 传感器元件符号2.2.2 气敏传感器输出电压获取方式半导体气敏传感器采用加热器对气敏元件进行加热。这时, 加热器的加热温度对气敏传感器的特性有很大影响。为此, 加热器的电压恒定是非常重要的。气敏传感器的输出电压如图所示, 其中与气敏传感器串联电阻Rs, 该电阻的电压降就是传感器的输出电压, 若检测到有害气体, 传感器的气敏元件的阻值就会

7、降低, 这时, Rs两端电压就会升高,从而, 输出电压发生变化 1。考虑所确定浓度气体中气敏元件的阻值来决定Rs阻值, 对于一般的应用, 传感器的输出电压为2V 3V时, 则后续电路处理就非常方便。将传感器的输出接到比较器A1的同相输入端, 当检测气体的浓度超过设定值时,A1输出高电平, 控制后续电路工作, 这样就构成了简单的气体检测电路 2, 如图4所示。 图4 气敏传感器电压输出获取方式2.2.3 电源电路设计思路: 危险气体泄漏预警系统广泛应用于工业生产和日常生活中, 考虑到平常的使用电压是220V, 所以电源电路的时段首先设计一个220V/9V的变压器, 从而使该气体泄漏报警系统在实际

8、应用中更加的方便。连接在后面是两个并联的二极管, 它起到的是整流作用, 把交流变为直流的电路。借随其后串联的电阻和电解电容, 是一个小型的滤波器, 当整流后的电压通过滤波器后, 输出的电压降更加平稳, 有利于系统的稳定性。芯片7805是一个提供5V的三端稳压集成电路。将电源电路的末端连接在7805后, 就保证整个电路在系统的工作期间一直连续不断的提供5V电源 31。其电路图如5所示。 图5 电源电路2.2.4 比较电路设计思路: 气体传感器的输出电压连接在放大器LM324的同相输入端, 放大器的反相输入端连接在滑动变阻器上, 在系统工作之前, 调节滑动变阻器, 设定最初值, 此值标志系统工作环

9、境的正常范围, 当气体浓度高于设定值时, 放大器输出高电平, 此时的输出电压连接在另一个放大器上, 进行再次放大, 输出电压使得三极管导通。连接在三极管上的蜂鸣器便发出声响, 起到警示作用。如图6所示。 图6 比较电路2.2.5 声光报警及外部驱动电路设计思路: 当系统的周围环境气体泄漏的浓度到达一定程度时, 为了安全, 声光报警的同时, 再设计一个外部驱动电路, 这样就可以在气体浓度过高时, 由外部驱动电路驱动外部电路, 譬如驱动排风扇等装置, 这样气体达到一定浓度, 排风扇自动工作, 将危险气体排出, 更加保障了安全。因此, 将气体传感器的输出电压连接在另一个运算放大器上,放大器的另一端仍

10、然接在滑动变阻器上, 在将二极管和三极管顺次连接上, 这样当气体浓度很高时,放大器的输出电压高于1. 5V时, 这样二极管、三极管导通, 绿色指示灯亮并且启动连接在三极管上开关, 这样外部设置开始工作, 自动排除气体 5。如图7所示。 图7 声光报警及外部驱动电路第3章 实现过程当电源接通时, 7805提供稳定的5V电压, 保证系统运行的稳定性。首先通过滑动变阻器设置一个确定值, 当系统的周围环境中, 不存在被测气体时, 气敏传感器的输出电压小于设定的最初值, 此时电压经过比较器, 输出低电压, 二极管和三极管不导通, 此时蜂鸣器不响, 红灯也不亮, 表示没有危险气体泄漏。当系统的周围环境存在

11、被测气体时, 传感器的气敏元件的阻值会降低, 这时, 连接在传感器的输出端和地之间的电阻R11两端电压就会升高, 从而输出电压发生改变。输出电压将会高于最初的设定值, 接口2、3进行比较后, 通过接口1输出一个电压差值, 接口12、13电压再次进行比较, 接口十四输出正电压 3, 此时三极管导通, 蜂鸣器将会发出声音。而当周围环境的北侧气体到达一定浓度时, 接口5、6的电压进行比较后输出的电压大于等于1. 5V时, 此时红灯亮, 并且连接在红灯和开关J之间的三极管导通, 从而启动开关J链接的后续元件开始工作, 即排风机将危险气体排出, 从而保证了安全问题。心得体会经过这次的危险气体泄漏报警器的

12、设计,我个人得到了不少的收获,一方面加深了我对课本理论的认识,另一方面也提高了软件操作能力。现在我总结了以下的体会和经验。这次设计跟我们以前做的设计不同，因为我觉得这次我是真真正正的自己亲自去完成。所以是我觉得这次试验设计最宝贵，最深刻的过程全是我们学生自己动手来完成的，这样，我们就必须要弄懂原理，而且体会到了实际的软件操作能力是靠自己亲自动手，亲自开动脑筋，亲自去请教别人才能得到提高的。我们设计绝对不能人云亦云，要有自己的看法，这样我们就要有充分的准备，若是做了也不知道是个什么实验，那么做了也是白做。设计总是与课本知识相关的，我们必须回顾课本的知识，知道做设计时将要测量什么物理量，写报告时怎

13、么处理这些物理量。在设计过程中，我们应该尽量减少操作的盲目性提提高设计效率的保证，有的人一开始就赶着做，结果却越做越忙，主要就是这个原因。我也曾经犯过这样的错误。在实验仿真时，开始没有认真吃透电路图，仪器面板的布置及各键的功能，瞎着接线，结果显示不到数据，等到显示到了又不正确，最后只好找同学帮忙。 最后，通过这次的危险气体报警器的设计我不但对理论知识有了更加深的理解，对于实际的操作也有了质的飞跃，对各个方面都得到了不少的提高，为我们以后出去工作奠定了一定的基础。 参考文献:1 王卫东.模拟电子电路技术M.西安：西安电子科技大学2002: 58-62.2 阎石.数字电子技术基础（第五版）M.北京：清华大学出版社，1977：138-162.3 谢自美.电子线路设计