毕业论文_煤气安全报警器设计

1、南京工程学院毕业设计说明书（论文）摘要随着经济和科学技术的快速发展,人们对生活质量的提高和生活环境的改善越来越重视,液化气、煤气进入家庭的使用为人们带来了方便,也改善了城市的环境,但同时也给人们带来了潜在的危险,其中一氧化碳是最主要的危险源。一氧化碳是一种无色无味同时这些气体燃料在使用中，若管道和阀门密封不好，它们泄露出去，轻者引起中毒，重者造成火灾，危及人们的生命财产。由于这些原因，对于气体的检测与控制就变得很重要了，研究各种气体的检测方法与气体传感器也随之成为一个重要课题。本毕业设计课题就是要求设计一个煤气安全报警器。为此设计了一个用气敏元件检测空气中可燃气体浓度，浓度超限时发出报警声的煤

2、气安全报警器。煤气安全报警器由气敏检测电路、电子开关电路、声光报警电路和电源电路组成。气敏传感器由QMN5型气敏传感元件组成，当可燃气体在空气中的浓度逐渐增加时，该元件阻抗随之减小，这种气敏元件适用于天然气、煤气、一氧化碳等检测。当煤气泄露时，气敏元件发生变化，当可燃气体在空气中的浓度增大到一定的值时，气敏传感器输出检测信号触发电子开关电路，从而控制电子开关电路接通或断开其他设备的电源并发出报警声，起到安全报警作用。当煤气泄露排除后，电路自动复原。该报警器性能非常稳定可靠，几乎没有误报，具有灵敏度高、稳定性好、响应迅速、恢复时间短和电导率变化大等优点。论文对煤气安全报警器的整体电路进行了设计，

3、对各个功能单元电路也进行了设计分析，电路的设计满足了煤气安全报警器的功能和性能要求。关键词：煤气，气体传感器，煤气安全报警器ABSTRACTWith the rapid development of economy and science and technology, people on the improved quality of life and improvement of living environment more and more attention, gas, gas into the home to use for people to bring the convenie

4、nce, but also to improve the urban environment, but at the same time also gave rise to the potential danger, of which carbon monoxide is the main source of danger. Carbon monoxide is an odorless, colorless, gaseous fuel in use, if the pipeline and valve seal is not good, they leaked light can cause

5、poisoning, serious cases cause a fire, endangering people's lives and property. For these reasons, detection and control of the gas becomes very important, and the detection of various gases and gas sensors also will become an important issue.This graduation project is to design a gas safety ala

6、rm. Designed for this purpose the concentration of combustible gas, a gas sensor detect airborne sound an alarm when the concentration overrun gas safety alarm. Gas safety alarm by the gas sensing detection circuit, the electronic switch circuit, sound and light alarm circuit and power circuit. The

7、gas sensor of the QM-N5 gas - sensor, the device impedance decreases when increasing concentrations of combustible gases in the air, such sensors are applicable to natural gas, gas, carbon monoxide detection. When the gas leak, the gas sensor changes when the concentration of combustible gases in th

8、e air increases to a certain value, the gas sensor output detection signal to trigger the electronic switch circuit, so as to control the electronic switching circuit to connect or disconnect the other device the power and sound an alarm to play a role in security alarm. When the gas leak is removed

9、, the circuit automatically recover. The alarm performance is very stable and reliable, and almost no false positives, high sensitivity, good stability, fast response, and recovery time is short and conductivity changes.The paper of the whole circuit of the gas safety alarm design, each functional u

10、nit circuit design, circuit design meets functional and performance requirements of gas safety alarm.Key words: gas, gas sensors, gas safety alarm目录第一章 绪论51.1 论文研究来源、目的和意义51.1.1 论文研究来源51.1.2 论文研究目的和意义51.2 可燃性气体报警器的国内外现状6第二章 系统总体设计方案82.1 系统组成结构82.2 煤气安全报警器的总体工作原理8第三章 功能单元电路设计103.1 电源电路103.1.1 电源变压器11

11、3.1.2 整流电路123.1.3 滤波电路133.1.4 直流稳压电源电路143.2煤气检测电路153.2.1气敏元件153.2.2气敏检测电路的组成253.2.3 气敏检测电路工作原理263.3电子开关电路263.3.1 电子开关电路的组成263.3.2 电子开关电路的工作原理273.3.3 电子开关电路中所用的元器件273.3.4 电子开关电路中参数计算313.4 声光报警电路313.4.1 声光报警电路的组成313.4.2 555定时器介绍313.4.3 由555定时器组成的多谐振荡器353.4.4 声光报警电路的工作原理36第四章 煤气安全报警器整体电路及工作过程374.1 煤气安全

12、报警器整体电路374.2 煤气安全报警器工作过程40第五章 软件应用425.1 MULTISIM软件425.1.1 Multisim概貌425.1.2 Multisim对元器件的管理485.2.3 输入并编辑电路495.1.4 虚拟仪器及其使用515.2 PROTEL软件52第六章 软件调试546.1软件的调试54第七章 总结与展望577.1总结57 7.2展望57谢辞58参考文献59附录A英文资料60附录B英文资料翻译66附录C仿真图70附录D PCB71附录E 元器件清单72第一章 绪论1.1 论文研究来源、目的和意义1.1.1 论文研究来源随着科技的发展，越来越多的可燃性气体作为能源应用

13、于工业生产和人们的日常生活中。但是可燃性气体在给我们带来极大便利的同时，也存在巨大隐患。可燃性气体发生泄漏达到爆炸极限后，一旦有火源作用，便会引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至会危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对这些可燃性气体进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。1.1.2 论文研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿

14、瓦斯等1。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，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。可燃性气体检测报警装置是能够检测环境中的可燃性气体浓度并具有报警功能的仪器。该报警装置是石油化学工业、有可燃性气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。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

15、置可燃性气体浓度检测报警装置”。2003年12月，国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)可燃气体探测器，2004年10月国家颁布可燃气体检测报警器规程JJG693-2004，研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并合乎国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达2000万台以上。随着全社会对防火防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。近十年来，农村的沼气使用也得到了极大的发展。到2006年

16、底，全国沼气池数量已达近1300万座，这就为检测沼气（主要成分是甲烷）浓度的仪器提供了市场。可见，可燃性气体报警器具有十分广阔的市场前景。1.2 可燃性气体报警器的国内外现状国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年-2002年气体传感器年均增长率为27%-30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。1963年5月，

17、日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。我国在70年代初期开始研制可燃性气体报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在气体选择性和产品稳定性上也有很大进步。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器、有毒有害气体报警器三大系列产品。民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器,

18、一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外；有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使

19、用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。第二章 系统总体设计方案2.1 系统组成结构根据煤气安全报警器的功能和性能要求，煤气安全报警器由煤气检测电路、电子开关电路、声光报警电路、安全执行机构和电源电路组成，系统结构框图如图2.1所示。电源煤气检测电路声光报警电路执行机构电子开关电路 图2.1 系统结构框图系统中各部分电路的作用

20、：煤气检测电路：用煤气检测元件检测空气中的煤气浓度；电子开关电路：当检测到空气中的煤气浓度达到一定值时，打开电子开关，控制声光报警电路发出报警声，同时切断煤气供应的执行结构；声光报警电路：当检测到空气中的煤气浓度达到一定值时，发出报警声的电路；安全执行机构：当检测到空气中的煤气浓度达到一定值时，被切断的煤气供应执行结构；电源电路：为煤气检测电路、电子开关电路、声光报警电路提供工作电源的电路。2.2 煤气安全报警器的总体工作原理煤气泄漏后，当空气中的煤气浓度达到一定值时，煤气检测敏感元件发出信号，控制电子开关，使声光报警电路发出报警声， 同时控制安全执行机构切断煤气供应，完成煤气安全报警任务。当

21、煤气泄漏用人工方法排除以后，煤气检测电路、电子开关电路、声光报警电路、安全执行机构自动复原，继续进行煤气自动供应与自动检测。第三章 功能单元电路设计3.1 电源电路电网提供的的交流电一般为220V或380V，它经变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路，为煤气安全报警器各部分功能单元电路提供稳定的直流电源电压。直流稳压电源电路总体框图如图3.1所示，各部分输出电压波形如图3.2所示。滤除波动信号取直流稳定直流的输入电压将交流电压变为单向脉动电压将220V的高压变成低压整流电路滤波电路稳压电路电源变压器负载BCDAE交流电220V图3.1 直流稳压电源组成示意图图3.2 直流稳压电源波形变换3.1.

22、1 电源变压器将220V的交流电变换成电路所需的低压交流电，用普通的电源变压器即可实现变压目的。变压器是可以变换电压、电流以及阻抗的器件，所以这里用变压器将市电220V变换成电路所需要的低压。其结构主要有铁心和线圈组成。变压器的结构及电路符号如图3.3所示。 图3.3 变压器结构及电路符号3.1.2 整流电路利用单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压变换成单向脉动的直流电压。单相桥式整流电路如图3.4所示。图3.4 桥式整流电路设变压器二次电压为u2 ,波形如图3.5所示。在u2的正半周，即1点为正，3点为负，D1、D3由于正向偏置而导通，D2、D4由于反向偏置而截止，此时有电流流过

23、RL，电路经1D1RLD33，负载RL上得到一个半波电压，若略去二极管的正向电压，测u0u2。在u2的负半周，即1点为负,3点为正，D1、D3由于反偏而截止，D2、D4由于正偏而导通，此时电流经3D2RLD41。这时RL上得到另一个半波电压，若略去二极管的正向压降。u0-u2。由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单向全脉动直流电压。图3.5 桥式整流输入输出波形通过上述分析，可以得到桥式整流电路的基本特点如下：（1）桥式整流输出的是一个直流脉动电压。（2）桥式整流电路的交流利用率为100%。（3）电容输出桥式整流电路，二极管承担的最大反向电压为2倍

24、的交流峰值电压（电容输出时电压叠加）。（4）桥式整流电路二极管的负载电流仅为半波整流的一半。 （5）实际电路中，桥式整流电路中二极管和电容的选择必须满足 负载对电流的要求。3.1.3 滤波电路交流电压经整流后输出的是单向脉动的直流电压，其中既含有直流成份又含有交流成份。滤波电路的作用是利用电容元件两端电压不能跃变或电感元件中电流不能跃变的特性, 将电容元件与负载并联或将电感元件与负载串联，滤掉整流输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到输出电压平滑的目的。滤波电路是在桥式整流电路输出端与负载RL并联一个较大的电容C。如图3.6所示。图3.6 桥式整流滤波电路由图可知，设电容两端初始电压为零，

25、并假设在t=0时接通电路，在u2的正半周，则a点为正，b点为负。当u2 由零上升时，D1、D3导通，C被充电，同时电流经D1、D3向负载电阻供电。如果忽略二极管正向电压和变压器内阻，电容充电时间常数为零，因此，Uo=Uc约等于u2的瞬时值。u2达到最大值时Uc也达到最大值，然后u2下降，此时，Ucu2,D1、D3截止，电容C向负载电阻RL放电，由于放电时间常数=RLC,一般较大，电容电压Uc按指数规律缓慢下降。当u2下降到接近负峰值时，D2、D4导通，电容C再次被充电，输出电压增大。以后反复上述充放电过程。输出电压的平均值UO的电压大小与滤波电容C及负载电阻RL的大小有关，C的容量一定时，RL

26、越大，C的放电时间常数就越大，其放电速度越慢，输出电压就越平滑，UO就越大。当RL开路时，UO1.414U2，为了获得良好的滤波效果，一般取C1RL(35)T2(T为电源交流电压的周期)在整流电路的内阻不太大(几欧)和满足上式的关系时,电容滤波的负载电压UO与U2的关系约为:UO=1.2U2。3.1.4 直流稳压电源电路半导体直流电源由整流变压器变压、整流电路、滤波电路、稳压电路等环节组成。如图3.7所示。 图3.7直流电源组成环节整流变压器Tr：将交流电源电压u1变换为符合整流要求的交流电压u2。滤波电路：将单向脉动直流电压u3变换为脉动较小的直流电压u4。整流电路：将交流电压u2变换为单向

27、脉动的直流电压u3。稳压电路：在交流电源电压波动及负载变化时，使直流输出电压u0稳定。3.2煤气检测电路3.2.1气敏元件（1）半导体气敏元件的应用特性 灵敏度特性 气敏元件的灵敏度特性，是表征气敏器件对检测气体敏感程度的指标.半导体气敏元件对多种可燃性气体和液体蒸汽都有敏感性能，其灵敏度视气体和液体蒸汽不同而有所不同.器件灵敏度虽各有差异，但它们都遵循共同规律，即器件电阻与检测气体浓度大都具有如下关系: log Rs = m log C + n 图3.8 图3.9 式中，m，n为常数，m代表器件相对于气体浓度变化的敏感性，n与检测气体灵敏度有关，随元件材料、气体种类而异，并随测试条件而有所不

28、同( 图3.8-24只元件在Vc=10V VH=5V 20度 65%RH 时对甲烷（CH4）的反应数据。) 从上图可以看出，器件在低浓度下输出曲线陡,而高浓度下，曲线较平缓,并趋于饱和。这一特点,非常适宜检测低浓度微量气体。 由于制造原理及生产工艺的影响， 半导体气敏元件具有较大的离散性，表现为元件在洁净空气中的电阻R0分布在一较大的范围内， Ro相同的器件，其灵敏度S=Rs/Ro却不一定相同，如图3.9。由此导致同一型号的传感器互换性差，这是一个普遍存在的问题，供货时一般通过分档筛选使Ro、S处于一较小的范围内，但仍有一定的的离散性，所以应用时仍需逐只进行标定校准。 图3.10 加热特性:

29、半导体气敏元件需要在加热状态下工作,加热温度影响器件的性能,加热功率变化,元件电阻及灵敏度也相应的有所变化，所以传感器的工作电源应使用稳压电源。如图3.10所示。 初期恢复特： 图3.11 气敏元件在不通电状态下存放后，再通电时并不能立即投入正常工作，其电阻值会有一段急剧变化过程，而后趋于稳定。其如图3.11，元件由通电至趋于稳定的时间称为初期恢复时间。初期恢复时间与元件种类、存放时间和存放环境状态有关；一般不通电存放时间长，初期恢复时间亦长，但一般都在5分钟以内。由于这种影响使得气体检漏仪或报警器在通电初期即使没有检测气体时，也会触发报警，即所谓通电初期误动作。为此，在设计报警器电路时，可采

30、取适当措施，设法消除这种误动作现象或避免这种影响。如设置延时取样电路。 长期工作稳定性: 图3.12 半导体气敏元件的敏感层是用非常稳定的金属氧化物制成的，因此它具有优秀的长期稳定性，在正常使用条件下，其使用寿命可达3 年以上。如图3.12所示。 （2）气敏传感器的电参数 气敏元件QM是煤气检测电路的核心元件，这里采用QM-N5型气敏元件。QM-N5型气敏元件属于N型金属氧化物半导体气敏元件,它适合检测天然气、煤气、液化石油气、氢气、一氧化碳、烷类气体、烯类气体。用它可作为可燃气体探头,具有灵敏度高,稳定性好,响应和恢复时间短等优点。 QM-N5型气敏元件的外形结构及元件符号如图3.13所示。

31、图3.13 气敏元件的外形结构及符号气敏元件由加热灯丝和气敏测量电极组成，是一个气敏电阻元件。灯丝加热以后，如果气敏元件未遇到可燃气体，电极间电导率增加，经过10分钟左右电导率下降到一个稳定值，测量电极之间的电阻值也为一个稳定值，在这之后，气敏元件开始正常工作。当气敏元件遇到煤气以后，测量电极间的电阻值开始下降，电阻值的大小反映了空气中煤气浓度的大小。电阻值变化越大，灵敏度越高，只要加一简单电路可实现报警。气敏元件的参数主要有加热电压、电流，测量回路电压，灵敏度，响应时间，恢复时间，标定气体（0.1%丁烷气体）中电压，负载电阻值等。QM-N5型气敏元件的参数如表3.1所示，它的最佳工作条件为：

32、极间电压UAB=10V，灯丝电压Uf=5V,负载电阻RL=2 K。常见的气敏元件还有MQ-31（专用于检测CO），QM-J1酒敏元件等。表3.1 气敏传感器的电参数参数名称型号计量单位QM-N5清净空气中的电压0.10.2V标定气体中电压U0.1+1V灵敏度4U0.1U0电压比值0.9U0.1U0.5响应时间Tres10S恢复时间Trec30S最佳工作条件回路电压VC10V加热电压VH5V负载电阻RL2K允许工作条件回路电压VC51.5V加热电压VH4.55.5V负载电阻RL0.52.2K 电阻R0和Rs 固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下（或洁净条件下）的阻值，又称正常电阻。 工作电阻

33、Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。 灵敏度K 气敏元件的灵敏度通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻之比来表示灵敏度K。 k=Rs/Ro 响应时间tres 把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间，定义为响应时间，用tres表示。 恢复时间trec 把气敏元件从脱离检测气体开始，到期阻值恢得到正常空气中阻值的时间，定义为恢得时间，用trec表示。 实际上，常用气敏元件从接触或脱离检测气体开始，到其阻值或阻值增量达到某一确定值的时间，例如，气敏元件阻值增量由零变化到稳定增量的63%所需的时间，定义为响应时间和恢复时间。 加热电阻RH和

34、加热功率PH 为气敏元件提供工作温度的加热器电阻称为加热电阻，用RH表示。气敏元件正常工作所需要的功率称为加热功率，用PH表示。 洁净空气电压U0 在洁净空气中，气敏元件负载电阻上的电压，定义为洁净空所中电压，用U0表示。U0与R0的关系为 式中UC测试回路电压；RL负载电阻。 标气体中电压Ucs SnO2气敏元件在不同气体、不同浓度条件下，其阻值将相应发生变化。因此，为了给出元件的特性，一般总是在一定浓度的气体中进行测度标定。把这种气体称标定气体，例如，QM-N5气敏元件用0.1%丁烷（空气稀释）为标定气体，TGS813气敏元件用0.1%甲烷（空气稀释）为标定气体等等。在标定气体中，气敏元件

35、的负载电阻上电压的稳定值称为标定气体中电压，用Ucs表示。显然，Ucs与元件工作电阻Rs相关 或 电压比Ku 电压比是表示气敏元件对气体敏感特性，与气敏元件灵敏度相关。它的物理意义可按下式表示。 K=Uc1/Uc2 （10-26） 式中，Uc1和UC2气敏元件在接触浓度为c1和c2的标定气体时负载电阻上电压的稳定值。 回路电压Uc 测试SnO2气敏元件的测试回路所加电压称为回路电压，用Uc表示。这个电压对测试和使用气敏器件很有实用价值。根据此电压值，可以选负载电阻，并对气敏元件输出的信号进行调整。对旁热式SnO2气敏元件，一般取Uc=10V。 （3）半导体气敏元件的应用分类 按其用途可分为以下

36、几种类型： 检漏仪或称探测器 它是利用气敏元件的气敏特性，将其作为电路中气-电转换元件，配以相应的电路、指示仪表或声光显示部分而组成的气体探测仪器。这类仪器通常都要求有高灵敏度。 报警器 这类仪器是对泄漏气体达到危险限值时自动进行报警的仪器。 自动控制仪器 它是利用气敏元件的气敏特性实现电气设备自动控制仪器。如电子灶烹调自动控制，换气扇自动换气控制等。 测试仪器 它是利用气敏元件对不同气体浓度关系来测量、确定气体种类和浓度。这种应用气敏元件的性能要求较高，测试部分也要配以高精度测量电路。（4）气敏元件和传感器技术的发展现状在应用方面，目前最广泛的是可燃性气体气敏元件传感器，已普及应用于气体泄漏

37、检测和监控，从工厂企业到居民家庭，应用十分广泛。仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例，日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规，1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。美国目前已有6个州立法，规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。报警器种类也相当繁多，有用于一般家庭、集体住宅、饮食餐店、医院、学校、工厂的各种气体报警器和系统，有单体分离型报警器、外部报警系统、集中监视系统、遮断连动系统、防止中毒报警防护系统等。结构型式有袖珍型便携式、手推式、固定式报警等；工业用固定式报警又有壁挂式、台放式、单台监控式、多路巡检式等。气体检测技术与计算机技术相结合，实现

38、了智能化、多功能化。美国工业科学公司（ISC）一台携带式气体监控仪可实现4种气体监测，采用了统一的软件，只需要换气体传感器，即可实现对特定气体监测。美国国际传感器技术（IST）公司应用一种“MegaCas"传感器和微程序控制单元，可检测100种以上毒性气体和可燃性气体，通过其“气体检索”功能扫描，能很快确定是哪一种气体。国外气体传感器发展很快，一方面是由于人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是由于传感器市场增长受到政府安全法规的推动。因此，国外气体传感器技术得到了较快发展，据有关统计猜测，美国1996年2002年气体传感器年均增长率为（2730）。 目前，气体

39、传感器的发展趋势集中表现为：一是提高灵敏度和工作性能，降低功耗和成本，缩小尺寸，简化电路，与应用整机相结合，这也是气体传感器一直追求的目标。如日本费加罗公司推出了检测（0.110）×106硫化氢低功耗气体传感器，美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器，美国FirstAlert公司推出了生物模拟型（光化反应型）低功耗CO气体传感器等。二是增强可靠性，实现元件和应用电路集成化，多功能化，发展MEMS技术，发展现场适用的变送器和智能型传感器。如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器，使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能，实现了智能化；还有前已涉及的美国IS

40、T公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。气敏元件传感器作为新型敏感元件传感器在国家列为重点支持发展的情况下，国内已有一定的基础。其现状是： 烧结型气敏元件仍是生产的主流，占总量90以上；接触燃绕式气敏元件已具备了生产基础和能力；电化学气体传感器有了试制产品； 在工艺方面引入了表面掺杂、表面覆膜以及制作表面催化反应层和修隔离层等工艺，使烧结型元件由广谱性气敏发展成选择性气敏；在结构方面研制了补偿复合结构、组合差动结构以及集成化阵列结构；在气敏材料方面SnO2和Fe2O3材料已用于批量生产气敏元件，新研究开发的Al2O3气敏材料、石英晶体和有机半导体等也开始用于气敏材

41、料； 低功耗气敏元件（如一氧化碳，甲烷等气敏元件）已从产品研究进入中试； 国内气敏元件传感器产量已超过“九五”初期的400万支。产量超过20万支的主要厂家有5家，黑龙江敏感集团、太原电子厂、云南春光器材厂、天津费加罗公司（合资）、北京电子管厂（特种电器厂），其中前四家都超过100万支，据行业协会统计，1998年全国气敏元件总产量已超过600万支。 总的看来，我国气敏元件传感器及其应用技术有了较快进展，但与国外先进水平仍有较大的差距，主要是产品制造技术、产业化及应用等方面的差距，与日本比较仍要落后10年。3.2.2气敏检测电路的组成气敏检测电路如图3.14所示。图3.14 气敏检测电路图 煤气检

42、测电路由气敏元件QM、电位器RP1、电位器RP2、电阻R4和指示灯DS1组成。QM是气敏元件，气敏元件将煤气浓度转换为气敏元件电极间的电阻变化。电源通过电位器RP1、电阻R4和指示灯DS1向气敏元件QM提供灯丝kk电流。DS1起稳定气敏元件灯丝的作用，以使报警器工作稳定、可靠。R4为分流电阻，用以减少流过指示灯的电流，避免灯丝达到正常白炽化程度。3.2.3 气敏检测电路工作原理气敏元件通电预热以后但未遇到可燃气体前，其电导率在增加，经过10分钟左右，电导率才下降到一个稳定值，即测量电极之间的电阻值上升到一个稳定值，此时气敏元件才进入正常检测工作状态，适当的调节电阻器RP2，可使BB端电压接近于

43、零（RP2为调零电位器）。当气敏元件遇到煤气后，AA、BB电极之间的阻值相继下降，BB端的电位则上升，利用BB的电位去控制电子开关电路，从而触发报警器。3.3电子开关电路3.3.1 电子开关电路的组成电子开关电路如图3.15所示。图3.15 电子开关电路图 电子开关电路由CD4093施密特触发器、PNP晶体管VT、电磁继电器和二极管VD组成。3.3.2 电子开关电路的工作原理当CD4093输入为低电平时（即煤气没有泄露），CD4069输出为高电平，使VT因反偏而截止，报警电路不工作。当CD4093输入为高电平时（即有煤气泄露），CD4069输出为低电平，报警电路工作，使VT导通，继电器有电吸合

44、，接通其它设备的电源使电路投入到工作状态中。3.3.3 电子开关电路中所用的元器件(1)施密特触发器施密特触发器(Schmitt Trigger)，简单的说就是具有滞后特性的数字传输门。它也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。施密特触发器最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲。同时，施密特触发器还可利用其回差电压来提高电路的抗干扰能力。 门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生

45、变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压；在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。它是一种阈值开关电路，具有突变输入输出特性的门电路。这种电路被设计成阻止输入电压出现微小变化（低于某一阈值）而引起的输出电压的改变。利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于Vt+，

46、即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。当输入电压由低向高增加，到达Vt+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达Vt-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的。从传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变。当传输线上的电容较大时，波形的上升沿将明显变坏；当传输线较长，而且接受端的阻抗与传输线的阻抗不匹配时，在波形的上升沿和下降沿将产生振荡现象；当其他脉冲信号通过导线间的分布电容或公共电源线叠加到矩形脉冲信号时，信号上将出现附加的噪声。无论出现上述的那一种情况，都可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想

47、的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的Vt+和Vt-设置得合适，均能受到满意的整形效果。图3.16所示施密特触发器CD4093为四门2输入与非门施密特触发器，输入与输出是“与非”逻辑关系。图3.16 施密特内部结构图 CD4093输入与输出的逻辑关系为： 密特触发器是脉冲变换的常用电路。它可以把不规则的输入脉冲变成良好的矩形波。其工作原理为：当输入电路的电流有较少的减小时，输出的电流就会有很大的变化，减小到0。相反，当输入的电流稍微增加时，输出的电流就会有很大的变化。施密特触发器的应用主要有以下三个方面：a、波形变换可将三角波、正弦波等变成矩形波b、脉冲波的整形数字系统中，矩形脉冲在传输中经常发生

48、波形畸变，出现上升沿和下降沿不理想的情况，可用施密特触发器整形后，获得较理想的矩形脉冲。c、脉冲鉴幅幅度不同、不规则的脉冲信号时加到施密特触发器的输入端时，能选择幅度大于欲设值的脉冲信号进行输出。图3.17为施密特触发器CD4093的符号传输特性及输出波形图3.17 CD4093的符号传输特性及输出波形施密特触发器常用芯片:74LS18双四输入与非门（施密特触发）74LS19六反相器（施密特触发）74132、74LS132、74S132、74F132、74HC132四2输入与非施密特触发器触发器74221、74LS221、74 HC221、74 C221双单稳态多谐振荡器（有施密特触发器）(2

49、)电磁继电器电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件。它有一个线圈，在线圈中通入电流时，在它周围就产生磁场。在它的磁极处，有一个软铁做的衔铁，作为动触点，当通电时，衔铁被吸引过来，就可以实现与静触点的断开或闭合，从而可以控制电路的通断，它实质就是一个能自动控制的开关。电磁继电器可以实现低电压弱电流控制高电压强电流，还可以实现远距离控制及自动控制等。图3.18是电磁继电器结构示意图。电磁式继电器一般由铁芯、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

50、开触点）吸合。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。图3.18 继电器结构示意图(3) 二极管VT为阻尼二极管，它可以吸收三极管由饱和转为截止时产生的感生电动势，保护三极管不被击穿。二极管可选1N4007。3.3.4 电子开关电路中参数计算设继电器线包电阻为Rk=1 k, 设晶体管的=50（饱和压降忽略不计）则晶体管的饱和集电极电流Ics=12V1k=12mA饱和时所需基极电流Ibs12 mA50=240AR5(12-0.7)V240A =47 k3.4 声光报警电路3.4.1 声光报警电路的组成声光报警电路参看图4

51、.1所示煤气安全报警器总电路图。声光报警电路由555定时器、发光二极管VD、扬声器B和电阻电容元件R3、R4、R5、C3、C4组成。555定时器和电阻电容元件R3、R4、C3组成多谐振荡器，发光二极管VD发出光报警信号，扬声器发出声报警信号。3.4.2 555定时器介绍(1)电路组成及其引脚555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模的集成电路。555定时器的外部引脚图和内部结构图分别如图3.19和图3.20所示。图3.19 555定时器引脚图 图3.20 555定时器内部结构555定时器内部电路由电压比较器C1、C2，G1、G2构成的基本R-S触发器和集电极开路的放电三极管VT等部分组

52、成。555定时器有两个输入端，一个输出端，一共八个引脚。器件的第六引脚接电压比较器C1的反相输入端，称为高触发输入端，用符号来标注，第二脚接C2的同相输入端，称为低触发输入端，用符号 来标注；第五脚是控制电压输入端，用符号 来标注；第四脚是RS触发器的复位端；第三脚是信号输出端；第一脚是接地端，第八脚是电源电压输入端。555时基电路允许供电电源电压为4.518V，在此电源电压范围内555时基电路能够可靠地正常工作。(2)555的工作原理 它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的

53、反相输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过2/3Vcc时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3Vcc时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接。 Vco是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确

54、保参考电平的稳定。 T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。(3)555电路的引脚功能 表3.2 555电路的引脚功能触发阈值复位IS放电端输出>H导通LH原状态×H截止H××L导通L1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。 3脚：输出端Vo 2脚：低触发端 6脚：TH高触发端 4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：

55、VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表所示。 3.4.3 由555定时器组成的多谐振荡器 555定时器与外围电阻电容元件一起，可做成自激多谐振荡器，多谐振荡器电路如图3.20所示。多谐振荡器在声光报警电路中根据气敏元件检测到的煤气浓度产生的开关信号发出报警音频信号。图3.19中的内部泄放开关(VT)与R1接成了一个反相器，反相器的输出端D与UO在逻辑关系上是完全等价的。反相器的输出端D将R6、R7和电容C组成的积