有害气体报警课件

肜瑶2010.9.20（实验二）有害气体报警电路的设计第一讲设计思路及工作原理一、实验目的

通过有害气体报警电路的设计、安装和调试，要求学会：

（1）选择变压器、整流二极管、传感器、电阻、电容、运算放大器、555定时器、继电器及集成稳压器来设计有害气体报警电路；

（2）掌握有害气体报警电路的工作原理及测试方法。二、设计任务要求1、设计任务

设计一个有害气体的检测电路，能检测到室内或相应环境的有害气体浓度超标现象，并进行及时报警，同时安装有排气通风装置，能及时排出室内有害气体。

2、设计要求

本课题主要完成以下几个部分的设计：

①直流电源部分：为系统各部分提供稳定、可靠的直流电。

②信号采集及处理电路：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。

③声光报警电路：在有害气体浓度超标时，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；在空气洁净时，电路应以不同的灯光提示，表明安全。

④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。2、电路原理图

3、工作原理（1）直流电源直流电源由电源变压器、桥式整流电路、滤波器、稳压电路等四个组成部分组成。

本系统所需的是12V和5V的直流电，因此要利用变压器将220V的市电先降至合适的交流电压（本电路需先降至15V交流电压），然后再将变压器次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。桥式整流电路将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。滤波电路由电容元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。

稳压电路的作用是采取某些措施，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。电源稳压常采用三端集成稳压器，本设计可以采用三端集成稳压器W7812和W7805，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，使用方便、安全。

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。☆

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。

（2）信号采集及处理电路主要物理特性类型气敏元件检测气体电阻型电阻表面控制型SnO2、ZnO等的烧结体、薄膜、厚膜可燃性气体体控制型La1-xSrCoO3、T-Fe2O3、氧化钛酒精、可燃性气体、氧气非电阻型二极管整流特性表面控制型铂-硫化镉、铂-氧化钛（金属-半导体结型二极管）氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅、钯栅M0s场效应管氢气、硫化氢

电阻型半导体气敏元件的工作原理：

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。（3）触发电路触发电路作用就是用555组成双稳态触发电路，由其输入状态改变输出状态，触发后续的执行电路。555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-S触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压-频率变换电路等，用途十分广泛。

555芯片逻辑功能表④脚⑥脚②脚③脚⑦脚0XX0导通（0）1110导通（0）1001截止（1）101原态原态110不定（禁止）不定（禁止）应用LM555组成双稳态触发电路如下：

（4）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。

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光报警电路部分该电路部分由两个发光二极管（绿、红）及其附属电路组成。

☆声音报警电路部分

该电路部分由四声集成芯片KD153、扬声器及其附属电路组成。具体电路如下所示：其中继电器是一组触头开关，一个是常开触点，一个是常闭触点。使用条件如下：环境温度：－55～＋85℃；相对温度：＋40℃时，达98%；大气压力：达4400Pa；振动：10～500Hz，加速度达49m/s2；离心加速度：达245m/s2；工作电压：12V；线圈电阻：50±10%；吸合电压≥9V；释放电压≤2V；工作位置：任意。

电磁继电器是一种利用电磁力来切换触点的开关型电器。电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称MER。它在电路中的文字符号为“K”或“KA”、“KR”(旧标准为“J”)。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的线圈J、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在线圈未通电时，触点1、2是闭合的，称常闭触点。1、3触点是断开的，称常开触点。线圈得电后则1、3接通，1、2断开。1、2、3三个触点为一组，继电器可以带多达7组触点。下