燃氣泄漏報警器畢業(yè)設計

1、目 錄摘 要1第1章 緒 論2第2章 方案設計4第3章 單元電路的設計53.1 電源電路設計53.1.1 變壓器53.1.2 整流電路63.1.3 電容濾波電路73.2 檢測電路的設計93.2.1 燃氣傳感器的介紹93.2.2 半導體氣體傳感器工作原理93.2.3 半導體氣敏元件的特性參數(shù)及主要技術指標103.3 報警電路的設計103.3.1 報警集成電路555的介紹103.3.2 555時基電路的組成及管腳用途113.3.3 555時基電路的工作原理113.3.4 555時基電路的無穩(wěn)態(tài)工作模式12第4章 整機電路設計方案134.1 整機電路的工作原理134.2 整機電路的主要技術指標13第

2、5章 仿真與調(diào)試15總 結18參考文獻19附錄1 整機電路圖20附錄2 元器件明細表21摘 要為了提高對傳感器的認識和了解，尤其是對燃氣傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實用、廣泛和典型的原則而設計了本電路。本設計利用模擬電子技術結合傳感器技術而設計了這一燃氣泄露監(jiān)控系統(tǒng)。本設計以電阻式燃氣傳感器和模擬電子技術為核心并與其他電子技術相結合，設計出一種技術水平較好的燃氣泄露報警器。其中選用hq-2型氣敏燃氣傳感器實現(xiàn)燃氣濃度的檢測，具有靈敏度高、響應快、抗干擾能力強等優(yōu)點，而且價格低廉，使用壽命長。以模擬電子技術和hq-2型半導體電阻式燃氣濃度傳感器為核心設計的燃氣泄露報警器可實現(xiàn)聲光報警等

3、功能，是一種結構簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉的燃氣泄露報警器且具有一定的實用價值。關鍵詞 燃氣泄露報警器；555時基電路；傳感器第1章 緒 論1.1燃氣泄露報警器的發(fā)展及現(xiàn)狀 1.1.1 火災探測技術 火災作術為一種在時空上失去控制的燃燒所引發(fā)的災害，對人類生命財產(chǎn)和社 會安全構成了極大的威脅。由此引發(fā)的重大安全事故比皆是，所以人類一直也未停止過對它的研究。 火災的發(fā)生和發(fā)展是一個非常復雜的非平穩(wěn)過程，它除了自身的物理化學變化以外還會受到許多外界的千擾，火災一旦產(chǎn)生便以接觸式(物質流)和非接觸式能量流)的形式向外釋放能量。接觸式形式包括可燃氣體、燃燒氣體和煙霧、氣溶膠等。非接觸式如聲音、

4、輻射等?；馂奶綔y技術就是利用敏感元件將火災中出現(xiàn)的物理化學特征轉換為另外一種易于處理的物理量。 1.1.2 火災探測器的發(fā)展趨勢 探測器朝新探測技術的發(fā)展進一步拓展了火災探測的應用領域，為一些傳統(tǒng)探測器無法勝任的環(huán)境提供了有效的手段。相關技術的發(fā)展，如傅立葉近紅外光譜技術弱信號處理技術、低功耗mcu技術進一步促進了傳統(tǒng)探測技術的改進，使得傳統(tǒng)探測器在技術和性能上有了顯著的提高。火災著極早期探測、多傳感器復合探測和探測器小型化、智能化的方向發(fā)展邁出了更快的步伐。1.2 論文研究的目的及意義 目的：隨著現(xiàn)代家庭用火、用電量的增加，家庭火災發(fā)生的頻率越來越高。家庭火災一旦發(fā)生，很容易出現(xiàn)撲救不及時、

5、滅火器材缺乏及在場人驚慌失措、逃生遲緩等不利因素，最終導致重大生命財產(chǎn)損失。消防部門的統(tǒng)計顯示，在所有的火災比例中，家庭火災已經(jīng)占到了全國火災的30%左右。家庭起火的原因林林種種，可能在我們注意得到的地方，也可能就隱藏在我們根本就注意不到的地方。 在現(xiàn)代城市家庭里，許多人因不懂家庭安全常識引起火災事故，使好端端的幸福家庭眼間毀于一旦,有的導致家破人亡,而且一旦發(fā)生居民家庭火災,處置不當、報警遲緩,是造成人員傷亡的重要因素。所以說,人們應該積極了解家庭火災的主要起因，還有預防火災的發(fā)生。這就是我們研究燃氣泄露報警器的目的。 意義：隨著科技的發(fā)展，越來越多的巨大的隱患由于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而

6、產(chǎn)生。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災，防止和減少火災危害，保護人身和財產(chǎn)安全。防止火災引起燃燒、爆炸等事故，造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至危及生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對燃氣進行現(xiàn)場實時檢測，采用先進可靠的安全檢測儀表，嚴密監(jiān)測環(huán)境中燃氣的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。因此，研究燃氣泄露的檢測方法與研制燃氣泄露報警器就成為傳感器技術發(fā)展領域的一個重要課題。第2章 方案設計基于日常安全，結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，設計了一款報警器，它可以準確的檢測到燃氣，并且立刻報警，以免發(fā)生事故。根據(jù)電路所需要完成的功能和達到的效果，為此得到以下框圖：1

7、結構框圖圖2-1 結構框圖2各結構框圖的功能電源電路：將220v、50hz的交流電經(jīng)降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓變成電路所需5v和10v直流電壓。檢測電路：檢測電路是由氣敏傳感器hq-2構成，它利用氣體在金屬氧化物半導體表面的氧化和還原反應，及時檢測到可燃氣體。報警電路：當氣敏元件hq-2接觸到燃氣時，輸出電信號推動揚聲器b發(fā)出報警聲。第3章 單元電路的設計3.1 電源電路設計交流市電都是220v、50hz的交流電，這就需要電源電路將交流220v電壓變成直流電壓。電源電路由降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓構成，直流電源的組成框圖和原理圖如圖3-1、圖3-2所示。圖3-1直流電源的組成框圖圖3-2直流電源原理圖

8、3.1.1 變壓器變壓器的工作原理：變壓器利用電磁感應原理，從一個電路向另一個電路傳遞電能或傳輸信號的一種電器是電能傳遞或作為信號傳輸?shù)闹匾? 變壓器-靜止的電磁裝置。2 變壓器-可將一種電壓的交流電能變換為同頻率的另一種電壓的交流電能。3 變壓器-主要部件是一個鐵心和套在鐵心上的兩個繞組。圖3-3變壓器原理圖2-33.1.2 整流電路橋式整流電路的工作原理可分析如下，在u2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管vd1流向rl，再由二極管vd3流回變壓器，所以vd1、vd3正向導通，vd2、vd4反偏截止；在負載上產(chǎn)生一個極性為上正下負的輸出電壓，其電流通路可用圖3-4

9、（a）中虛線箭頭表示，在u2的負半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管vd2流向rl，再由二極管vd4流回變壓器，所以vd1、vd3反偏截止，vd2、vd4正向導通，電流流過rl時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負，與正半周時相同，其電流通路如圖3-4（b）中虛線箭頭所示。根據(jù)上述分析，可得橋式整流電路的工作波形如圖3-5所示，通過負載rl的電流il以及電壓ul波形都是單方向的全波脈動波形。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高。圖3-4 橋式整流電

10、路0v2t0vot0vt1、3tv2m0vt2、4tv2m圖3-5 二極管橋式整流電路波形3.1.3 電容濾波電路電容濾波電路簡單，輸出電壓平均值高，適用于負載電流較小且其變化也較小的場合。電容濾波電路，濾波電容容量大，因此一般采用電解電容，在接線時要注意電解電容的正、負極。電容濾波電路利用電容的充、放電作用，使輸出電壓趨于平滑。1濾波原理當u2為正半周ucu2時，二極管v1和v3管導通，v2和v4管截止，電流一路流經(jīng)負載電阻rl，另一路對電容c充電。當ucu2，導致v1和v3管反向偏置而截止，電容通過負載電阻rl放電，uc按指數(shù)規(guī)律緩慢下降。圖3-6 單相橋式整流電容濾波電路及穩(wěn)態(tài)時的波形分

11、析當u2為負半周幅值變化到恰好大于uc時，v2和v4因加正向電壓變?yōu)閷顟B(tài)，u2再次對c充電，uc上升到u2的峰值后又開始下降；下降到一定數(shù)值時v2和v4變?yōu)榻刂?，c對rl放電，uc按指數(shù)規(guī)律下降；放電到一定數(shù)值時v1和v3變?yōu)閷ǎ貜蜕鲜鲞^程。3.1.4 穩(wěn)壓電路三端穩(wěn)壓集成電路lm7805：最大輸出電流1a、輸出電壓5v。圖3-7 穩(wěn)壓器7805結構圖及引腳圖表1 lm7805集成電路的引腳功能及數(shù)據(jù)引腳功能電壓在路電阻（k）開路電阻（k）紅筆測量黑筆測量紅筆測量黑筆測量輸入8.6充電225輸出50.40.42.75.6地00000集成穩(wěn)壓器是指將不穩(wěn)定的直流電壓變?yōu)榉€(wěn)定的直流電壓的集

12、成電路。由于集成穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、體積小、重量輕等顯箸優(yōu)點，在各種電源電路中得到了普遍的應用。lm7805為三端正穩(wěn)壓器電路to-220f封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路、帶散熱片時，輸出電流可達1a。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。7805集成穩(wěn)壓器為三端器件：1腳為輸入端，2腳為接地端，3腳為輸出端，使用十分方便。3.2 檢測電路的設計3.2.1 燃氣傳感器的介紹目前，氣體傳感器的發(fā)展趨勢集中表現(xiàn)為：一是提高靈敏度和工作性能，降低功耗和成本，縮小尺寸，簡化電路，與應用整機相結合，這也是氣體傳

13、感器一直追求的目標。如美國firstalert公司推出了生物模擬型（光化反應型）低功耗co氣體傳感器等。二是增強可靠性，實現(xiàn)元件和應用電路集成化，多功能化，發(fā)展mems技術，發(fā)展現(xiàn)場適用的變送器和智能型傳感器。如美國generalmonitors公司在傳感器中嵌入微處理器，使氣體傳感器具有控制校準和監(jiān)視故障狀況功能，實現(xiàn)了智能化。氣體傳感器向低功耗、多功能、集成化方向發(fā)展，常見傳感器的種類：壓力傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、氣敏傳感器等，氣敏傳感器。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導體為基礎材料。按照半導體的物理性的不同，可分為電阻型和非電阻型。氣敏傳感器hq-2實物及結構圖如

14、圖3-8所示。 圖3-8 氣敏傳感器結構圖3.2.2 半導體氣體傳感器工作原理（hq-2）hq-2型氣敏元件是以金屬氧化物sno2為主體材料的n型半導體其名元件，當元件接觸還原性氣體時，其導電率隨氣體濃度的增加而迅速升高。通常器件工作在空氣中，由于氧化作用，空氣中的氧被半導體（n型半導體）材料的電子吸附負電荷，結果半導體材料的傳導電子減少，電阻增加，使器件處于高阻狀態(tài)。當氣敏元件與被測氣體接觸時，會與吸附的氧發(fā)生反應，將束縛的電子釋放出來，敏感膜表面電導增加，使元件電阻減小。3.2.3 半導體氣敏元件的特性參數(shù)及主要技術指標（1）氣敏元件的電阻值將電阻型氣敏元件在常溫下潔凈空氣中的電阻值，稱為

15、氣敏元件(電阻型)的固有電阻值，表示為ra，測定固有電阻值ra時，要求必須在潔凈空氣環(huán)境中進行。由于經(jīng)濟地理環(huán)境的差異，各地區(qū)空氣中含有的氣體成分差別較大，即使對于同一氣敏元件，在溫度相同的條件下，在不同地區(qū)進行測定，其固有電阻值也都將出現(xiàn)差別。（2）氣敏元件的靈敏度是表征氣敏元件對于被測氣體的敏感程度的指標。（3）氣敏元件的響應時間表示在工作溫度下，氣敏元件對被測氣體的響應速度。一般從氣敏元件與一定濃度的被測氣體接觸時開始計時，直到氣敏元件的阻值達到在此濃度下的穩(wěn)定電阻值的63時為止，所需時間稱為氣敏元件在此濃度下的被測氣體中的響應時間，通常用符號tr表示。3.3 報警電路的設計3.3.1

16、報警集成電路555的介紹555集成電路是作定時器，所以叫555時基電路。555可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)態(tài)、雙穩(wěn)態(tài)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、脈沖調(diào)制等。555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器基本r-s觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，如圖3-9所示。圖3-9 555集成電路內(nèi)部結構圖3.3.2 555時基電路的組成及管腳用途555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖3-10(a)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖3-10(b)所示。其中6腳稱閾值端(th)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(tr)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(vo)，它有0和1兩

17、種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(dis)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復位端(mr)，加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(vc)可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。圖3-10 555集成電路引腳圖及封裝圖3.3.3 555時基電路的工作原理我們也可以把555電路等效成一個帶放電開關的r-s觸發(fā)器，如圖3-11(a)所示，這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閾值端(th)可看成是置零端r，要求高電平，觸發(fā)端(tr)可看成是置位端s，要求低電平，有一個輸出端vo，vo可等效成觸發(fā)器的q端，放電端(dis)可看成是由內(nèi)

18、部放電開關控制的一個接點，由觸發(fā)器的q端控制：q=1時dis端接地，q=0時dis端懸空。另外還有復位端mr，控制電壓端vc，電源端vdd和地端gnd。圖3-11 555電路等效rs觸發(fā)器3.3.4 555時基電路的無穩(wěn)態(tài)工作模式無穩(wěn)態(tài)工作模式的基本電路如圖3-12所示。初次接通電源后，vcc通過r1、r2對c充電，uc上升。開始ucvcc，即高電平觸發(fā)端thvcc，低電平觸發(fā)端vcc，低電平觸發(fā)端vcc，定時器復位，q=0，=1，放電管飽和導通，c通過r2經(jīng)vt放電，uc下降。當ucvcc時，又回到高電平觸發(fā)端thvcc，低電平觸發(fā)端vcc，定時器又置位，q=1，=0，放電管截止，c停止放電

19、而重新充電。如此反復，形成振蕩波。 輸出高電平時間 輸出低電平時間 振蕩周期 圖3-12 多諧振蕩器電路及波形第4章 整機電路設計方案4.1 整機電路的工作原理圖4-1整機電路原理圖 如圖4-1所示為整機電路原理圖。該報警器由降壓整流與穩(wěn)壓電路、氣敏傳感元件和觸發(fā)報警電路等組成。電源部分將220v市電經(jīng)變壓器t降至9v，經(jīng)vd1vd4橋氏整流并經(jīng)c1濾波成直流，三端穩(wěn)壓器lm7805供給燈絲加熱電壓。檢測電路采用半導體氣敏元件hq-2型，其適用于空氣中有煤氣，液化石油氣等燃氣成分 的報警，其要求加熱電壓穩(wěn)定，故采用7805對燈絲電壓進行穩(wěn)壓，且要求開機預熱3分鐘。在在正常情況下，氣敏元件的a-

20、b極間呈高阻態(tài)，rp1輸出低電平（小于0.4v），555時基電路被強制復位，揚聲器b無聲。當空氣中有煤氣，液化石油等燃氣成分時，氣敏器件的導電率增加，rp1輸出電平增高，當燃氣濃度達到規(guī)定值（如1%）時，rp1輸出電平大于0.4v，時基電路強制復位被解除，揚聲器b輸出響亮的斷續(xù)報警聲。當用戶聞訊后就可立即關閉氣門，并采取開窗通風等必要的緊急措施。4.2 整機電路的主要技術指標氣敏傳感器需要10v、5v直流電壓，555時基電路需要5v電壓。若采用單相橋式整流電路，電源變壓器次級電壓u2，并選擇整流二極管。變壓器次級電壓：(v) （4-1）整流電壓：(v) （4-2）濾波電壓：(v) （4-3）振

21、蕩頻率：hz （4-4）第5章 仿真與調(diào)試為了電路安全和設計結果準確，對已設計的電路在ewb（multisim7綠色漢化版）仿真軟件中進行仿真，本電路由電源、檢測、報警電路三大部分組成，仿真原理圖如圖5-1所示。圖5-1 燃氣泄露報警器仿真原理圖 電源電路將提供10v、5v工作電壓，仿真原理圖如圖5-2所示，從仿真軟件中可以看出整流、濾波后的電壓約為10.3v波形如圖5-3所示符合要求。圖5-2 電源仿真原理圖圖5-3 整流濾波仿真波形圖報警部分由555基時電路構成，本電路采用的是無穩(wěn)態(tài)工作模式，從而實現(xiàn)報警，仿真原理圖如圖5-4所示，從仿真軟件中可以看出輸出波形如圖5-5所示符合要求。圖5-

22、4報警器仿真原理圖圖5-5 報警電路仿真波形圖總 結傳感器在科學技術領域、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及日常生活發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出越來越高的要求是傳感器技術發(fā)展的強大動力，而現(xiàn)代科學技術的突飛猛進則為其發(fā)展提供了堅強后盾。本次設計中在搜集資料的過程中，我去學校的圖書館，上網(wǎng)搜集等各種方式方法，盡量使我的資料完整、精確、數(shù)量多，通過這次設計我掌握了一些篩選資料的方法。有些知識不懂,于是，我與同學、朋友交流，加強學習，閱讀更多的相關書籍，并且對資料進一步收集與完善。經(jīng)過這些方法使我收獲不小。本次設計對我來說既有綜合性又有探索性。使我側重于某些理論知識的靈活運用，例如完成特定功能的煙霧報警器

23、的設計、調(diào)試等。這對于提高我的素質和科學實驗能力非常有益。最后，在遣詞造句上，雖然我對全文做了細致修改，但個別語句語序凌亂、語句僵硬、口語化的問題依然不可避免。書到用時方恨少，事非經(jīng)過不知難。在老師的指導下，我知道怎么設計電路。通過此次設計，我愈發(fā)感覺到自己知識的匱乏和視野的狹窄。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索。小小拙作，敬請各位老師雅正。再一次謝謝各位老師。參考文獻1 陳有卿報警集成電路和報警器制作實例北京：人民郵電出版社，20012 康萬新畢業(yè)設計指導及案例剖析北京：清華大學出版社，20073 楊幫文實用電子小制作精選北京：人民郵電出版社，20064 陳有卿555時基集成電路原理與應用北京：機械工業(yè)出版社，20065 陳有卿555時基電路原理、設計與應用北京：電子工業(yè)出版社，20076 王昊通用電子元器件的