家庭燃氣處理一體化裝置

1、沈 陽 航 空 航 天 大 學Shenyang Aerospace University安全科技創(chuàng)新大賽-家庭燃氣一體化處理裝置機電工程學院 吳家輝創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院韋純浩彭龍雨指導教師：曲娜家庭燃氣一體化處理裝置設計說明書作品內(nèi)容簡介通過實驗設計了一套家庭煤氣報警裝置，鑒于現(xiàn)有的煤氣報警裝置的缺點，并予以改進。目前,家用煤氣報警器的功能十分有限，大多數(shù)產(chǎn)品僅有報警作用，只有少量產(chǎn)品兼有排氣功能且能自動關閉閥門的煤氣報警控制器?；诖巳秉c，我們發(fā)明了在煤氣泄漏時，不僅能鳴聲報警，打開排氣扇，而且還能自動關閉煤氣閥門，切斷氣源，并且之后可以向戶主發(fā)送提示短信的家庭燃氣泄露一體化處理裝置。旨在能夠更好更

2、方便地處理一些危險狀況，以有效地防止事故的發(fā)生。家庭燃氣泄露一體化處理裝置的驅(qū)動電路由三極管開關電路組成，控制信號使三極管飽和導通，接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報警聲；排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動電路由繼電器組成，控制信號使繼電器線圈通電而吸合，其常開接點閉合，使相關電動機通電而被驅(qū)動。手控排氣開關可實現(xiàn)報警控制與日常用炊兼容，日常炊事可自由開閉排氣扇，對報警系統(tǒng)無影響。閥門開閉裝置也設手控開關，必要時(如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時或故障處理后復原時)可手控關閉或開啟表前閥。GSM報警模塊將報警信息以短信的方式發(fā)送到戶主的手機上。1研制背景及意義目前,煤仍然是我國廣大城鄉(xiāng)的主要燃料。煤在燃燒過程

3、中除提供熱量外還向空氣中釋放出多種有害氣體,其中煤氣對人的危害非常大,特別是在冬春兩季燃煤取暖時更是容易發(fā)生煤氣中毒。據(jù)有關醫(yī)院的調(diào)查,每年都有很多人因煤氣中毒喪失性命,或留下后遺癥而喪失勞動力,給社會和個人都造成了非常大的危害。為能及時準確地檢測環(huán)境中的煤氣并給予迅速報替,進行及時地通風換氣或者離開污染現(xiàn)場,過去曾有不少人對之進行研究,但是,或者由于性能不完善,或者因為成本過高,或者因為特性不良,一直未見適用于推廣的產(chǎn)品.煤氣報警控制器在國外已成為一種相當成熟的產(chǎn)品，歷史上最早發(fā)明煤氣報警器的國家是日本，現(xiàn)有50多年的歷史。我國最早在70年代初期開始對于濕敏、溫度、紅外等各類傳感器研究，并取

4、得了很大的成就，對煤氣報警器及其相應的氣敏傳感器的研究近十年才開始。目前我國煤氣泄漏報警器的型號多樣、品種較齊全，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。近年來，在氣體選擇和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進步。但是主要是基于引進國外的先進的傳感技術和生產(chǎn)工藝基礎上，進行研究與開發(fā)的，無法形成自己的特色?；诖?，我們發(fā)明了在煤氣泄漏時，不僅能鳴聲報警，打開排氣扇，而且還能自動關閉煤氣閥門，切斷氣源，并且之后可以向戶主發(fā)送提示短信，必要時還會實現(xiàn)報警已為救援提供寶貴的救援時間，以減少危害的發(fā)生的家庭燃氣泄露一體化處理裝置。旨在能夠更好更方便地處理一些危險狀況，以有效地防止事故的發(fā)生。2設計方案2.1 方案簡介家庭燃氣泄露一體

5、化處理裝置的驅(qū)動電路由三極管開關電路組成，控制信號使三極管飽和導通，接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報警聲；排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動電路由繼電器組成，控制信號使繼電器線圈通電而吸合，其常開接點閉合，使相關電動機通電而被驅(qū)動。手控排氣開關可實現(xiàn)報警控制與日常用炊兼容，日常炊事可自由開閉排氣扇，對報警系統(tǒng)無影響。閥門開閉裝置也設手控開關，必要時(如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時或故障處理后復原時)可手控關閉或開啟表前閥。GSM報警模塊將報警信息以短信的方式發(fā)送到戶主的手機上。甚至向外界報警求助，以減少危害。開啟手動閥門報警器工作時CO含量降低時，停止單片機日常用炊時關閉報警器聲報警CO含量過高時單片機工

6、作一氧化碳檢測裝置工作光報警長時間無人響應GSM啟動圖（一）方案簡介圖示2.2 新型全功能煤氣報替儀的電路該報警控制器電路由檢測部分、輸出控制部分、手動操作部分、電源電路、自動發(fā)送短信裝置主控制芯片六部分組成.氣敏傳感器是一種用金屬氧化物半導體材料制成的“ 氣一電” 轉(zhuǎn)換器件. 工作中, 當有煤氣泄漏時, 其表面會立即發(fā)生化學吸附而使本身電阻下降, 從而輸出電壓, 產(chǎn)生“氣電” 信號, 完成煤氣泄漏的檢測. 氣敏傳感器的加熱器(簡稱熱絲)容易燒斷, 但難于發(fā)現(xiàn), 這是煤氣報警器壽命短或不報警等故障的主要原因之一. 傳感器自檢與損壞報警電路可自動檢測傳感器的工作狀態(tài), 當熱絲燒斷時發(fā)出光報警(黃

7、色 LED2 點亮), 提示用戶及時更換.控制電路由施密特觸發(fā)器 SM 1、SM 2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 DW1 和準雙穩(wěn)態(tài)電路 SW(第一次觸發(fā), 變成另一種狀態(tài), 再次觸發(fā), 狀態(tài)不變)組成,按圖連接能獲得多級延時和多個獨立的控制輸出信號, 可先后控制聲報警, 排氣扇啟動, 閥門開閉裝置啟動和光報警等.延時的目的是為了減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響, 防止某些干擾引起誤報警, 防止在短時或可控的煤氣泄漏(如煤氣灶點火時可能產(chǎn)生的瞬間煤氣泄漏) 時頻繁地切斷氣源.驅(qū)動電路設計成三種類型: ( 1)光報警( 紅色LED3)由控制器輸出的控制信號直接驅(qū)動. ( 2)聲報警的驅(qū)動電路由三極管開關電路組成, 控

8、制信號使三極管飽和導通, 接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報警聲; ( 3)排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動電路由繼電器組成, 控制信號使繼電器線圈通電而吸合, 其常開接點閉合, 使相關電動機通電被驅(qū)動. 手控排氣開關( S1)可實現(xiàn)報警控制與日常用炊兼容, 日常炊事可自由開閉排氣扇, 對報警系統(tǒng)無影響. 閥門開閉裝置也設手控開關( S2), 必要時( 如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時或故障處理后復原時) 可手控關閉或開啟表前閥?？傮w上可以分為六個部分：（1） 煤氣泄漏檢測部分 煤氣泄漏檢測部分由傳感器測量電路、傳感器自檢電路、NE555延時電路和等級比較電路組成。氣體傳感器負責煤氣濃度信號采集，將煤氣濃度

9、信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳感器自檢電路檢測傳感器是否損壞，等級比較電路起到電壓信號的比較和開關作用，檢測煤氣泄漏濃度是否超過設定的報警值。 （2） 輸出控制部分 輸出控制電路由聲報警電路和驅(qū)動電路組成，驅(qū)動電路包括排氣扇驅(qū)動電路和煤氣電磁閥門驅(qū)動電路。輸出控制電路主要用于對煤氣泄漏的處理，用聲音報警方式通知戶主家中煤氣泄漏。 （3） 手動操控部分為了在日常用炊時不會開啟此電路，以造成不便，特意設置手動操控部分。日常用炊時，只要將手動操控部分拉起，此裝置就不在工作，此時最好在用炊時打開窗話，以排出有害氣體。（4） 電話自動發(fā)送短信與向外報警由 STC89C51單片機進行控制。模擬摘掛機電路控制電話的

10、摘掛機；信號音檢測電路將交換機傳來的信號音傳遞給單片機進行分辨；發(fā)號電路主要功能是發(fā)送撥碼信息，控制交換機完成對指定用戶的自動接續(xù)；語音控制與錄放電路用來錄制預播放的語音，接通電話后，將預先錄好的語音信息進行播放。 （5） 主控制芯片 主控制芯片采用51單片機開發(fā)板，（6） 電源部分 在各種電子設備中，電源是不可缺少的組成部分。本設計采用單相交流電經(jīng)過電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓，供給硬件設備施密特觸發(fā)器（一）SM1施密特觸發(fā)器（二）SM2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器DW準雙穩(wěn)態(tài)電路SW氣敏傳感器與檢測電路氣敏傳感器自檢與損壞報警電路電源電路檢測電路控制電路 驅(qū)動電路聲報警電路延

11、時 手動開閉排氣扇啟動GSM排氣扇驅(qū)動電路VVVVVV 延時閥門開閉裝置驅(qū)動電路閥門開閉裝M2 手動開閉氣源光報警電路 手動解除光報警圖（二）工作原理簡圖2.3 主要元器件功能簡介（1） 氣敏傳感器圖（三）氣敏傳感器氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的一氧化碳(CO)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。即可激活傳感器，完成接下來的一系列操作。（2） 放大電路：采用單管放大電路套件分壓式偏置電路三極管放大CO檢測裝置放大電路（amplificationcircuit

12、）能夠?qū)⒁粋€微弱的交流小信號（疊加在直流工作點上），通過一個裝置（核心為三極管、場效應管），得到一個波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。實際的放大電路通常是由信號源、晶體三極管構成的放大器及負載組成。（3） A/D轉(zhuǎn)換器：采用51單片機的配套轉(zhuǎn)換線，能將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個輸入電壓信號轉(zhuǎn)換為一個輸出的數(shù)字信號。圖（四）A/D轉(zhuǎn)換器（4）單片機：51單片機開發(fā)板51/AVR單片機最小系統(tǒng)板51單片機學習板51單片機開發(fā)板也稱51單片機實驗板、51單片機學習板。是用于學習51型號的單片機的實驗及學習器件，他是將51單片機常用的外圍。比如流水燈

13、，數(shù)碼管，矩陣鍵盤，EEPROM，時鐘，蜂鳴器，繼電器及集成在一小塊電路板上。便于攜帶及學習，直接插在PC機上面。隨時隨地的進行學習，另外一些中小型項目也可以直接在此板上面進行二次開發(fā)，開發(fā)完成后即可以在此基礎上面重新畫圖做板，極大的縮短了公司的開發(fā)周期，節(jié)省硬件成本。單片機在本次作品中的作用也很大，當一氧化碳處于一定濃度時，一氧化碳檢測裝置開始工作，之后單片機就相當于整個電路中的“總司令”，協(xié)調(diào)作品中的其余元件。（5）報警燈：采用LED燈，LED燈的優(yōu)點也有很多一、體積小LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。4二、電壓低LED耗電相當?shù)?，一般來說LED的

14、工作電壓是2-3.6V。只需要極微弱電流即可正常發(fā)光。三、使用壽命長圖（五）LED燈在恰當?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達10萬小時。四、高亮度、低熱量LED使用冷發(fā)光技術，發(fā)熱量比同等功率普通照明燈具低很多。五、環(huán)保LED是由無毒的材料構成，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用。（6）蜂鳴器：采用實驗室用的蜂鳴器元件蜂鳴器作品中的蜂鳴器,主要是為了當室內(nèi)的一氧化碳的濃度達到某一個預定值的時候,系統(tǒng)能夠發(fā)出報警的聲音,以便室內(nèi)的主任能夠根據(jù)警報作出快速的反映,比如打開門或者是窗戶甚至是逃離房間等等。蜂鳴器的電路也不復雜,如圖所示圖（六）蜂鳴器電路（7）排氣扇：根據(jù)房間的大

15、小，應采取不同型號的排氣扇。（8）電磁繼電器及其導線：采用一般實驗室用的小型電磁繼電器和導線，電磁繼電器是利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關.(1)結構：電磁繼電器的主要部件是電磁鐵A、銜鐵B、彈簧C和動觸點D、靜觸點E.(如圖所示)(2)工作電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路兩部分，低壓控制電路包括電磁繼電器線圈(電磁鐵A)，低壓電源E1，開關S;高壓工作電路包括高壓電源E2，電動機M，電磁繼電器的觸點D、E部分.(3)工作原理閉合低壓控制電路中的開關S，電流通過電磁鐵A的線圈產(chǎn)生磁場，從而對銜鐵B產(chǎn)生引力，使動、靜觸點D與E接觸，工作電路閉合，電動機工作;當斷開低壓開關S時，線圈中的電流消

16、失，銜鐵B在彈簧C的作用下，使動、靜觸點D、E脫開，工作電路斷開，電動機停止工作。電磁繼電器在本實驗中主要作用是用來在一氧化碳濃度過高時作為閉合的開關，在處理完畢一氧化碳濃度降至無害范圍內(nèi)時作為斷開的電源，一切原件除了一氧化碳檢測裝置都停止工作。圖（七）電磁繼電器工作原理（9）導線：用于連接220V電壓排氣扇正常工作的導線和各種繼電器元件所需的導線（10）二極管：采用一般的電路二極管（11）施密特觸發(fā)器利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。3工作

17、原理及性能分析由于一般的可燃性氣體主要構成氣體成份都是CO，故系統(tǒng)中的氣敏傳感器就起到了檢測作用，就相當于整個電路中的開關。當燃氣泄漏后，檢測空氣中可燃氣體濃度超過報警值時，單片機工作，同時單片機帶動聲光報警及風扇啟動，若聲光報警長期無人處理，則GSM插件開始工作，向戶主發(fā)送短信，并向外求助。，待一氧化碳濃度重新回到安全值時，氣敏傳感器反饋給單片機。單片機停止工作，聲光報警解除，風扇停止。故該系統(tǒng)功能如下：1）檢測空氣中的一氧化碳濃度；2）一氧化碳濃度超標時，單片機工作，聲光報警，風扇啟動；3）聲光報警長期無人處理，GSM工作，向戶主發(fā)送短信，并向外求助；4）一氧化碳值重新回復安全值，除氣敏傳感器，其余停止工作。其工作原理是由氣敏傳感器檢測出其濃度達到危險值時自動報警，并讓其信號傳遞給蜂鳴報警器和報警燈自動報警，同時風扇啟動，排出一氧化碳氣體。長時間無人處理報警裝置，GSM插件啟動，向戶主發(fā)送短信，并向外界求助。待一氧化碳達到安全值，警報解除，風扇停止工作。 4創(chuàng)新點及應用1）本產(chǎn)品能在一氧化碳濃度過高時實現(xiàn)