一氧化碳探測報(bào)警傳感電路設(shè)計(jì)

一氧化碳探測報(bào)警傳感電路設(shè)計(jì)

論文關(guān)鍵詞：氣敏傳感器UL281單穩(wěn)延時(shí)電路穩(wěn)壓電路熱清洗蜂鳴報(bào)警

論文摘要：CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險(xiǎn)的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因?yàn)樵摎怏w易在不能充分燃燒的條件下產(chǎn)生。設(shè)計(jì)出能檢測到CO氣體并能報(bào)警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，電路的設(shè)計(jì)還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩(wěn)定性。

根據(jù)生產(chǎn)生活需要設(shè)計(jì)CO探測報(bào)警電路，選用對CO有極高靈敏度的氣敏傳感器UL281作為報(bào)警電路探頭，結(jié)合UL281結(jié)構(gòu)及其功能，設(shè)計(jì)與之功能特點(diǎn)相匹配的電路，這些電路由單穩(wěn)延時(shí)電路、穩(wěn)定電源供電電路、探測電路、電壓輸出電路、報(bào)警電路和元件損壞電路。

將電源接通經(jīng)過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2放大倍數(shù)近似于1。因此用電壓表測量H、L點(diǎn)之間的電壓很小，電路不報(bào)警，可調(diào)節(jié)電位器RP2，可改變IC3的負(fù)輸入電壓，電路最終完成之后，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RP2，使IC3的負(fù)輸入電壓為。將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內(nèi)，調(diào)節(jié)RP1，使IC2的輸出為。此時(shí)電壓比較器IC3正輸入大于負(fù)輸入，其輸出正飽和而使VT3導(dǎo)通報(bào)警。

第一章概述

第一節(jié)傳感器的概述及組成

一、引言

CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險(xiǎn)的，甚至威脅到生命安全。我國的CO報(bào)警控制系統(tǒng)經(jīng)歷了從無到有、從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，其智能化程度也越來越高，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。而在居民住宅區(qū)、機(jī)房、辦公室等小型單位場所，需要設(shè)置一種單一、廉價(jià)實(shí)用的CO探測報(bào)警裝置，基于此種現(xiàn)象，應(yīng)用所學(xué)的電路知識設(shè)計(jì)出一種簡單易于實(shí)現(xiàn)，低成本的CO報(bào)警電路，不僅對于所學(xué)知識是一次綜合復(fù)習(xí)的機(jī)會，而且更是練習(xí)如何應(yīng)用所學(xué)的書本知識解決實(shí)際生產(chǎn)生活問題的能力，這是相當(dāng)必要的。

二、傳感器概述

人們通常將能把被測量物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出的裝置稱為傳感器。傳感器也叫做變換器、換能器或探測器。傳感器輸出的信號有不同的形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器是測量裝置和控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。如果沒有傳感器對原始數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量，那么無論是信號或是信息處理，或者是最佳數(shù)據(jù)的顯示和控制，都將成為一句空話?？梢哉f，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動(dòng)檢測和控制系統(tǒng)。

三、傳感器組成框圖

傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成，有時(shí)也將信號調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。

敏感元件

傳感元件

信號調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路

輔助電源

傳感器組成方框圖

第二節(jié)氣敏傳感器概述

一、氣敏傳感器的檢測對象及檢測原理

此次設(shè)計(jì)的電路是一氧化碳探測報(bào)警器，由于一氧化碳是有毒氣體，因此檢測到一氧化碳并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能的電路設(shè)計(jì)就需要選用氣敏傳感器。

氣敏傳感器是一種把氣體中的有毒成分檢測出來，并將它轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)碾娦盘柕钠骷?，如果以人們的感覺器官在作比喻，那么氣敏傳感器相當(dāng)于人的鼻子。但是人的嗅覺在靈敏其感知對象也是多樣的。在我們周圍，實(shí)際上存在的各種各樣的氣體，它們中的大部分將會成為氣敏傳感器的檢測對象。氣敏傳感器的典型用途見于附表和。

首先被實(shí)際應(yīng)用的氣敏傳感器是用于防止可燃性氣體爆炸瓦斯泄露報(bào)警器。其后，隨著環(huán)境監(jiān)測等，又不斷地提出研制新型氣敏傳感器的任務(wù)。

氣敏傳感器是化學(xué)傳感器的一個(gè)重要組成部分。這里涉及到用于化學(xué)傳感器的化學(xué)物質(zhì)的檢測原理。為了將化學(xué)物質(zhì)檢測出來分類，也就是同物理傳感器一樣，可分為能量變換式和能量控制式。前者是以被測物質(zhì)所具有的化學(xué)能作為信號源，傳感器相當(dāng)于將化學(xué)能變換成電能的變換器。

所謂半導(dǎo)體氣體傳感器，是對利用半導(dǎo)體氣敏元件同氣體接觸，造成半導(dǎo)體性質(zhì)變化，借此來檢測氣體成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。

半導(dǎo)體氣敏傳感器大體上分為電阻式和非電阻式兩種，電阻式半導(dǎo)體氣體傳感器利用氧化錫、氧化鋅等金屬材料來制作敏感元件；利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。氣敏元件，有多孔質(zhì)燒結(jié)體、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等幾種非電阻式半導(dǎo)體傳感器。根據(jù)氣體的吸附和反應(yīng)，利用半導(dǎo)體的功函數(shù)，對氣體進(jìn)行直接的檢測。目前，正在積極開發(fā)的有金屬/半導(dǎo)體結(jié)型二極管和金屬柵的MOS場效應(yīng)晶體管的敏感元件，主要利用它們與氣體接觸后整流特性以及晶體管作用的變化，制成對表面單位有直接測定的傳感器。

二、“電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器”概述

半導(dǎo)體元件的電阻，由于與氣體接觸而發(fā)生變化，將利用這種現(xiàn)象的傳感器，稱之為電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器。這類氣敏傳感器元件的構(gòu)造簡單，也不需要專門的放大電路來放大信號。由于這些特點(diǎn)，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的種類有：在絕緣基片上用蒸鍍或是濺射法制成的薄膜元件；把氧化物半導(dǎo)體粉末調(diào)制成的漿料印刷到基性的燒結(jié)型元件。傳感器元件通常在加熱條件下才能動(dòng)作，因此必須有加熱裝置。把氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在一塊硅片上，從而制成集成開關(guān)電路動(dòng)作，蜂鳴器和燈泡開始接通。半導(dǎo)體元件，大多在通電初期，阻值暫時(shí)變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時(shí)，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨著溫度的上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈現(xiàn)出一種過渡的現(xiàn)象。為防止這種誤報(bào)警，通常在通電初期增設(shè)防止誤報(bào)警電路。為防止突發(fā)性噪聲，機(jī)內(nèi)應(yīng)裝入延遲電路。

B1——開關(guān)電路

B2——防止通電初期誤報(bào)警電路

B3——信號發(fā)生電路

B4——電源指示燈

B5——蜂鳴器電路

半導(dǎo)體的氣敏特性如圖，元件的電阻R與空氣中所含有的被測氣體濃度C之間的關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般用對數(shù)表示的如下公式是成立的：㏒R=m㏒C+n

m、n是由傳感器元件，測量氣體的種類，測量溫度等因素決定的常數(shù)。m表示相對氣體濃度變化的敏感程度，m越大，敏感程度越大，但對通常的可燃性氣體的檢測，一般取為1/2~1/3，設(shè)Ra為普通氣體濃度為零時(shí)的電阻，則氣體靈敏度可由Ra/R來表示，它是氣濃度C的函數(shù)為便于氣體檢測，用C為定值時(shí)的相對靈敏度作比較。從圖知道，相對靈敏度隨氣體而不同，雖然還隨著傳感器的種類、添加劑、測量溫度的不同而有很大差異，但是一般越容易燃燒的氣體，其含碳量越大，它的相對靈敏度也就高。這是因?yàn)樵谠系臍怏w的燃燒，在本質(zhì)上與氣體的響應(yīng)特性有關(guān)。

第二章一氧化碳探測報(bào)警傳感電路設(shè)計(jì)

第一節(jié)CO探測報(bào)警電路設(shè)計(jì)的要求

CO是人們?nèi)粘Ｉ钌a(chǎn)中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人處在CO氣體之中是十分危險(xiǎn)的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因?yàn)樵摎怏w易在不能充分燃燒的條件下產(chǎn)生。設(shè)計(jì)出能檢測到CO氣體并能報(bào)警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎(chǔ)上，電路的設(shè)計(jì)還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩(wěn)定性。

第二節(jié)電路設(shè)計(jì)所需的主要元器件的選用

一、UL281的選用

基于實(shí)際的需要，針對一氧化碳要選用對于一氧化碳?xì)怏w具有較高的靈敏度的氣敏元件，通過查閱資料選出UL281作為探頭。

一氧化碳檢測保護(hù)儀，其特征在于采樣傳感器為UL281半導(dǎo)體探頭，作為采樣傳感器，并配置探頭預(yù)熱工作轉(zhuǎn)換電路，解決了傳感器在不同條件下其特征變化大的問題，并保證了探頭工作在最佳狀態(tài)。其探測極端接9伏直流電源，端輸出接放大電路，其燈絲極端之間接有探頭預(yù)熱工作轉(zhuǎn)換電路。

表UL281參數(shù)

項(xiàng)目

測量范圍

靈敏度

加熱電壓

加熱電流

測量電壓

工作溫度

相對濕度

響應(yīng)時(shí)間

單位

10-6

R0/RX

V

mA

V

°C

%RH

S

型號UL281

0~300

大于5

5±

160~180

15±

-10~50

不大于95

60

注：R0為在空氣中的阻值，RX為在2*10-4酒精濃度時(shí)的阻值

它的靈敏度曲線如圖所示，其響應(yīng)曲線如圖所示。

二、555單穩(wěn)延時(shí)電路的選用

由于在工藝上氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在同一塊硅片上，從而制成集成化元件。當(dāng)元件檢測到氣體時(shí)，電阻降低。半導(dǎo)體元件，大多數(shù)在通電初期，阻值暫時(shí)變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時(shí)，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產(chǎn)生一種過渡現(xiàn)象。這樣對于電路會產(chǎn)生誤報(bào)警，為了防止誤報(bào)警現(xiàn)象的產(chǎn)生，在電路內(nèi)部需要裝入延遲電路。因此在此次CO探測報(bào)警電路的設(shè)計(jì)中，采用555時(shí)基集成電路組成單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路。

在實(shí)際應(yīng)用中，555除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個(gè)單穩(wěn)、多個(gè)雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。本設(shè)計(jì)中所需要的是單穩(wěn)電路，其電路及參數(shù)

單穩(wěn)類電路

單穩(wěn)工作方式，它可分為3種。見圖示。

第1種是人工啟動(dòng)單穩(wěn)，又因?yàn)槎〞r(shí)電阻定時(shí)電容位置不同而分為2個(gè)不同的單元，并分別以和為代號。他們的輸入端的形式，也就是電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：“”和“”。

第2種是脈沖啟動(dòng)型單穩(wěn)，也可以分為2個(gè)不同的單元。他們的輸入特點(diǎn)都是“”，都是從2端輸入。電路的2端不帶任何元件，具有最簡單的形式；電路則帶有一個(gè)RC微分電路。

第3種是壓控振蕩器。單穩(wěn)型壓控振蕩器電路有很多，都比較復(fù)雜。為簡單起見，我們只把它分為2個(gè)不同單元。不帶任何輔助器件的電路為；使用晶體管、運(yùn)放放大器等輔助器件的電路為。圖中列出了2個(gè)常用電路。

根據(jù)電路的需要，采用所示的脈沖啟動(dòng)單穩(wěn)，其具有最簡單的形式又能實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。

三、電路中三極管的選用2SC2001和2SC945結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本電路設(shè)計(jì)采用了三極管2SC2001其結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下

參數(shù)說明

Description

Transistor.Generalpurposeapplicationshightotalpowerdisipation

Pol

NPN

Ic(max)

Pc(max)

Vceo(max)

25V

hfe(min.-max.)

90~400

Pins/Package

3P/TO-92

Application

LFA

2SC945結(jié)構(gòu)及參數(shù)

NPN三極管

作為低噪聲前置放大，應(yīng)用于:彩電、收錄機(jī)、遙控玩具等電子產(chǎn)品。

1、發(fā)射極E2、集電極C3、基極B

極限值

參數(shù)符號標(biāo)稱值單位

集電極、基極擊穿電壓

VCBO

60V

集電極、發(fā)射極擊穿電壓

VCEO

40V

發(fā)射極、基極擊穿電壓

VEBO

6V

集電極電流

IC

200mA

集電極功率

PC

625mW

結(jié)溫

TJ

150℃

貯存溫

TSTG

-55-150℃

四、LM324的選用

電路設(shè)計(jì)中所采用的運(yùn)算放大器IC1~IC4在制作時(shí)用一塊集成運(yùn)算放大器LM324即可實(shí)現(xiàn)其功能。其內(nèi)部具有四個(gè)相同的運(yùn)放，其結(jié)構(gòu)及主要功能參數(shù)

LM324MX結(jié)構(gòu)圖及主要參數(shù)

參數(shù)說明

Description

LowPowerQuadOperationalAmplifiers

Pins/Package

14P/DIP

第三節(jié)電路整體設(shè)計(jì)框圖及整體電路圖

一、電路設(shè)計(jì)框

單穩(wěn)延時(shí)電路

穩(wěn)定電源供電電路

↓

探測電路

↓

電壓輸出電路

元件損壞指示電路

二、整體設(shè)計(jì)電路

第四節(jié)電路分析

一、單穩(wěn)延時(shí)電路的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)單穩(wěn)延時(shí)電路的原因是因?yàn)楫?dāng)元件檢測到氣體時(shí)，電阻降低。半導(dǎo)體元件，大多數(shù)在通電初期，阻值暫時(shí)變高而產(chǎn)生高輸出。這是由于在沒有通電時(shí)，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產(chǎn)生一種過渡現(xiàn)象。這樣對于電路會產(chǎn)生誤報(bào)警，為了防止誤報(bào)警現(xiàn)象的產(chǎn)生，在電路內(nèi)部需要裝入延遲電路。

采用555時(shí)基集成電路，它組成單穩(wěn)態(tài)延時(shí)電路，接通電源后大約經(jīng)過165s，555的輸出端3腳輸出高電平，使VT2、VT5導(dǎo)通。LED3與R24組成電源顯示電路，當(dāng)電路工作時(shí)，發(fā)光二極管LED3發(fā)出綠光，顯示電路電源供電正常。

二、穩(wěn)壓電路

設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路的原因是因?yàn)閁L281工作時(shí)需要對其加熱絲進(jìn)行加熱，其加熱電源要求穩(wěn)定，故采用穩(wěn)壓電路對其供電。

穩(wěn)壓電路由IC1，VT1和R1-R4組成。IC1同相輸入端上的電壓為U+=15/=，IC1為一同相放大器，輸出電壓約為6V左右。因此，晶體管VT1導(dǎo)通，加在傳感器加熱絲與地之間的電壓約為11V。，如果空氣是清新的，通過氣敏元件的電流仍很小。

三、加熱電路

由于UL281工作時(shí)需對其加熱絲進(jìn)行加熱，所以設(shè)計(jì)由VT2組成初始加熱清洗電路，VT2導(dǎo)通后，將R6、R7短路，A點(diǎn)流經(jīng)傳感器加熱絲的電流增大，對其附表面進(jìn)行加熱清洗，VT5組成初始清洗指示電路，VT5導(dǎo)通后，LED2發(fā)光。

如圖3

四、電壓放大電路、報(bào)警電路

IC2組成電壓放大器，其正輸入端輸入基準(zhǔn)電壓6V，當(dāng)空氣清潔時(shí)，氣敏元件的電阻很大，IC2的放大倍數(shù)接近1，當(dāng)一氧化碳濃度增加時(shí)，氣敏元件阻值下降，IC2的放大倍數(shù)增加，輸出電壓亦增加，調(diào)整電位器RP1可改變放大倍數(shù)。

IC3為電壓比較器，它和晶體管VT3組成報(bào)警電路，調(diào)節(jié)RP2可調(diào)節(jié)報(bào)警濃度設(shè)定值，當(dāng)CO濃度超過設(shè)定值時(shí)，IC3輸出高電平，VT3導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警。

五、元件損壞指示電路

傳感器氣敏元件損壞時(shí)，會對探測電路的測量結(jié)果造成嚴(yán)重的影響，因此有必要設(shè)置一種指示氣敏元件是否正常工作的指示電路，如下圖所示。IC4、VT4、組成氣敏元件損壞指示電路，IC4接成比較器，其輸入端的電位約為。氣體元件正常工作時(shí)，R6、R7的壓降大于，IC4輸出為負(fù)，VT4截止，LED1不亮，當(dāng)傳感器加熱絲被燒斷時(shí)，R6、R7懸空，其壓降為0，IC4輸出為高電平，VT4導(dǎo)通，LED1亮，紅燈顯示元件已損壞。

六、電路調(diào)試

將電源接通經(jīng)過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2放大倍數(shù)近似于1。因此用電壓表測量H點(diǎn)、L點(diǎn)之間的電壓應(yīng)很小，否則電路或傳感器接線有故障。

調(diào)節(jié)電位器RP2，使IC3的負(fù)輸入端的電壓為

將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內(nèi)，調(diào)節(jié)RP1，使IC2的輸出為。此時(shí)電壓比較器IC3正輸入大于負(fù)輸入，其輸出正飽和而使VT3導(dǎo)通報(bào)警。

第三章電路設(shè)計(jì)總結(jié)

一、優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

通過實(shí)際生活的需要而設(shè)計(jì)的CO檢測報(bào)警電路，此電路設(shè)計(jì)體現(xiàn)了該電路具有的優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)

第一、首先針對需要被檢測的有毒氣體CO，選用什么樣的氣敏元件至關(guān)重要。要選擇對一氧化碳有極高的靈敏度，這樣才能使檢測更準(zhǔn)確，對一氧化碳有無以及濃度大小作出靈敏判斷，并且要求濕度、溫度穩(wěn)定性好，以適應(yīng)生產(chǎn)生活環(huán)境中濕度和溫度的變化。通過查閱資料找到針對一氧化碳CO靈敏度極高的是氣敏元件UL281。這樣關(guān)鍵器件的選用問題解決了。

第二、選出的UL281對CO具有極高的靈敏度，但它不是孤立存在的，還要設(shè)計(jì)出與其相匹配的電路及探測報(bào)警電路。根據(jù)UL281的結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)設(shè)計(jì)電路，既保證了UL281要求電源供電穩(wěn)定，又保證了UL281的加熱絲加熱的要求。此電路還可通過滑動(dòng)變