可燃气体报警器电路设计.docx

1、可燃气体报警器电路设计可燃气体报警器电路设计可燃气体报警器电路设计摘要随着可燃性气体种类和应用范围的增加，其使用场所和贮气仓库内气体的泄漏、火灾爆炸事故日益增多，因此研制一种检测可燃性气体自动报警和自动打开排气装置的一种报警器是非常必要的。本次设计的可燃气体报警器电路，可以检测多种可燃性气体并对其进行报警，在本设计中选用了气敏传感器GS-A2，利用GS-A2检测可燃气体的浓度，当浓度达到报警临界值时进行声光报警。气体信号检测部分主要由传感器GS-A2和分压电阻构成，然后通过运算放大器构成的滞回比较电路和反向比例运算电路输出控制信号。由于气敏传感器GS-A2开始通电时会有一段时间阻值很小，为了防

2、止其发生误报警，检测电路需配合延时电路才能保证其准确性。控制信号通过报警电路实现声光报警及控制机外排风设备等联动装置，从而实现可燃气体报警器的电路设计。关键词：报警器；GS-A2；误报警；控制信号 目录引言1.1课题研究的意义、现状在很多工业领域，比如石油，采矿，冶金，化工等行业，都会用到或者产生可燃气体。近年来，随着燃气的变革，可燃气体已经成为了大多数城乡居民取暖和做饭的燃料。但由于各种各样的原因，如漏气，阀门故障，使用产品不当等原因造成的可燃气体泄露，室内可燃气体浓度上升，当浓度上升到一定程度会引起人中毒甚至死亡，如果遇到火花等，还可能引起爆炸，造成人身伤亡和财产损失。由于可燃气体的危害性

3、严重影响了人们的生活安全，因此怎样防止可燃气体中毒与爆炸至关重要。可燃性气体报警器在国外己经发展成为一种相当成熟的产品。日本是最早发明燃气报警器的国家，己有50多年的历史。无论在气体探测器的研制上，还是在报警器的性能上，均处于国际领先水平。日本政府和生产企业大力推广报警器的使用，使燃气泄漏和爆炸等事故的事故率远远低于欧美等发达国家。其中FIGARO、理研都是专门研制、生产可燃性气体报警控制器的厂家，他们生产的产品以采用最先进的气敏传感器、响应速度快、性能可靠、寿命长而著称。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

4、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，又进行研究与开发，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1。1.2课题研究的要求及内容可燃气体报警器行业迅速形成并发展，国内许多企业都进行关于可燃气体报警器的新产品的开发以及产品工艺的改进，但是由于新产品价格昂贵，稳定性方面也存在问题，生产工艺落后，这使得当前可燃气体报警器研制开发工作应将报警器的微型化、精密化、稳定化作为技术工作重点和目标2。本次设计选用半导体气敏传感器GS-A2（由于这种传感器具有长期的稳定性、较高的灵敏度、良好的抗干扰能力、较好的重复性）检测可燃气体，

5、与滞回比较电路和反向比例运算电路部分构成可燃气体检测电路。检测电路经过信号比较、放大处理等输出控制信号，将其安装在可能有可燃气体泄露的位置附近对可燃气体浓度进行监测控制。本次设计的另外一个重要部分是驱动报警电路，报警电路采用NE555芯片组成振荡电路，当检测电路输出的控制信号输入后，经过电路输出脉冲信号并驱动报警器工作发出声音报警；此外，三极管放大电路、LED发光二极管及电磁继电器组成的光报警联动电路，可以对检测电路发出的控制信号作出光报警动作，而且继电器作为联动开关可以外接排风装置能迅速采取动作，及时减少空气中可燃气体浓度等，从而减少中毒、火灾及爆炸等安全隐患，有效保障人们生命财产安全。2电

6、路设计2.1总体思路当空气中可燃气体浓度上升到一定值时，可燃气体检测电路发出控制信号，驱动声、光报警以及外部设备联动。当可燃气体浓度在设置的临界报警浓度附近徘徊时，会使报警器报警部分不停地开和关，继电器不停地吸合和断开，为了防止抖动现象，保证此设计的稳定性，电路中引入了滞回比较器，有效的减少了外部的干扰。当电路电源刚刚接通时，由于气敏传感器的初始电阻值很小，电路会发生误报警现象，为了防止此现象的发生，在电路中加入了延时电路以防止报警器的误报警动作。本电路整体上可以分为四部分：可燃气体检测电路、信号处理电路、报警电路及联动控制系统、5V稳压电源电路。电路的总体结构框图如图2-1所示。图2-1电路

7、总体结构图2.2可燃气体检测及信号处理电路设计本设计采用气体传感器GS-A2为气体浓度检测元件。当气体传感器GS-A2检测到可燃气体浓度变化时，其阻值发生变化，使电路输出检测信号3。为了抑制外界干扰和提高电压驱动能力在电路中引入滞回比较器和反相比例运算放大电路。由于开始给整个电路通电时，气体传感器GS-A2的电阻值比其正常工作时电阻值小很多，导致电阻R1分压较大，会使电路发生误报警。为了防止这一现象，就需要在电路中加一个延时电路来延迟初次报警时间。2.2.1气敏传感器GS-A2介绍气敏传感器GS-A2属于电阻型半导体气敏传感器。金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用，改变半导体的电阻率

8、，通过对电流变化的比较，来激发报警电路。半导体式传感器测量时对环境变化较为敏感，输出线性不稳定。金属氧化物半导体式传感器，因为其对燃气浓度反应十分灵敏，所以目前被广泛应用在测量可燃气体微漏的领域中。由于半导体与吸附分子间存在能量差，气体分子被吸附在半导体表面上，在半导体表面和吸附分子之间将发生电荷的重新排列。对于如TiO2 、SnO2等N型半导体，如果吸附的是具有还原性的甲烷气体，这时电子从甲烷向半导体表面转移，使半导体表面电子的密度增加，从而使半导体电阻率下降。通过阻值的变化在电路中实现分压或限流，从而在电路中实现对可燃气体的检测4。气敏传感器GS-A2在正常情况下具有一定阻值R，随着周围可

9、燃气体浓度增大而阻值逐渐变小。根据测量电路（图2-2）对其进行测试。由于GS-A2在主电路中作为阻值随气体浓度变化的变值电阻使用，它可以将周围可燃气体浓度信号转化成电信号配合后面的滞回电路和反向运算放大电路控制报警电路，从而发挥对可燃气体的报警功能。要设计此报警器电路首先要了解GS-A2的内部结构电路，如图2-2所示。煤气（H2）气敏传感器GS-A2技术指标如表2-1所示。表2-1 GS-A2 技术指标参数名称加热电压测量电压空气中的电阻响应时间恢复时间灵敏度符号VhVcRoTrestrec单位VVKSS倍参数值5+0.1510分档10305标注 标定气体为1000ppm氢气。Ro在50K10

10、00K间，可按用户要求分档供应。工作在温度：-10+45；湿度：95%RH的环境；检测范围：1005000PPM；标定气体：CO含量10% 人工煤气4005000PPM；CO含量20% 人工煤气4002500PPM；CO含量30% 人工煤气2501500PPM。2.2.2可燃气体检测及信号处理（1）可燃气体检测可燃气体检测电路主要完成对可燃气体浓度信号向电信号的转换，此电路主要由图2-3中传感器GS-A2和分压电阻R1构成气体信号检测部分， RP1与R2构成比较电压部分，通过调节RP1的阻值，可以设定报警电压，而报警电压对应着相应的气体浓度。采用气敏传感器GS-A2检测空气中的可燃气体浓度，当

11、可燃气体浓度变化时，气敏传感器GS-A2阻值发生变化，检测电路输出相应的控制信号。当气体传感器GS-A2检测到可燃气体后，自身电阻值变小，使与之串联的R1上所加载的电压上升，当R1电压大于比较器A1设定的基准电压时，A1输出信号，再经过反相比例电路输出检测信号5。图2-3 可燃气体检测及信号处理电路（2）信号处理为了防止抖动现象和提高驱动能力，在电路中引入滞回比较电路和反向比例运算电路来对检测信号进行处理，从而输出对报警电路的控制信号。考虑到实际应用环境，报警器周围的可燃气体浓度是不断变化的，气体浓度的变化会引起传感器电阻率发生相应变化，通过影响在电路中的分压来控制检测信号，当可燃气体浓度在设

12、置的气体临界报警浓度附近徘徊时，就会使报警器报警部分也处于临界报警状态而不停地开关，即整个报警电路的稳定性不能得到保证，这不仅不能起到预防报警作用，而且非常容易造成排风机等外部设备的损坏，因此需要加入防抖动电路。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而具有一定的抗干扰能力。所以将比较器A1连接一些元器件组成滞回比较电路。将控制信号的产生时间划分出一个短暂的响应区间，防止临界误报警。 滞回比较器所检测的信号就是R1上的负载电压，负载电压与设定电压经滞回比较器比较后输出。通过调节RP1的阻值，可以设定报警电压，而报警电压对应着某个气体浓度，可燃气体的浓度不同，R1上的负载电压也不同。如果我们设定某

13、浓度时报警，那么我们就设定滞回比较器的正相输入电压与该浓度时R1时的负载电压相同。当R1上电压低于设定电压时输出为高电平，当R1上电压高于设定电压时输出为低电平6。图2-3中由R1、R3、RP1、R4、R5以及两个稳压二极管组成的滞回比较器。其工作原理如下：从集成运放输出端的限幅电路可以看出u0=UZ（其中UZ是稳压管的稳定电压）。假设uIUT2，那么uN一定大于up，因而u0=-UZ，所以up=UT1。UT1、UT2分别是两次越变时的阈值电压，且知 （2-1） （2-2） 式中是参考电压，可以调节RP1大小来设定此参考电压值的大小当输入电压。由式（2-1）（2-2）可以看出:调节参考电压值大

14、小和稳压管稳定电压可以改变两次越变时的阈值电压。因为两个阈值电压UT1、UT2大小不同，就出现了一个滞回窗口，当输入电压值uI减小到UT1时，只要再减小一个无穷小量，输出电压u0就会从-UZ跃变为+UZ，可见，由于u0从+UZ跃变为-UZ和u0从-UZ跃变为+UZ的阈值电压是不同的，所以就出现了电压跳变和返回时的窗口滞回区间。电压传输特性如图2-4所示。图2-4 电压传输特性从上面电压传输特性曲线上可以看出，当UT1uI UT2，输出电压可能是UZ。如果uI是从小于UT1的值逐渐增大到UT1uIUT2，那么u0应为+UZ；如果uI是从大于UT2的值逐渐减小到UT1uI2/3Vcc1/3Vcc0

15、导通11/3Vcc不变不变1X1/3Vcc1截止多谐振荡电路接通电源前电容C上无电荷，所以在接通电源瞬间，电容还来不及充电，故Uc0V，比较器A1输出为1、A2输出为0，基本RS触发Q=1，3脚输出为高电平。接上电源多谐振荡器工作时有两个状态，暂稳态和暂稳态，在每个暂稳态后紧接着一次电压翻转，过程大致如下：(1)暂稳态：起始状态3脚输出高电平是电路的一种暂稳态,在此状态下,进行着一个电容C充电、Uc升高的渐变过程，充电回路是VccR6、R7C地，时间常数是（R6+R7）*C。当Uc电压升高到2Vcc/3时,比较器A1输出跳变为0,基本RS触发器立即翻转到零状态，3脚输出低电平。TD变为饱和导通

16、状态。(2)暂稳态：3脚输出低电平是电路的另一种暂稳态，此时D饱和导通。在这种状态下，同样有一个电容C放电的过程，放电回路是：CR2TD低。放电时间常数是R2* C。(忽略TD饱和导通电阻RCES)。当Uc放电下降到Vcc/3时，比较器A2输出跳变为0，基本RS触发器立即翻转到1状态。3脚输出高电平，TD变为截至状态，即暂稳态。在暂稳态，电容C5又充电、Uc再上升，接通电源之后电路就在这两个暂稳状态之间来回翻转，于是由555芯片构成的多谐振荡器的输出端就产生了矩形脉冲信号。电路的工作波形如图2-8所示。图2-8 555芯片输出端脉冲波5脚是控制电压端，加上控制电压可以改变参考电压，此次设计中将

17、这一引脚连接滤波电容后接地，增强电路的抗干扰能力。没有控制信号输入时，4脚处于低电平状态，振荡器处于停振状态，当控制信号使4脚置位，芯片开始震荡，驱动扬声器发出声报警。调节RP2大小，可以调节振荡器震荡频率，即可改变扬声器声音大小10。2.3.2光报警及联动电路光报警及联动电路顾名思义，包括光报警部分和联动控制部分，其中光报警部分功能由LED发光二极管实现，联动控制部分由电磁继电器实现。此电路的开关功能由8050三极管实现，控制信号通过控制三极管的导通和截止来控制LED亮灭和电磁继电器的吸合和断开。光报警及联动电路原理图如图2-9所示。图2-9 光报警及联动电路光报警及联动电路是由三极管805

18、0 驱动LED发光二极管和继电器HKF-11来实现的。电路中的继电器HKF-11可以用来控制机外的报警器或排风扇等联动装置。三极管8050在电路中作为开关使用，当三极管输入低电平时，三极管保持关断状态,此时发光二极管不发光，继电器无动作，当输入高电平，三极管饱和导通，发光二极管发光，继电器动作。起到光报警和联动控制功能。继电器通常被用于自动控制电路中，它具有可以实现用较小的电流去控制较大电流的功能。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器的种类繁多，如电磁式继电器、舌簧式继电器、限时继电器、启动继电器、直流继电器、交流继电器等。但电磁式继电器在电子电路中应用最为广泛。通常，电磁

19、式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。当继电器线圈上通上电流时产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈电流被切断后，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。通过衔铁的吸合返回达到控制电路中的导通、切断的目的。常用的继电器有直流和交流两种，当控制电流为直流时即为直流继电器，控制电流为交流，频率为50Hz或400Hz的为交流继电器。在本题中使用的是直流继电器，其额定工作电压是5V。电磁继电器作为开关可以在电路中控制多种用电器的通断，在此设计中作为联动

20、控制开关使用，控制外接联动设备。如图2-10所示。 图2-10 外接联动设备电路原理图外接联动电路中继电器可以用来控制排风机，也可以控制机外报警器等其他联动设备，及即可起到报警提示功能又可以控制联动设备迅速启动，消除火灾或爆炸隐患。2.4 5V稳压电源设计根据电路的总体设计方案确定电源类型为5V直流稳压电源，综合各种可用电源方案后选用变压器、整流桥和三端稳压器等构成所需直流电源，电路原理图见图2-11所示。图2-115V稳压电源电路图220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路VD1VD4和滤波电容的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805或LM7905的Vin和GND两

21、端形成一个并不十分稳定的直流电压(此电压通常会随着市电电压的波动或负载的变化等而发生波动)。此直流电压经过LM7805和LM7905的稳压和电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本设计将交流220V交流电压经过变压、整流、滤波、稳压等变成主电路需要的直流电。气体传感器GS-A2的测量电极需要一个稳定的+5V直流电源来加热，而稳压器LM7805可以满足其供电要求，所以选用LM7805来做为稳压电源。由于放大器LM324需要双电源供电，所以还需要一个LM7905稳压器来得到-5V电压。 利用变压器得到比较合适的交流电压即将220V交流电变成9V左右的交流电，以便为桥式

22、电路提供合适的电源。在提供+5V的电路中，整流电路是将变压器次级交流电压变成单相的直流电压，此设计采用单相桥式整流电路，四只整流二极管VD1VD4接成整流电桥的形式，故称为桥式整流电路。单相桥式整流电路的工作原理可分析如下：为简单起见，二极管采用理想化模型，即正向导通时电阻为零，反相截止时电阻为无穷大。在变压器次级交流电压的正半周，电路中电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二极管VD1流向负载，再由二极管VD3流回变压器，形成回路，所以VD1、VD3正向导通，VD2、VD4反偏截止。在负载上的输出电压为上正下负。在变压器次级交流电压的负半周，其极性与正半周时相反，此时电流从变压器副边线圈的

23、下端流出，经过二极管VD2流向负载，再由二极管VD4流回变压器，形成回路，所以VD1、VD3反偏截止，VD2、VD4正向导通。电流流过负载时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。综上所述，桥式整流电路利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性使两组二极管分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。整流电路采用单相桥式整流电路,单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在变压器副边的电压在整个周期内，负载上的电压和电流方向始终保持不变。在-5V的部分电路中工作原理与

24、之相同。滤波电路的作用是滤除脉动电压中的谐波分量，使其输出平滑的直流电压，它最基本的滤波元件是滤波电容，其滤波原理是：利用这些电容在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的特性，使输出电压变得相对比较平滑，起到一定滤波作用。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波又主要包括电感滤波、电容滤波和复式滤波三种形式。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。本次设计滤波电路采用电容滤波电路，在整流电路的输出端和三端稳压器分别并连电容即构成电容滤波电路。另外电容C5、C6可有效抑制来自电网的高频干扰，电容C7、C8作用也是抑制高频干扰，主要是清除三端稳压器LM7805和LM7905的自激

25、震荡，从而保证电源电路输出比较稳定的5V稳定直流电压11。3电路调试详细电路图见附录。按设计电路图搭建电路，然后进行电路调试，具体步骤如下：(1)接通电源，电压表测量LM7805的输入端应为+9V左右，输出端应为+5V左右。测量LM7905的输入端应为-9V左右，输出端应为-5V左右。(2)测量LM324的8脚即延时电路中放大器的输出端输出应为低电平，延时结束后，LM324的8脚应为高电平，通过使用不同阻值的R10或不同电容量的C12，可调整延时时间的长短。(3)调节RP1大小来设定报警电路的参考值，可用可调电阻替换气体传感器GS-A2来进行调节，开始将电阻值预调到最大，然后慢慢调小，当可调电

26、阻调到一定值时，如果发光二极管正常发光，说明电路没有问题。如果没有发光，仔细检查滞回比较环节和反相比例环节是否有问题。当R1电压低于参考值时，检查滞回比较环节输出是否为高电平，反相比例环节输出是否为低电平；当R1电压高于参考值时，检查滞回比较环节输出是否为低电平，反向比例环节输出是否为高电平。如果以上条件都满足时说明比较环节和反相比例环节没有问题。(4)检查三极管8050控制的部分，将1K电阻一端接5V电源，另一端接三极管基极，如果有光报警则说明三极管控制的报警部分也没有问题。(5)对555芯片的4脚和8脚加5V电源，如果扬声器发出声响则声报警部分没有问题。(6)报警气样标定方法：将电路调试完好的报警器通电预热10分钟，根据被测气体按体积比配制成所需浓度的标定气样，在通电状态下将预热后的报警器置于上述气样中。10秒钟后气体传感器充分感