煤气泄漏报警器系统设计正文.docx

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煤气泄漏报警器系统设计正文

中州大学工程技术学院

毕业论文

（电工教研室）

题目：

家庭煤气泄漏报警器设计

专业班级：

09电气2班

设计人：

……….

学号：

……………

指导教师：

………

设计时间：

2012年4月10日

内容摘要4

第一章概述6

1.1课题研究背景、目的6

1.2方案构想7

第二章总体方案设计8

2.1方案一8

2.2方案二9

2.3方案三10

2.4方案比较11

2.5方案选择12

第三章单元电路设计13

3.1电源电路13

3.2气敏探测电路13

3.3电子开关电路14

3.4报警电路15

3.5开放式空气负离子发生器16

3.6单元模块的联接17

第四章系统的调试18

4.1电源电路的调试19

4.2气敏探测电路的调试19

4.3电子开关电路的调试19

4.4报警电路的调试20

4.5开放式空气负离子发生器的调试20

4.6煤气泄漏报警电路的整体调试20

第五章系统的功能及参数21

5.1系统的功能21

5.2系统的参数22

第六章软件介绍22

第七章致谢24

参考文献25

9附录煤气泄漏报警电路设计电路图26

家庭煤气泄漏报警器设计

内容摘要

近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的煤气报警器实为必要之举。

本次课程设计的题目是煤气泄漏报警电路，煤气泄漏报警电路是用于当煤气泄漏达到一定危害浓度时就立即发出报警,它在实际生活中有着十分广泛的应用。

本次设计中应用了多种数字电路,如电源电路、气敏探测电路、电子开关电路、报警电路等。

我相信通过本次课程设计,我将进一步加深对各数字单元电路的理解,同时也对电子设计的方法有一定的了解,为今后的学习和工作打下一定的基础。

关键词：

报警电路气敏探测

1Abstract

Inrecentyears,rapiddevelopmentofthenationalgasindustry,liquefiedpetroleumgas,naturalgas,coalgasandothercitygasasacleanenergyhasbeeninthebusinessandurbanresidentialcustomershasbeenwidelyused,especiallywiththe"westtoEastGasTransmission"projectoftherapidprogress,developmentofgasindustryhasgreatpotential.Popularizationandapplicationofcitygaswillnodoubtimprovethecity'senvironmentalqualityandimprovethequalityoflifeoftheresidentshasplayedthehugerole.Butwiththeextensiveuseofgas,duetogasleakcausedanexplosion,poisoningandfireaccidentshavealsooccurred,inparttoincreasethecity'sinsecurityandinstability.Inordertobetterbenefitofgastothepeople,thebenefitofsociety,toreduceanderadicateduetogasleakcausedtheexplosionandfireaccidents,theuseofthegasunitandresidentialcustomerstochooseasuitablegasalarmisindeedanecessity.

Thecoursedesignisthesubjectofagasleakalarmcircuit,agasleakalarmcircuitwhichisusedwhenthegasleakageconcentrationreachesacertainhazardswillimmediatelysendoutalarminreallife,ithasaverywiderangeofapplications.Thisdesignappliedtoavarietyofdigitalcircuit,suchasapowercircuit,agas-sensitivedetectioncircuit,anelectronicswitchingcircuit,alarmcircuit.Ibelievethatthroughthecurriculumdesign,Iwillfurtherdeepentheunderstandingofdigitalcircuit,butalsoontheelectronicdesignmethodhasacertainunderstanding,learningforthefutureandlayafoundation.

Keywords:

gasdetectionalarmcircuit

第一章概述

1.1课题研究背景、目的

人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。

室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。

室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。

煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。

常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。

液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。

英文名称liquefiedpetroleumgas，简称LPG。

是由炼厂气或天然气（包括油田伴生气）加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。

由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。

由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。

液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。

其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。

液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。

人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。

室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。

天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命

1.2方案构想

根据系统要求，本系统设计分为三部分:

系统设计，硬件设计和软件设计。

由于系统采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级详细测试。

.系统设计

查找资料，确定家用天然气和液化气报警系统的设计方案，画出系统的总框图，对框图的进行分析，确定系统的总体设计模块。

系统模块构成包括报警电路模块、气体检测处理模块、电源模块、单片机主控制模块、温度检测模块、显示模块等几大模块。

根据系统各个模块所要完成的功能分别去进行独立的分析与设计，使设计工作细化，从于达到逐步求精。

在系统设计完后，对该系统进行进一步分析调整，整体出完整的思路方案。

.硬件设计

根据设计好的系统方案，选择出最适合本系统的各个环节的芯片、气体传感器等；根据元件实际情况，选择最好的布局，布局要求合理，美观，实用。

待一切准备就绪，做出实物。

.软件设计

根据系统方案与实物采用C语言进行编程，按要实现的功能对程序进行调试整体，得出软件程序。

该天然气和液化气泄漏报警器多应用安装于居民住宅或工厂对天然气，LPG（石油液化气）丙烷、丁烷的检测装置，用于智能探测天然气、液化气的浓度情况，并对从传感器采集来的数据进行处理。

当出现异常情况时，自动报警，并显示温度

第二章总体方案设计

2.1方案一

该方案主要由电源电路、气敏探测电路、电子开关电路、报警电路及开放式空气负离子发生器等五部分组成。

在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号；电子开关电路主要负责控制开放式空气负离子发生器的工作；报警电路主要负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。

同时，为了进一步完善报警电路的功能，特设置了开放式空气负离子发生器，它在工作时可以自动产生空气负离子和臭氧，使排放的过多的ＣＯ气体与臭氧Ｏ３化合成对人体无毒害的ＣＯ２。

其原理框图如图2.1所示。

电源

电路

气敏

探测

电路

电子开

关电路

报警电路

开放式空气负离子发生器

图2.1方案一原理框图

2.2方案二

该方案主要由电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分组成。

在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号，并将采集到的信号传给信号放大器；信号放大器主要负责将接收到的信号放大，并分别传输给报警器和自动关闭煤气装置电路；报警器主要负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警；自动关闭煤气装置电路负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即关闭煤气装置，使其停止工作。

其原理框图如图2.2所示。

电源

电路

气敏

探测

电路

信号放大器

报警器

自动关闭煤气装置电路

图2.2方案二原理框图

2.3方案三

该方案主要由电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分组成。

在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号，并将采集到的信号传给单片机部分；单片机部分主要负责处理接收到的信号，并将处理后的信号分别传输给报警器和自动关闭煤气装置电路；报警器主要负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警；自动关闭煤气装置电路负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即关闭煤气装置，使其停止工作。

其原理框图如图2.3所示。

电源

电路

气敏

探测

电路

单片机部分

报警器

自动关闭煤气装置电路

图2.3方案三原理框图

2.4方案比较

上面三个方案都是设计的煤气报警器，本质上都相同，只是实现方法上有些差别。

方案一采用了电源电路、气敏探测电路、电子开关电路、报警电路及开放式空气负离子发生器等五部分来实现报警功能。

方案二采用了电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功能。

方案三采用了电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功能。

三种方案的主要区别在于：

方案一采用了开放式空气负离子发生器来处理泄漏出的煤气，不仅关闭了煤气装置，还通过自动产生的空气负离子和臭氧，使排放的过多的ＣＯ气体与臭氧Ｏ３化合成对人体无毒害的ＣＯ２，即时解决了煤气泄漏的问题，具有人性化的处理功能，同时在处理由气敏探测电路采集到的信号时采用的是电子开关电路。

方案二相对于方案一来说主要区别在于缺少了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之的是自动关闭煤气装置电路，现在只具有关闭煤气的功能，缺少了处理泄漏煤气的环节，同时在处理采集到的信号时采用了信号放大器，通过对信号的放大来实现信号的高效传输。

方案三相对于方案一来说主要区别在于缺少了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之的是自动关闭煤气装置电路，现在只具有关闭煤气的功能，缺少了处理泄漏煤气的环节，同时在处理采集到的信号时采用了单片机，通过单片机的高集成性来处理采集到的信号。

2.5方案选择

经过对三个方案从各方面的比较，我选择了第一种方案。

原因是方案一相对其它两个方案更具实用价值。

方案二和方案三虽然都能实现煤气检测及报警功能，而且实现起来也比较简单，但相对方案一来说方案二和方案三都缺少了净化泄漏出的煤气这一环节，而这一环节在整个报警系统中显得尤为重要，实现了人性化的自动管理，因此最终我选择了方案一来作为本次设计的方案。

第三章单元电路设计

3.1电源电路

电源电路由变压器T1、整流桥VC、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）构成，其电路结构图如图3.1所示。

该电路的工作原理是220V市电经变压器T1降压、整流桥VC整流、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）稳压后，提供12V直流电源。

图3.1电源电路结构图

3.2气敏探测电路

气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP1、电位器RP2、电阻R5和指示灯H组成，其电路结构图如图3.2所示。

在该电路中H起稳定气敏元件灯丝的电流作用，以使报警器工作稳定、可靠。

因为灯丝电阻随温度（即通过的电流）而正比变化。

温度高，电阻大，致使流过灯丝的电流减小；反之，电流增大，从而确保灯丝电流的稳定。

分流电阻R5用以减少流过指示灯H的电流，避免灯丝达到正常的白炽化程度（白炽化时就失去稳流作用）。

气敏元件预热数分钟后，在清洁的空气中，测量极A-A与B-B之间的电阻为一个稳定值，适当调节电位器RP2，可使B-B端的电压接近为零（即RP2为调零电位器），当气敏元件遇到煤气后，A-A与B-B之间的电阻相继下降，B-B端的电位则上升。

利用B-B端的电位去控制电子开关电路。

图3.2气敏探测电路结构图

3.3电子开关电路

电子开关电路由JEC-2施密特集成电路A1和三极管VT3组成，其电路结构图如图3.3所示。

该电路的工作原理是当B-B端（即A1的7脚）为低电平时，2脚输出为高电平，555时基电路A2不工作。

此时VT3因反偏而截止。

当7脚为高电平时，A1电路反转，2脚输出为低电平，A2电路被接通，VT3导通，继电器KA得电吸合，其常开触点闭合，接通负离子发生器的电源，使它投入工作。

图3.3电子开关电路结构图

3.4报警电路

报警电路由555时基电路A2、发光二极管VH、扬声器B及阻容元件等组成，A2等组成音频振荡器，其电路结构图如图3.4所示。

电路工作时，扬声器发出“嘀”的声音，VH发光。

当煤气泄露故障排除后，电路自动恢复。

图3.4报警电路结构图

555定时器的基本电路结构及其工作原理。

555定时器电路是一个中规模的集成电路，可以由TTL电路或CMOS电路构成。

它是一种能产生时间延迟和多种脉冲信号的控制电路。

只要在外部配上几个适当的电阻元件，就可以构成单稳态触发器。

多谐振荡器以及施密特触发器等脉冲产生与整形电路，在工业自动控制，定时，仿声和防盗报警等方面有广泛的应用。

555定时电路结构如下图所示。

图3.5555定时器电路结构图

3.5开放式空气负离子发生器

开放式空气负离子发生器由双向晶闸管V、二极管VD1～VD2、升压变压器T2、电阻R11～R13和电容C5～C7组成，其结构图如图3.6所示。

工作时，市电经R10、C6分压，在V的第一电极和第二电极加有电压。

VD1、C5和R11为触发回路，R11、C5起移相。

当市电负半周时，C6两端电压为上负、下正，这时经VD3、R12向C7充电，C7两端电压瞬间达8V左右，V导通。

当市电电压过零时，由于C5的移相作用，C5两端的电压加到V的控制极上，V仍然保持导通。

当市电正半周时，经VD1直接触发V，使其导通。

T2初级绕组与C7组成一个LC振荡电路就产生一个衰减式自由振荡，其频率约725Hz，振荡电流经T2升压，再经VD2整流，便在负离子发生器的极板上产生静电高压，于是就电离出空气负离子和臭氧沿着电力线向四周扩散开来。

图中，R13的作用是防止人体触电而设的。

由于该装置工作时不会产生高压放电火花，所以不会发生煤气爆炸事故。

图3.6开放式空气负离子发生器结构图

3.6单元模块的联接

（1）电源电路与气敏探测电路之间的联接。

在设计中，电源电路是由变压器T1、整流桥VC、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）构成，该电路的作用是将220V的市电经变压器T1降压、整流桥VC整流、串联型晶体管稳压电路（由三极管VT1、VT2等组成）稳压后，为整个电路提供12V直流电源，而气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号。

（2）气敏探测电路与电子开关电路之间的联接。

在整体电路中，气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP1、电位器RP2、电阻R5和指示灯H组成，其作用是负责探测煤气浓度及将其转化为电信号，而电子开关电路由JEC-2施密特集成电路A1和三极管VT3组成，其作用是接收气敏探测电路传输出的信号并将其转化为各种控制信号，再传输给其它电路元件，在整个电路中起到了枢纽的作用。

（3）电子开关电路与报警电路之间的联接。

电子开关电路与报警电路之间的联接主要是通过由电子开关电路产生的各种控制信号来实现。

电子开关电路的作用就是接收气敏探测电路传输出的信号并将其转化为各种控制信号，而其中的一个信号就是用来供报警电路使用。

第四章系统的调试

由于本次所设计的是煤气泄漏报警电路，其具有很强的实用性，从调试的角度来看，如果没有实物是没办法进行调试的，而本次设计只是停留在理论上的，没用将实物做出来，所以在调试时有一定的困难，但结合实际情况，现在只能对整体电路进行简单的电路是否畅通方面调试。

下面先进行的是对各个模块的分开调式，最后再进行整体调试。

4.1电源电路的调试

在对电源电路部分调试时，先按照其原理框图画出其电路图，再进行调试。

在调试的过程中，主要思想是根据电源的主要性能指标有针对性的进行调试。

电源的主要性能指标有输入参数、输出参数、电磁兼容性能指标和其他标准等4类，而输入参数又包括输入电压、输入频率、输入相数、输入功率因数和谐波，输出参数又包括输出电压、输出电流、稳压、稳流精度，通过调试发现在最初设计时存在一些小问题，比如器件的参数选择不够到位，导致调试时的部分数据不够精确，但经过一定的调试后，各项指标都能达到要求。

4.2气敏探测电路的调试

气敏探测电路的调试与其它模块有所不同，因为该部分具有很强的实用性，需要有实物才能进行真正意义上的调试，在这里，根据实际情况，现在只能从电路能否正常工作的角度出发，进行简单意义上的调试。

气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP1、电位器RP2、电阻R5和指示灯H组成，在该电路中H起稳定气敏元件灯丝的电流作用，以使报警器工作稳定、可靠。

因为灯丝电阻随温度（即通过的电流）而正比变化。

温度高，电阻大，致使流过灯丝的电流减小；反之，电流增大，从而确保灯丝电流的稳定。

分流电阻R5用以减少流过指示灯H的电流，避免灯丝达到正常的白炽化程度（白炽化时就失去稳流作用）。

气敏元件预热数分钟后，在清洁的空气中，测量极A-A与B-B之间的电阻为一个稳定值，适当调节电位器RP2，可使B-B端的电压接近为零（即RP2为调零电位器），当气敏元件遇到煤气后，A-A与B-B之间的电阻相继下降，B-B端的电位则上升。

利用B-B端的电位去控制电子开关电路。

经过一定的调试保证了该部分电路的正常工作。

4.3电子开关电路的调试

在对电子开关电路部分进行调试时，先按照其原理框图画出其电路图，再进行调试。

在调试的过程中，主要思想是根据电子开关电路的主要性能指标有针对性的进行调试。

电子开关电路的主要性能指标有输入参数、输出参数、协调性能指标和其他标准等4类，通过调试发现在最初设计时存在一些小问题，比如器件的参数选择不够到位，导致调试时的部分数据不够精确，但经过一定的调试后，各项指标都能达到要求。

4.4报警电路的调试

在对报警电路部分调试时，先按照其原理框图画出其电路图，再进行调试。

在调试的过程中，主要思想是根据报警电路的主要性能指标有针对性的进行调试。

报警电路部的主要性能指标有输入参数、输出参数、声音效果指标和其他标准等4类，而其中的声音效果指标是最重要的指标，具体指报警器发出报警时的声音大小和音质效果，而实际应用中要求报警器报警时必须保证声音足够响亮，以保证用户及时采取相应的应急措施，另外就是报警时发出的声音的持续时间，这也很重要，如果持续时间短了，用户还没听到就玩了，这样也没达到报警的效果。

通过调试发现在最初设计电路时存在一些小问题，比如器件的参数选择不够到位，个别元件的选择也不够好等等，这样导致调试时的部分数据不够精确，但经过一定的调试后，各项指标都能达到要求。

4.5开放式空气负离子发生器的调试

空气负离子发生器是利用高压电晕增加空气中负离子成份，从而改善了空气质量，可以促进身体健康，被誉为空气“维生素”。

医学临床实践证明，它对呼吸系统、循环系统以及神经方面等的疾病均有辅助疗效，因而在生活及医学界得以广泛应用。

本次设计用的是一种高效开放式负离子发生器，它采用可控硅逆变高压，悬浮式放电针，结构简单，效果良好，安全可靠。

市电电压在160V～250V均能正常工作，且耗电极省，仅1W左右，因此可长期连续工作。

根据空气负离子发生器的特点，不能实现真正意义上的调试，只能进行简单意义上的调试。

通过调试保证了空气负离子发生器的正常工作。

4.6煤气泄漏报警电路的整体调试

在已经对各个单元模块调试好后的基础上来对整体电路的调试就显得比较简单了。

在整体调试时主要工作就是对整个电路的协调工作进行调试，主要看是否能达到最初预想的设计效果。

在调试过程中，首先还是先按照整体电路的原理框图画出其电路图，再进行调试。

经过几次的调试，发现各个模块之间的链接还是存在一些小问题，但在调试过程中都即时的加以解决掉了，从而保证了整个电路的正常工作，同时也达到了最初设计的预期效果。

第五章系统的功能及参数

5.1系统的功能

本次设计的煤气泄漏报警系统是用于当室内煤气发生泄漏并达到一定的危害程度时就立即发出报警，它具体有以下一些功能：

1、可以自动检测煤气浓度并自动报警。

2、可以自动产生空气负离子和臭氧。

3、每过一段时间，使排放的过多的ＣＯ气体与臭氧Ｏ３化合成对人体无毒害的ＣＯ２。

4、可以控制煤气的排放量，空气成分变化的间隔时间可以自动调节。

5.2系统的参数

由于整个系统是由多个模块构成，而各个模块之间的指标参数又相互独立