气敏传感器1.docx

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气敏传感器1

传感器与检测技术

课程设计说明书

设计题目：

室内有害气体检测报警仪

指导教师：

设计者：

学号：

系别：

班级：

课程设计任务书

学院班学生

课程设计课题：

室内有害气体检测报警仪

一、课程设计工作日自年月日至年月日

二、同组学生：

三、课程设计任务要求（包括课题来源、类型、目的和意义、基本要求、完成时间、主要参考资料等）：

一、设计目的

1、了解有关传感器的基础知识；

2、加深对电子电路方面知识的理解；

3、能够熟悉传感器的检测以及应用电路；

二、设计要求

1、利用气敏电阻元件设计室内有害气体检测仪；

2、该气体检测仪具有报警功能；

3、画出该气敏传感器的检测原理图；

4、给出所选用气敏元件的类型，并说明其基本结构和工作原理；

5、叙述你所设计的气体检测报警仪的工作过程；

三、本组成员分工

于阳：

整体设计方案确定及气体检测模块电路设计；

赵婧：

检测原理图绘制及报警模块电路设计；

章明怡：

PPT课件制作及比较模块设计；

赵洪韬：

电源电路设计；

张丽明：

各元器件选型；

指导教师签字：

教研室主任签字：

课程设计评审表

学院班学生

设计任务完成情况及指导教师评语

1、方案功能介绍及总体方案设计；

2、气体检测、电压比较、报警和电源模块设计；

3、各主要元器件选型及工作原理介绍；

4、整体工作原理及整体检测原理图；

答辩情况

评定成绩

成绩：

指导教师签字：

日期：

教研室主任：

主任签字：

日期：

日期：

一、绪论……………………………………………………………1

1.1设计目的…………………………………………………1

1.2设计要求…………………………………………………1

1.3课题背景及功能介绍……………………………………1

二、总体方案设计…………………………………………………2

2.1方案论证…………………………………………………2

2.2方案确定…………………………………………………2

2.3总体方框图………………………………………………3

三、单元模块设计…………………………………………………3

3.1各单元模块功能介绍及电路设计………………………3

四、主要元器件介绍………………………………………………10

4.1TP-1.1A气敏传感器……………………………………10

4.2电压比较器LM311………………………………………12

4.3NE555定时器……………………………………………14

4.4蜂鸣器—HTD……………………………………………16

4.5电磁继电器………………………………………………16

五、课程设计总结…………………………………………………18

六、参考文献………………………………………………………19

一、绪论

1.1设计目的：

1、了解有关传感器的基础知识；

2、加深对电子电路方面知识的理解；

3、能够熟悉传感器的检测以及应用电路；

1.2设计要求：

1、利用气敏电阻元件设计室内有害气体检测仪；

2、该气体检测仪具有报警功能；

3、画出该气敏传感器的检测原理图；

4、给出所选用气敏元件的类型，并说明其基本结构和工作原理；

5、叙述你所设计的气体检测报警仪的工作过程；

1.3课题背景及功能介绍：

背景：

随着工业的发展，排放的废气也与日俱增，这些废气对人类本身和生存环境造成了不可忽视的损害。

在工业发展初期人们曾错误地认为这种污染时是工业发展的象征，而不予重视。

存工业高度发达的今天，温室效应，酸雨，臭氧层的破坏等污染所带来的损失已经威胁到人类的生存，一系列问题已经迫在眉睫，而解决这些问题的关键是迅速准确地检测到这些有害有污染的气体，这便是气敏传感器发展的客观依据。

近年来由于微电子技术的迅猛发展，就需要有相当智能化，集成化的传感器。

因此传感器的小型化和集成化已经成为传感器的发展方向。

为了确保室内安全，需对各种可燃性气体，有害气体进行检测。

目前实用气体检测方法很多，其中接触燃烧法和用半导体气敏传感器检测法具有使用方便，费用低和可把气体浓度转换成相应电量输出的特点。

由于接触燃烧法中使用的催化剂长期使用时容易劣化和中毒，灵敏度又低，故在应用时不如使用半导体气敏传感器。

功能介绍：

本次课程设计的内容为室内有害气体的检测与报警，选用的气敏传感器为非加热式气敏传感器TP-1.1A，它是采用纳米SnO2进行半导体掺杂，以微珠结构制成的非加热式低功耗气敏传感器，对甲烷等易燃有害气体有高敏感反应，适用于室内可燃气体检测，如天然气等家中常用燃气。

工作电压为6V，负载电阻为510Ω，静态功耗为150mW。

在洁净的空气中，负载电阻上的电压呈现正弦振荡现象，在有害气体中无振荡现象。

当空气中的有害气体浓度达到设定值时，负载电阻上的电压使电压比较器的输出由低电平变为高电平，使NE555构成的多谐振荡器振荡。

继电器常开触点闭合控制报警电路报警。

当有害气体的浓度低于设定值时，电压比较器的输出变为低电平，多谐振荡器处于强制复位状态，继电器常开触点断开，报警停止。

二、总体方案设计

2.1方案论证

有害气体的检测与报警设计中，气敏传感器的选用是非常重要的。

设计人员通常会选用加热式，旁热式及催化燃烧式的半导体气敏元件。

由于该类元件在工作时需要加热，元件长时间处于较高的温度下，引起灵敏度变化，需要定期对气敏元件进行标定，给使用带来不使，同时加热也使得元件的功耗较大。

而非加热式气敏传感器则可以解决以上的问题。

2.2方案确定

气敏传感器是利用物质效应和化学效应对气体中的某些成分进行检测的器件，譬如半导体气敏传感器主要是利用半导体与某些气体接触时，其特性将发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。

故可利用这一特性，来设计电路。

图2-1为工作流程图：

图2-1工作流程图

TP-1.1A气敏传感器可用于检测一些可燃性气体，如家用煤气，液化石油气等气体。

当可燃气体浓度增大，TP-1.1A气敏传感器的等效电阻降低，用电压比较器作为控制部分，当输入电压大小反过来时，输出就会有高低电平的变化，就利用这高低电平的变化来控制蜂鸣报警器。

蜂鸣报警电路可用NE555组成的多谐振荡电路来控制，NE555组成的电路输出方波信号，驱动蜂鸣报警器报警。

本设计电路要用到继电器，来作为蜂鸣报警器的工作控制电路。

2.3总体方框图

图2-3蜂鸣报警器原理方框图

三、单元模块设计

3.1各单元模块功能介绍及电路设计

3.1.1气体检测模块

气体检测模块包括气敏传感器和外围电路。

该单元模块的作用是由气敏传感器检测空气中的有害气体浓度，当有害气体的浓度变化时，输出电压也将发生变化。

空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏传感器的阻值大致保持不变。

如果被测气体流入这种气氛中，器件表而将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化可得知气体的浓度。

气敏传感器为TP-1.1A非加热式气敏传感器。

TP-1.1A常温型（低功耗）半导体气敏传感器采用纳米级SnO2进行合理的半导体掺杂，以微珠结构制成的非加热，低功耗，对甲烷高度灵敏的可燃气体传感器。

其突出特点是低功耗，抗干扰强，环境适应能力强（不怕油分子吸附），对甲烷及液化石油气高度灵敏。

主要应用于煤矿瓦斯监测，工业甲烷，天然气为动力燃料的汽车安全监测，民用燃气泄漏报警，便携式气体探测仪等。

半导体气敏器什由于具有灵敏度高，响应时间和恢复时间快。

使用寿命长及成本低等优点，所以自从它实现商品化以后，得到了广泛的应用。

按其用途可分为以下几种类型：

检漏仪、报警器、自动控制仪器和测试仪器等。

气敏器件在电路中是作为气电转换器件而应用的，各种应用电

路．都必须从气敏器件获得信号，其信号的取山有以下几种类型：

（1）利用吸附平衡状态稳定值取出信号气敏器件接触被检测气体后，气敏器件电阻将随气体种类和浓度而变化，最后达到平衡，器件电阻变为该气体浓度下的稳定值。

利用这一特性。

在器件电阻稳定后取出信号，可以设计各种电路。

这是种常用的取出信号的方法，现在使用的大部分，都采用这种方法。

（2）利用吸附平衡速度取出信号。

气敏器件表面对气体吸附平衡速度，因气体不同而有差异，因此在不同时刻，器件电阻具有不同值。

利用这一特性，可以设计在不同时刻取出信号，以检测气体的电路

（3）利用吸附平衡值与温度的依存性取出信号气敏器件表面对气体的吸附，强烈地依存于其工作温度，并且每种气体都有特定的依存关系。

利用这种特性，可以设计器件在不同工作温度下，取出信号的应用电路。

在混合气体中，可以对特定气体进行选择性检测。

图3-1-1气体检测模块

该电路的主要作用是检测空气中的有害气体的浓度并将其转化为电压的输出。

如图3-1-1所示，当空气中的有害气体浓度超过设定值时，气敏传感器的阻值下降，电路总电阻减小，电流增大，通过负载电阻R4的电压增大。

反之，当空气中的有害气体浓度降低到设定值以下时，气敏传感器的阻值变大，电路电流减小，通过负载电阻R4的电压减小。

电阻R4是分压电阻，当气敏传感器的阻值变化时，它所分得的电压也随之变化，通过电阻R4，气敏传感器将有害气体的浓度变化转化成为电压的输出变化。

C3是延时电容，当R4上的电压增大时，电路对电容C3充电。

当电阻R4上的电压减小时，电容C3开始放电，使报警器继续工作一段时间。

当电容C3放电完毕后，电路输出低电平，整个电路停止工作。

3.1.2电压比较模块

图3-1-2电压比较模块

如图3-1-2所示，该单元模块的作用是对输入电压和电压比较器设定电压进行比较，如果输入电压高于设定电压则比较器输出高电平，如果输入电压低于设定电压则比较器输出低电平。

电压比较模块由电压比较器LM311和电阻R3以及滑动变阻器RP2组成。

该电路的作用是接收到气体检测模块的输出电压后与电路发定电压进行比较。

如果气体检测模块的输出电压高于电路设定电压，则比较器LM311输出高电平，驱动报警电路工作。

如果气体检测模块的输出电压低于设定电压，则比较器输出低电平，报警电路不工作。

LM311工作于单电源5v～30v或±15v双电源；正电源工作电流为2.4mA（典型值）、负电源工作电流为-1.3mA（典型值）；输入失调电压典型值为2.4mvl，输入失调电流典型值为1.7nA，输入偏置电流典型值为45nA，电压增益典型值为200v／mvl响应时问典型值为200ns；输入电压范围为-14．7～13．8v。

给8脚和4脚分别置电源的两端，2脚和3脚分别输入采集的需要比较的两个模拟电压，当同向电压大于反向电压的话，侧7脚输出逻辑的“1”；反之，若反向大于正向，输出逻辑“0”。

输出的逻辑“l…‘0”的大小伏值由置与8和4脚的电源电压来决定。

比如：

置8为+5v，4为0，则比较后输出的逻辑电平伏值就是5v和0v。

也可以置其双电源，双电源就好比+5v和5v，其优点就是可以用于比较在0v上下的电压。

在该电路中，电阻R3和滑动变阻器RP2的作用是调节电压比较器LM311的输入设定电压，通过调节滑动变阻器可以根据实际情况更改输入电压的设定值。

3.1.3报警电路

如图3-1-3a所示，该单元模块的作用是当电压比较器输出高电平时多谐振荡器开始工作驱动蜂鸣器报警。

报警电路是由NE555，R1和C1构成的无静态多谐振荡器。

当电源接通后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到1／3Vcc时，触发器被复位，同时放电BJT，T导通，此时输出电压为低电平，电容C1通过RPl和T放电，使Vc下降。

当Vc下降到1／3Vcc时，触发器又被置位，输山电压翻转为高电平。

电容c1放电所需要的时间tpl=Rp1Cln2≈0.7RplC。

当Cl放电结束时，T截止，输入电压将通过R1和RPl向电容器C1充电，由1／3Vcc上升到2／3Vcc所需的时问为tph=（Rpl+R1）Cln2≈0.7（Rpl+R1）C。

当Vc上升到2／3Vcc时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为f=l／（tph+tpl）≈1.43／（Rpl+R1）C。

由于NE555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。

报警电路主要元件为NE555定时器。

NE555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。

该电路使用灵活，方便，只需要外接少量的阻容元件就可以构成单稳，多谐和施密特触发器。

因而广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。

日前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有

NE555（或5G555）和C7555等多种。

它们的结构及工作原理基本相同。

通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时器电路具有低功耗，输入阻抗高等优点。

NE555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。

双极型定时器电源电压范围为5~16V，最大负载电流可达200mA：

CMOS定时器电源电压范闱为3~18V，最大负载电流在4mA以下。

图3-1-3a报警电路

在如图3-1-3a的电路中，Rl和RPl的作用是调节多谐振荡器的振荡频率。

调节滑动变阻器的阻值大小就可以改变振荡频率。

电容C1的作用是通过充放电使多谐振荡器产生一个方波，控制压电陶瓷蜂鸣器的报警时间。

NE555多谐振荡器输出端为一个周期性的方波，其频率为：

f=1/（tPL+tPH），可近似看成f=1.43/[（R1+R2）C]

本设计中R1=22k,R2=11k,C=33uf,可算得f约为1hz,即NE555多谐振荡器会产生一秒的连续脉冲。

下面一副截图为555定时电路在正常工作下时所输出的波形：

图3-1-3bNE555定时电路输出波形

3.1.4电源电路

图3-1-4电源部分电路

图3-4电路由家用220v电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。

电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。

由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。

但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。

因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。

稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。

3.1.5整体工作原理说明

图3-1-5为整体工作电路原理图：

由220V的交流电压经电源变压器，整流电路，滤波和稳压电路等四部分后变为直流电压，供气敏传感器及蜂鸣报警电路工作。

当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，TP-1.1A气敏传感器电阻值很大，使电压比较器正相输入端的电压小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作：

如果空气中的有害气体浓度达到一定值时，传感器的电阻值变小，使电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，继电器工作，从而驱动蜂鸣报警电路。

当室内有害气体的体积分数降到某一预定值时，该控制器会自动切断报警电路的工作电源，使其停止工作，从而达到了自动控制室内有害气体的目的。

图3-1-5整体工作电路原理图

四、主要元器件介绍

4.1TP-1.1A气敏传感器

TP-1.1A常温型（低功耗）半导体气敏传感器采用纳米级SnO2进行合理的半导体掺杂，以微珠结构制成的非加热，低功耗，对甲烷高度灵敏的可燃气体传感器。

其突出特点是低功耗，抗干扰强，环境适应能力强（不怕油分子吸附），对甲烷及液化石油气高度灵敏。

半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时，产生的电导率等物性变化来检测有害气体。

半导体气敏传感器被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面面被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。

这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。

具有负离子吸附倾向的气体有O2和NOx，称为氧化型气体或电子接收性气体。

如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。

具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给性气体。

空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧的吸附量也是恒定的，气敏传感器的阻值大致保持不变。

如果被测气体流入这种气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化可得知气体的浓度。

氧化型气体吸附到N型半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大。

相反，当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。

图4-1为气体接触到N型半导体时产生的的器件阻值变化。

当这种半导体气敏传感器与气体接触叫，其阻值发生变化时间（称响应时间）不到1分钟。

图4-1N型半导体吸附气体时的器件阻值变化图

TP-1.1A常温型（低功耗）半导体气敏传感器规格及参数：

（1）检测范围：

50～40000ppm（甲烷）

（2）电路电压：

6VDC

（3）负载电阻：

5lΩ

（4）功耗：

≤150mW

（5）电流：

≤25mA

（6）测试气体条件：

Normalairat20±2℃

（7）湿度范围：

65％±5％RH

（8）电路条件：

6V~05VDC

（9）不加补偿：

0℃～50℃

（10）加补偿：

-40℃～70℃

4.2电压比较器LM311

LM311是一种多用途的电压比较器，它具有失调电压平衡调节，端（或用作选通端），且共有连接负载多样性及输出电流可达50mA的特点。

LM31l作为一种廉价、高性能的v／f变换器，与单片机接口简单灵活，信号可输入到单片机任一根I/O口线、中断源入口或计数输入端。

LM31l有圆形NS-H08C8引脚、标准双列直播式8引脚DIP-8和小型双列表面贴装式14引脚SOIC-14三种封装。

LM311引脚包括接地引脚，同相输入端引脚，反相输入端引脚，电源负端引脚，输入失调电压平衡端引脚，选通端引脚，比较器输出端引脚和电源正端引脚。

具体引脚功能如表4-1所示：

图4-2LM311管脚图

表4-1LM311的引脚名称、功能

LM311工作原理：

LM311工作于单电源5v～30v或±15v双电源；正电源工作电流为2.4mA（典型值）、负电源工作电流为-1.3mA（典型值）；输入失调电压典型值为2.4mvl，输入失调电流典型值为1.7nA，输入偏置电流典型值为45nA，电压增益典型值为200v／mvl响应时问典型值为200ns；输入电压范围为-14．7～13．8v。

给8脚和4脚分别置电源的两端，2脚和3脚分别输入采集的需要比较的两个模拟电压，当同向电压大于反向电压的话，侧7脚输出逻辑的“1”；反之，若反向大于正向，输出逻辑“0”。

输出的逻辑“l…‘0”的大小伏值由置与8和4脚的电源电压来决定。

比如：

置8为+5v，4为0，则比较后输出的逻辑电平伏值就是5v和0v。

也可以置其双电源，双电源就好比+5v和5v，其优点就是可以用于比较在0v上下的电压。

由于LM311本身其电器特性是放大器类别，所以输入阻抗是很大的，所以在2、3脚的输入端都串接一个10K的电阻来提高输入信号的输入阻抗，以使得电压信号能加到放大器里面。

由于此IC是比较器，要求电源电压恒定，这样输出才能得到稳定的高低电平。

在LM311的8和4两端跨接一个0.1的陶瓷电容来去除电源的耦合干扰，以达到精确的目的，因为LM311的输入阻抗很大，所以分析电路的时候可以认为2、3输入脚是“虚地”，即2、3脚可以认为没有电流流入，电压可以认为零。

4.3NE555定时器

NE555定时器内部结构的简化原理图如图4-3a所示。

它由三个阻值为5KΩ的电阻组成的分压器，两个电压比较器C1和C2，基本RS触发器，放电BJTT以及缓冲器G组成。

定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJTT的状态。

图中的RD为复位输入端，当RD为低电平的时候，不管其他输入端的状态如何，输出Vo为低电平。

因此在正常工作时，应将其接高电平。

图4-3aNE555定时器内部结构简化原理图

由图4-3a可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。

当VI1>2/3Vcc,VI2>1/3Vcc时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置0，放电三极管T导通，输出端V0为低电平。

当VI1<2/3Vcc,VI2<1/3Vcc时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置1，放电三极管T截止，输出端V0为高电平。

当VI1<2/3Vcc,VI2>1/3Vcc时，基本RS触发器R=0，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。

综合上述分析，可得NE555定时器功能表如表4-2所示。

表4-2NE555定时器功能表

如果在电压控制端（5脚）施加一个外加电压（其值在0-Vcc之

间）比较器的参考电压也将发生改变，电路相应的阀值，触发电平也将随之变化，并进而影响电路的工作状态。

NE555为8脚集成电路，各脚主要功能：

1地（GND）；2触发；3输出；4复位；5控制电压；6门限（阀值）；7放电；8电源电压Vcc。

图4-3bNE555电路内部方框图

图4-3b所示，NE555内部含有两个电压比较器，一个分压器，一个RS触发器，一个放电晶体管和一个功率输出级。

NE555应用十分广泛，可装如下几种电路：

1单稳类电路作用：

定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。

2双稳类电路作用：

比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。

3无稳类电路作用：

方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时等。

4.4蜂鸣器——HTD

蜂鸣器是一种一体化结构的电子迅响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电了玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

一般所指的蜂鸣器是以压电陶瓷为主要元件的。

压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。

这种能力缘于其特殊的晶体结构。

当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，并且电流的变化与压力的变化密切相关。

反之亦然。

所以利用这一特性，在压电陶瓷上通过一定频率的电流，就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动，如果频率适当，就可以被人耳所听见，也就是产生了蜂鸣声。

4.5电磁继电器

电磁继电器是自动控制电路中常用的种元件。

实际上它是用较小

电流控制较大电流的一种自动开关。

因此，广泛应用于电子设备中。

电磁继电器一般由一个线圈、铁心、一组或几组带触点的簧片组成。

触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。

电磁继电器的工作原理是这样的：

当线圈通电以后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。

应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制的目的。

电磁式继电器是应用得最早、最多的一种型式。

其结构及工作原理与接触器大体相同。

由电磁系统、触点系统和释放弹簧等组成，电磁式继电器原理如图4-5a所示。

由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小（