为了提高电压驱动能力，在电路中引入反相比例运算放大电路。
反相比例运算电路由图2-3中A2、R6、R7组成。
滞回比较器输出信号输入到反相比例运算电路的反相输入端，使输出的信号与输入信号相反，使R1上电压低于设定值时报警电路输入端得到的控制信号为低电平，R1上电压高于设定值时报警电路输入端得到的控制信号为高电平，通过翻转信号使报警器收到准确的控制信号。
反响比例运算电路可以通过更换电阻来提高对报警电路的驱动能力[7]。
（3）报警器上电延时
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。
上电延时电路如图2-5所示。
图2-5上电延时电路
延时电路是通过LM324同相输入端与反相输入端电压进行比较输出控制信号来实现。
A3的输出通过一个反向二极管连接到A1的反相输入端。
由电阻R10和电容C12输入运算放大器A3的同相输入端，R11和R12输入运算放大器A3的反相输入端，因为通电后电容需要一定的时间充电，此时运放的同相输入端低于反相输入端，输出与反相端相同，运算放大器A3输出端为低电平，使A点的电压被钳制，所以R1上的负载电压不会立即变化。
通电一段时间后电容稳步充电，同相输入端的电压升高，使输出与同相端输出相同，输出高电平经过反向二极管截止，此时信号检测电路转为正常工作状态。
通过改变电阻R10阻值或电容C12容量，可调整延时电路的延时时间。
电路工作一段时间后，运算放大器A3的输出端变为高电平，延时结束。
根据具体情况针对电容的容值与电阻的阻值不同可设定不同的延迟时间，一般选用的延时都不要太大，否则影响检测电路的正常工作。
只需要保证气体传感器到达正常工作状态之前电路不报警即可[8]。
2.3 报警电路设计
根据不同的用途，可以选择不同的报警方式，较常用的是声光报警方式，有时采用联动报警方式，不但可以起到报警作用，还可以配合外部设备对检测到的危险采取果断措施。
联动报警控制电路包括报警功能和控制外部联动装置的功能。
本设计报警功能主要由多谐振荡电路驱动扬声器，三极管8050驱动LED发光二极管实现声光报警。
控制外部联动装置主要是继电器HKF-11用来控制机外的报警器或排风设备等联动装置。
下文中将对报警电路的声报警电路和光报警及联动电路分别作详细介绍[9]。
2.3.1 声报警电路
本设计中声报警功能是由多谐振荡器产生矩阵脉冲驱动扬声器实现的。
如图2-6所示。
图2-6声报警电路
多谐振荡器是一种自激振荡电路，当电路连接好之后，只要接通电源，在其输出端便可获得矩阵脉冲，由于矩形脉冲中除基波外还含有极丰富的高次谐波，所以把这种电路叫做多谐振荡器。
NE555芯片正常工作时，4脚接收到控制信号后3脚输出矩形脉冲，经过隔直电容C11驱动扬声器扬声器，实现声音报警。
如图2-6可知，多谐振荡电路由NE555集成电路和R14，RP2，C9电容组成可控多谐振荡器。
NE555集成电路是一种模拟和数字电路相混合的集成电路。
它不仅结构简单，使用灵活，而且用途十分广泛，可以组成多种多谐振荡器、波形发生器、定时电路、检测电路、频率变换电路等。
NE555集成电路的内部逻辑结构如图2-7所示。
图2-7555内部逻辑结构
其由三个电阻组成分压器、两个基本触发器H1和H2、两个比较器A1和A2、放电晶体管VT、输出缓冲级H3等组成。
其引脚功能为：
1地线，2触发，3输出电平，4复位，5控制电压，6阀值电压，7放电，8电源（Vcc）。
NE555集成电路的逻辑功能如表2-2所示。
表2-2555电路的逻辑功能
RD
TH
TR
OUT
VT
0
X
X
0
导通
1
>2/3Vcc
>1/3Vcc
0
导通
1
<2/3Vcc
>1/3Vcc
不变
不变
1
X
<1/3Vcc
1
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Uc＝0V，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Ⅰ和暂稳态Ⅱ，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Ⅰ：
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Vcc→R6、R7→C→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变为饱和导通状态。
（2）暂稳态Ⅱ：
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：
C→R2→TD→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Ⅰ。
在暂稳态Ⅰ，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2-8555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8050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2-11 ±5V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VD1～VD4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VD1～VD4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
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