可燃气体报警器电路设计Word下载.docx
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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]。
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，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 电路设计
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。
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，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2-1GS-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
Vh
Vc
Ro
Tres
trec
β
单位
V
KΩ
S
倍
参数值
5+
5～10
分档
≤10
≤30
≥5
[标注]①标定气体为1000ppm氢气。
②Ro在50KΩ～1000KΩ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：
100～5000PPM；
标定气体：
CO含量≤10%人工煤气400～5000PPM；
CO含量≤20%人工煤气400～2500PPM；
CO含量≤30%人工煤气250～1500PPM。
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uI<
UT1，那么uN一定小于up，因而u0=+UZ，所以up=UT1。
当输入电压uI增大到UT2时，只要再增大一个无穷小量，输出电压u0就会从+UZ跃变为-UZ。
同理，假设uI>
UT2，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UT1<
uI<
UT2，输出电压可能是±
UZ。
如果uI是从小于UT1的值逐渐增大到UT1<
UT2，那么u0应为+UZ；
如果uI是从大于UT2的值逐渐减小到UT1<
UT2，那么u0应为-UZ；
曲线具有方向性。
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
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]。
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]。
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。
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
X
导通
1
>
2/3Vcc
1/3Vcc
<
不变
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]。
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。
±
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
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