有害气体的检测报警与抽排电路设计.doc

武汉理工大学电工电子强化训练课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 自动化学院 1、 题目: 有害气体检测与抽排电路设计任务：设计一个当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警信号，同时启动有害气体抽排控制电路。要求：当检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警信号，警笛声由5W/8的喇叭发出，闪烁的光源采用220V/60W的灯泡，同时自行启动抽排系统，抽排选择220V/1.5KW大功率排风负压风机，确保有害气体及时排出，保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。2、初始条件 初始条件： 1. 实验室提供万用表、信号发生器、直流稳压电源、示波器等设备。2. 学生已学习了大学基础课程和电路原理、模拟电子技术、数字电子技术、电力电子变流技术等专业基础课程。3. 学生已参加过电工电子实习，掌握了用PROTEL绘制电路图的方法。4. 主要参考文献1) 新编电子电路大全 第1、2、3、4卷 中国计量出版社 组编2) 传感器及其应用电路 何希才 编著 电子工业出版社3) 电子线路综合设计 主编 谢自美 华中科技大学出版社4) 集成电路速查手册 王新贤 主编 山东科学技术出版社5) 电力电子电路设计 钟炎平 主编 华中科技大学出版社6) 电子技术工艺基础 王天曦 李鸿儒 编著 清华大学出版社3、要求完成的主要任务1. 课程设计结束时每个学生要提交一份按统一格式要求撰写的课程设计报告，并装订成册。2. 课程设计报告中要求绘制方框图、电原理图，阐述电路工作原理、每个元器件的主要参数、设计电路的性能指标、课程设计感言等。3. 说明书中除个人签名外，其它文字、符号、图形或表格一律用计算机打印。4. 文字、符号、图形等必须符合国家标准。5. 独立完成设计任务，杜绝相互抄袭现象发生，避免剽窃。4、时间安排一周6月24日上午，指导教师讲授课程设计的有关基本知识，布置设计任务等；6月24日下午6月26日下午学生查阅资料；6月27日上午6月30日下午学生初步设计；7月1日上午7月1日上午检查设计进度；7月1日下午7月3上午深化设计；7月3日下午7月4日上午答疑、质疑；7月4日下午7月4日下午进一步完善设计，形成设计报告电子文档；7月5日课程设计报告打印、装订、提交。指导老师签名： 2013年6 月 17 日 系主任（或负责教师）签名： 2013年 月 日目录引 言11 设计电路意义及要求11.1设计意义11.2设计要求22.设计方案22.1 设计思路22.2总方框图32.3电路总原理图42.4电路模块分析52.4.1 电源电路52.4.2气敏传感器电路62.4.3 555振荡电路72.4.4 声报警 光报警 风扇抽排电路82.5 整体工作原理说明83所用器件说明93.1 7805三端稳压集成电路93.2 555芯片及其构成的多谐振荡电路93.3 QM-N5气敏传感器113.4继电器114.电路优缺点及遇到的问题124.1优点124.2缺点124.3设计过程中遇到的问题125.结束语136 附录146.1附录1 元件清单146.2附录2 本科生课程设计成绩评定表14III有害气体检测与抽排电路设计引 言随着社会的发展与科技水平的不断提高，人们对科技应用于生产和生活的要求不断提高。随着工业化的发展，有毒有害气体已经成为我们在生产和生活中不得面对的危险来源，包括石化企业、化工行业、环保应急事故、恐怖袭击、危险品储运、垃圾填埋乃至城市污水处理、各类地下管线等等各个方面，我们可能在不知不觉中就会受到危险气体的威胁。有害气体检测与抽排电路是基于目前学过的电路基础、模拟电子技术基础、数字电子技术基础、电气CAD等课程进行设计的，该电路能通过对环境中有害气体浓度的检测，在有害气体浓度超标时进行报警与风扇抽排气，以保护该环境中的人员生命安全。有害气体检测与抽排电路由220V交流电源、直流稳压电源、555振荡电路、继电器及灯泡、扬声器、电动机等连接组合构成。通过控制代替气敏元件的滑动电阻器阻值来控制继电器的闭合，从而控制555振荡电路工作及灯泡闪烁、扬声器报警、风扇运转，以满足设计电路的要求。参加电工电子强化训练能挖掘学生的潜能，锻炼学生独立思考的能力和创新思维方式。1 设计电路意义及要求1.1设计意义宏观角度：运用电路基础、模拟电子技术、数字电子技术相关知识用Protues仿真软件设计有害气体的检测与抽排系统，实际产品对日常生活及工业生产的环境监控起到了有益作用，它能保护人员生命安全，在有危险时及时地报警来提醒人员疏散，及时地风扇抽排来净化空气环境。个人角度：通过对有害气体检测与抽排电路的设计，巩固了我目前所学习的电路基础知识、模拟电子技术基础知识、数字电子技术基础知识、protues软件的使用，通过近一周的设计，我更加熟悉地将电路、模拟电子技术、数字电子技术等专业知识结合在一起，使所学知识形成一个整体。1.2设计要求当检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警信号，同时自行启动抽排系统，使用大功率排风负压风机，确保有害气体及时排出，保障人们的生命财产安全。抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。2设计方案2.1 设计思路有害气体的检测需要用到气敏传感器，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。QM-N5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。用电压比较器作为控制部分来控制继电器1的开关。当检测气体浓度增大，QM-N5气敏传感器的等效电阻减小，分压所得电压增大到正相电压大于反相电压时，电压比较器输出高电平，使继电器开关闭合，风扇开始抽排，同时开启555振荡电路，输出方波信号驱动扬声器发出报警声，继电器2闭合与断开循环使灯泡闪烁报警。由于气敏传感器工作加热电压为4.55.5V，而提供的电源为220V交流电源，故需要对交流电进行降压、整流、滤波、稳压，运用7805三端稳压集成电路，变为一个输出5V的直流电源为其供电。由于Protues软件中无QM-N5气敏传感器，其工作原理等同于一个滑动变阻器控制分压电路，故在软件中使用滑动电阻器代替气敏传感器。 2.2总方框图 有害气体浓度是否达到一定值？电压比较器输出低电平，继电器不闭合，声光报警器不工作，电压比较器输出高电平，继电器工作，使声光报警器及抽排电路工作是否 QM-N5气敏传感器电源电路图2-12.3电路总原理图运用protues软件绘制成如下电路原理图图2-22.4电路模块分析2.4.1 电源电路图2-3电源电路有220V交流电源，变压器，整流电路，滤波电路，7805三端稳压集成电路组成，实现220V交流电对风扇及灯泡供电、220V交流电转变为5V直流电对气敏传感器及555振荡电路供电。变压器将220V交流电降压，通过整流电路将交流电转变为直流电，再通过滤波电路滤去直流电中的纹波，最后运用7805三端稳压集成电路维持5V直流电压稳定输出。2.4.2气敏传感器电路图2-4原理：当有害气体浓度增大，气敏传感器电阻减小，电压比较器正相输入端电压增大到大于反相电压时，电压比较器输出高电平，继电器1闭合，使后续电路导通；当正相电压小于反相电压时，电压比较器输出低电平，继电器1断开，后续电路不工作。如图，对滑动电阻器RV2的控制与气敏传感器原理相同。当箭头移向左端，滑动变阻器阻值减小，电压比较器正相输入端电压增大，当正相电压大于反相电压时，电压比较器输出高电平，继电器1闭合，后续电路导通；当正相电压小于反相电压时，电压比较器输出低电平，继电器1断开，后续电路不工作。改变滑动变阻器RV1可以改变反相输入端的电压值，与设定气敏传感器标准浓度作用相同。因此，可通过改变RV1的值以使声光报警及风扇抽排电路对不同浓度的有害气体工作，即用气敏传感器实现对不同浓度有害气体的测量。2.4.3 555振荡电路图2-5当继电器1闭合后，555振荡电路接通电源开始工作，555多谐振荡器输出周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH)， 可近似看成f=1.43/(R1+R2)C本次设计中R1=10K，R2=10K，C=75uF，计算得f约为1Hz，即555振荡器会产生周期为一秒的方波。2.4.4 声报警 光报警 风扇抽排电路图2-6方波波形图：图2-7220V交流电给风扇、灯泡供电，稳压所得直流给扬声器供电。555振荡电路提供方波脉冲信号使扬声器发出间断的警报声（设置开关SW2方便系统在报警维修时关闭扬声器），同时方波脉冲信号使继电器2断开与闭合循环以控制光报警电路的导通和断开（设置开关SW1方便系统在报警维修时关闭闪烁灯）；继电器1的闭合使风扇工作，直至有害气体浓度低于标准浓度使继电器1断开，从而后续电路均停止工作，电路回到实时检测状态。2.5 整体工作原理说明220V交流电为灯泡、风扇供电，将220V交流电转变为5V直流电后为气敏传感器电路、555振荡电路、扬声器供电。滑动变阻器RV2模拟气敏传感器工作，当电压比较器正相输入端电压大于反相输入端电压时，电压比较器输出高电平，使继电器1闭合，从而使555振荡电路、扬声器、灯泡、风扇工作。555振荡电路输出的方波为扬声器提供连续脉冲使其发出警报声；为与灯泡串联的继电器2提供交替的高低电平以使灯泡电路处于开和关的交替状态，从而使灯泡闪烁。因继电器1的闭合，风扇抽排空气，当空气中有害气体浓度降低，代替电阻阻值增大，使电压比较器正相输入端电压小于反相输入端电压，继电器1断开，从而使555振荡电路、扬声器、灯泡、风扇停止工作，整个电路回到实时检测状态。3所用器件说明3.1 7805三端稳压集成电路表3-17805三端稳压集成电路由三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子像普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。78*系列的稳压集成块的极限输入电压是36V，最低输入电压比输出电压高3-4V。输出电压固定为5V。3.2 555芯片及其构成的多谐振荡电路 图3-1 555芯片引脚图表3-2 555芯片功能表图3-2 图3-3555多谐振荡电路工作原理：接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，放电三极管T导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。当VC下降到（1/3）VCC时，VO翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为： tPL=R2Cln2 可近似看成tPL=0.7R2C当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为:tPH=(R1+R2)Cln2 可近似看成tPH=0.7(R1+R2)C而当VC上升到（2/3）VCC时，电路又翻转为低电平，如此周而复始，于是，在电路的输出端的矩形波。电路的工作波形如图2.8所示，其振荡频率为： f=1/( tPL +tPH) 可近似看成f=1.43/(R1+2R2)C 参数设定：设计中取R2= R1 =10k,C=75uF，使f近似等于1Hz，从而周期T 近似等于1s。3.3 QM-N5气敏传感器气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。 QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。QM-N5气敏元件参数如下：标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压2V，响应时间10S，恢复时间30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.55.5V、测量回路电压515V、负载电阻0.52.2K。3.4继电器继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁继电器的工作原理和特性 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回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。当线圈断电后，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。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。 选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。4电路优缺点及遇到的问题4.1优点作为现场安全检测系统，有害气体检测与抽排系统会实时检测有害气体浓度值，并在其超标时，立即发出警报指导人们行动，并启动风扇抽排空气以达到净化空气的作用。在安全、环保以及公共卫生方面起着重要的作用。4.2缺点系统较为复杂，在实际建立系统过程中需要考虑到供电、空间等因素。4.3设计过程中遇到的问题1.在Protues软件元件库中选择元件时，刚开始选用的一些元件不能进行仿真，后来我更换能够进行仿真的相同类型元件得以解决；一些原件没有PCB封装，导致仿真过程出现错误，我通过网络学习学会了对这些元件进行封装。2.开始时滤波电路中的电容值设定较小，使滤波效果不太好。发现问题后我及时改变了电容值得以解决。3.起初在气敏传感器电路中，继电器1无法接通。分析得出是由于未在继电器线圈负端加二极管使电流回流出错，于是我增加了二极管D1。4.在设计初期使用可控硅控制灯报警电路的闭合，结果灯光闪烁不规则，后查资料得知可控硅是“一触即发”，当T1和T2端加反向电压时可控硅才会断开，原设计不合理，所以后来我改用继电器2作为灯报警电路的控制器。5结束语在本次课程设计中，我综合运用目前所学的电路原理、模拟电子技术、数字电子技术，等专业基础课知识及Protues仿真软件，较