(精品论文)基于单片机的煤气检漏仪设计论文

I 毕毕 业业 论论 文文 题目：题目： 基于单片机的煤气检漏仪设计基于单片机的煤气检漏仪设计 学学 号：号： 姓姓 名：名： 专业班级：专业班级： 指导教师：指导教师： 完成日期：完成日期： II 摘要摘要：随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段传感器技术得到了显著 的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器 技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握 各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。 为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器的深入研究以及其用 法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。本文利用单片机结合 传感器技术而开发设计了这一烟雾监控系统。 本论文以电阻式烟雾传感器和单片机技术为核心并与其他电子技术相结合， 设计出一种技术水平较好的烟雾报警器。其中选用 MQ-2 型半导体可燃气体敏感元 件烟雾传感器实现烟雾的检测，具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点， 而且价格低廉，使用寿命长。选用的 STC12C5410AD 单片机，其整合了 A/D 转 换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具 有高速、低功耗、超强抗干扰等优 点，是目前同类技术中性价比较高的产 品。 以 STC12C5410AD 单片机和 MQ-2 型半导体电阻式烟雾传感器为核心设计的 烟雾报警器可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及 与上位机串口通信等功能。是一种结构简单、性能 稳定、使用方便、价格低廉、 智能化的烟雾报警器。具有一定的实用价值。 关键词关键词：烟雾，报警器，STC12C5410，传感器 III Abstract: While “information age” the arrival, obtained the remarkable progress as the gain information method - - sensor technology, its application domain is more and more widespread, is more and more high to its request, the demand is more and more urgent.The sensor technology has become weighs one of national science and technology level of development important symbols.Therefore, understood and grasps each kind of sensor the basic structure, the principle of work and the characteristic is extremely important. In order to enhance to the sensor understanding and the understanding, in particular to the smog sensor thorough research as well as its usage and the use, based on practical, widespread and the model principle has designed this system.This article used the monolithic integrated circuit union sensor technology to develop has designed this smog supervisory system.。 The present paper take leaves the minor smog sensor and the monolithic integrated circuit technology unifies as the core and with other electronic technology, designs one kind of technical level good smog alarm apparatus.In which selects the 2M007 semiconductor resistance type smog sensor realization smog the examination, has the sensitivity high, responds, the antijamming ability quickly strong and so on the merits, moreover the price is inexpensive, the service life is long.Selects the STC12C5410AD monolithic integrated circuit, its conformity A/D transformed, the hardware multiplier, resources and so on hardware PDM keyer, has high speed, low merits and so on power loss, ultra strong antijamming, is the present similar technology neutral price quite high product. May realize the acousto-optics take the STC12C5410AD monolithic integrated circuit and the 2M007 semiconductor resistance type gas sensor as the core design smog alarm apparatus to report to the police, the breakdown from the diagnosis, the density IV demonstrated, reports to the police limits the establishment, the time delay reports to the police and with functions and so in position machine serial port correspondence.Is one kind of structure simple, the performance stable, the easy to operate, the price inexpensive, the intellectualized smog alarm apparatus.Has certain practical value. Key word: Smog, Alarm apparatus, STC12C5410, Sensor 目目 录录 一、一、 绪论绪论.1 1 （一）（一）课题背景课题背景1 1 （二）（二） 目的和意义目的和意义.1 1 （三）（三） 技术指标技术指标.1 1 （四）课题方案的设计（四）课题方案的设计2 2 二、总体电路设计二、总体电路设计.2 2 （一）（一） 电路方框图及工作原理电路方框图及工作原理.2 2 （二）整机电路图及工作原理（二）整机电路图及工作原理3 3 （三）本章小结（三）本章小结4 4 三、单元电路的设计与分析三、单元电路的设计与分析.4 4 （一）计数器（一）计数器5 5 V （二）译码器（二）译码器7 7 （三）检测地址显示电路（三）检测地址显示电路8 8 （四）八选一模拟电子开关（四）八选一模拟电子开关CD4051CD40519 9 （五）巡回检测与报警电路（五）巡回检测与报警电路1111 （六）继电器原理说明（六）继电器原理说明1515 （七）本章小结（七）本章小结1616 四、四、 整机电路的安装与调试整机电路的安装与调试.1616 ( (一一) ) 整机电路的安装整机电路的安装1616 （二）元器件检测（二）元器件检测1818 ( (三三) ) 总体电路的调试总体电路的调试.2020 ( (四四) )本章小结本章小结2121 五、五、结结 论论.2121 参考文献参考文献.22 致致 谢谢.2 23 3 1 一、一、 绪论绪论 （一）（一） 课题背景课题背景 近年来，全国煤气行业发展迅猛，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，由于燃气泄露所引发的爆炸、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露而引发的爆炸及火灾事故。 煤气报警器的核心是气体传感器，俗称“电子鼻” 。当气体传感器遇到燃气时， 传感器电阻随燃气浓度而变化，随之产生电信号，供煤气报警器后级线路处理。 经过电子线路处理变成浓度成比例变化电压信号，由线性电路加以补偿，使信号 线性化，经处理、逻辑分析，输出各种控制信号，即当燃气浓度达到报警设定值 时，煤气报警器发出声光报警信号并启动外部设备（电磁阀或排气扇）工作。 （二）（二） 目的和意义目的和意义 通过本次设计对电子电路、电子元器件等方面知识有了进一步学习，同时在 排版调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到了全面的锻炼和提高。 进一步培养了我独立学习与独立完成工作的能力。是对大学四年所学专业知识的 温习与运用。 通过这次设计培养了我懂得在工程技术工作中必须的全局观和经济 观，同时对计数器、译码器、八选一模拟电子开关、传感器等功能得到了学习， 扎实基础，扩充知识。本次设计题目是八通道煤气泄露巡回检测器，核心电路是 传感器电路，当煤气泄露的浓度为 0.3%时，声光报警电路工作，从而保障了生命、 财产的安全。在老师和同学的指导与帮助下顺利完成了总体电路的设计与调试。 同时掌握设计方案及适用要求。 2 （三）（三） 技术指标技术指标 1、数字显示通道数 2、每路检测时间为 2S 3、当检测到煤气泄露时有声光报警 （四）课题方案的设计（四）课题方案的设计 采用数字电路进行设计。数字电路调试简单，价格便宜、低功耗、控制功能 强及运算速度快等特点。用 LED 数码管来显示译码器所输出的信号。采用了 CD40 系列中小规模集成芯片。 二、二、 总体电路设计总体电路设计 本章主要说明总体电路的设计方案，本次设计主要用数字电路来完成总体电 路的设计。数字电路设计简单，易于调试。 （一）电路方框图及工作原理（一）电路方框图及工作原理 计数器译码器检测地址显示电路 巡回检测时基电路 煤气泄露检测电路（1） 煤气泄露检测电路（8） 八 选 一 模 拟 电 子 开 关 声光报警电路 3 图 2-1 八通道煤气泄露巡回检测器方框图 八通道煤气泄露巡回检测器方框图如图 2-1 所示，此电路是由八路煤气泄露 检测电路、计数器、译码器、检测地址显示电路、声光报警电路、巡回检测时基 电路、八选一模拟电子开关组成。当某通道煤气泄露检测电路检测到通道内有煤 气泄露时，八选一模拟电子开关相应的开关闭合，驱动声光报警电路工作，从而 产生声光报警。同时巡回检测时基电路工作，启动计数器计数，计数器输出端输 出的信号送给译码器，译码器驱动检测地址显示电路显示巡检的地址号。 （二）整机电路图及工作原理（二）整机电路图及工作原理 4 CP。 Q4 Q5 Q6 7 R 5 Q7 4 GND Vcc 12 6 9 CP。 10 CP 11 IC1 CD 4060 RP 450K R11M C1 0.1uF D1 IN4148 C2 0.1uF R2 100K LT LE BI 7 1 2 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14 15 A0 A1 A2 A3 8 16 Vcc GND Yf Yg Ya Yb Yc Yd Ye IC2 CD 4511 a bf c g d e dp f g a b c d e GND R3 2.4K 9013 BG1 D2 J J R4 1K R5 2.2k D4 D3 。 R6 100K C3 100uF GND Vcc QM-N10 RP1 10K RP22M C4 47 D5 IC4 IC5 Vcc 1 2 3 4 56 9 10 11 3 12 13 14 15 1 2 4 5 8 16Vcc GND IC3 CD 4051 6 7 A B C O/II/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O INH Vee IC6 IC7 8 9 1011 12 13 C5 0.1uF R8 470K R9 3.6M R102.2K 9013 BG2 D6 。 。 R11 270 R7 330 D7 。 GND GND Vcc Vcc CD4011 图 2-2 八通道煤气泄露巡回检测器电路原理图 八通道煤气泄露巡回检测器自动巡回检测八路地址。如图 2-2 所示，集成电 路 IC1、IC2、IC3 是计数、地址号显示、巡检部分的关键器件。C2 和 R2 是 IC1 的清零电路，RP、R1、C1 和 IC1 的内部电路组成振荡器，调节 RP 能改变振 荡频率，从而改变巡回检测速度。从 IC1 的 Q4、Q5、Q6 输出的信号一路送给 IC3，另一路送 BCD7 段锁存/译码/显示驱动器 IC2，驱动七段共阴 LED 数码 管，显示巡检的地址号。另外从 Q7 输出的信号通过二极管 D1 送至 IC1 的清零端 R，使 IC1 重新清零计数，达到周而复始巡回检测的目的。IC3 是八选一电子模 拟开关，由 IC1 输出的二进制信号控制电子开关实现八选一，当 IC1 输出 5 “000”时，开关接通第一路煤气泄露检测电路，地址显示为“0”，当 IC1 输出 “001”时，开关接通第二路煤气泄露检测电路，地址显示为“1”，其余依次类 推。煤气泄露检测电路和声光报警电路主要是由气敏传感器、蜂鸣器和一片具有 四个二输入与非门 CMOS 电路组成。IC4、RP2、D5、C4 组成开机延时电路，设 计开机延时电路以免引起开机初期时的误报警。RP1、QM-N10 组成报警点设定电 路。QM-N10 气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十千欧，接触到有害 气体时，电导率增大，电阻值急剧下降，下降幅度与瓦斯浓度在 0.5%以下成正比。 将 QM-N10 置于浓度为 0.3%的煤气气样中，调整 RP1 使 IC4 输出(脚)端由高 电平转换为低电平，末级声光报警电路发出声光报警。IC6、IC7、R8、R9、C5 组成门控振荡器。当煤气泄露达到报警点时，IC5 输出（脚）端由低电平变为 高电平，IC5 输出（脚）端的高电平送给 CD4051 的输入端，CD4051 的输出 （脚）端输出的信号使门控振荡器振荡，驱动由 BG2、D6、D7、R7、R11、蜂 鸣器组成声光报警电路工作；同时 IC5 反相后脚输出为高电平通过 D4、R6、 驱动 BG1 导通 J 吸合，启动抽气扇（即黄色发光二极管）工作，当泄露的煤气浓 度低于报警点时，声光报警电路停止工作，R4、D3 组成的抽气扇延迟电路，电路 延时 10 秒后，J 释放，抽气扇停止工作3。 （三）本章小结（三）本章小结 本章主要介绍了电路的组成、工作原理及整机原理图。整机电路主要由显示 电路、检测电路、报警电路及排气电路四大部分组成。 三、单元电路的设计与分析三、单元电路的设计与分析 本章按照电路结构和工作特点讲解计数器、译码器、显示器、八选一模拟电 子开关、传感器及报警器，再介绍半导体二极管的伏安特性、继电器。 （一）计数器（一）计数器 6 计数器是由十四位二进制串行计数器/分频器CD4060 构成，下面主要介 绍 CD4060 工作原理。 CD4060 由两部分组成：14 级分频器和振荡器组成。分频器是由 T 型触发器 组成的 14 位二进制串行计数器。振荡器由外接电阻和电容构成 RC 振荡器电路， 也可以通过外接晶体构成高精度的晶体振荡器。CD4060 在时钟脉冲下降沿作用下 作增量计数。所有输入端和输出端都有缓冲级。CD4060 有 14 级计数级，但只有 Q4-Q10，Q12-Q14 共 10 个引出端，而 Q1，Q2，Q3 和 Q11 等 4 个端头均不引 出。图 3-1 为 CD4060 引脚图1： 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 CD4060 Q12 Q13 Q14 Q6 Q7 Q5 Q4 GNDCP。 CP。 CP1 Cr Q9 Q8 Q10 Vcc 图 3-1 CD4060 引脚排列图 CD4060 各引脚功能： Q4Q10：输出端 Q12Q14：输出端 Cr：清零端 CP0、CP1：脉冲输入端 CP。 Vcc：电源 GND：地 1 1、典型的、典型的 RCRC 振荡器电路振荡器电路 CD4060 内部构成的 RC 振荡器与用小规模门电路构成的 RC 振荡器的电路是 一样的。只要改变 R、C 的值，可得到不同振荡频率（如图 3-2 所示）。振荡频 率与 RC 之间有以下近似关系： 7 f （3-1） RC2 . 2 1 本次设计要求每路检测时间 T=2S，即 CD4060 的脚输出的脉冲宽度为 2S，由 f=得，f=0.5Hz，已知 C=0.1uF，由公式（3-1）计算得，R1M。 T 1 14。 。 11109 RsRC 图 3-2 CD4060 中的 RC 振荡器 电阻 RS 是为了改善振荡器的稳定性，减少由器件参数的差异而引起振荡周期 的变化。RS 的值应尽量大于 R。虽然 RS 的值在很宽的范围内都能起振，但当 RS=10R 时，即使电源电压有所调整，振荡周期的变化也将大为减小。CD4060 最 小可得到 16 分频，最大可得到 16384 分频2。 2 2、典型的晶体振荡器、典型的晶体振荡器 用 CD4060 内部的门电路构成的晶体振荡器与用小规模门电路构成的晶体振 荡的电路是一样的（如图 3-3 所示）。图中电阻 RF 是一个反馈电阻，使本来工 作在开关状态的与非门工作在电压传输特性过渡区，RF 的值可在几兆到几十兆欧 之间选取，通常选取 22 兆欧。石英晶体与电容组成反馈网络，晶体工作在并联揩 振状态，呈感性。反馈是通过输出端电容和输入端电容的分压来进行的。调节可 变电容 CT 的值，即可将振荡器调整到一个精确值。由于石英晶体具有负温度系数， 而电容具有正温度系数，可以相互抵消，使振荡频率稳定、准确。 14。 。 1011 C RF T 8 图 3-3 CD4060 中的晶体振荡器 （二）译码器（二）译码器 译码器主要由 BCD-锁存/7 段译码/驱动器CD4511 构成，本节主要介绍 CD4511 工作原理。 CD4511 是 BCD-7 段锁存译码驱动器，是一个用于驱动共阴极 LED（数码管） 显示器的 BCD 码七段译码器，具有 BCD 转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱 动功能的 CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动 LED 数码显示器。其中 ABCD 为 8421BCD 码输入，A 为最低位。为灯测试端，当加高电平时，显示器 LT 正常显示数字，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检 查显示器是否有故障。为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示 BI 时，端加高电平。另外 CD4511 有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数 BI 9（1001）时,显示字形也自动消隐。LE 为锁存控制端高电平时锁存，低电平时 传输数据。YaYg 是 7 段输出，可驱动共阴极数码管。图 3-4 为 CD4511 引脚 图，表 3-1 为 CD4511 真值表。 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 A B C D LT BI LE GNDYe Yd Yc Yb Ya Yg Yf Vcc CD4511 图 3-4 CD4511 引脚排列图 CD4511 各引脚功能： A、B、C、D：8421BCD 码输入端 LE：数据锁定控制端 Vcc：电源电压 GND：地 9 YaYg：数据输出端 ：测试输入端 LT ：消隐输入控制端 BI 表 3-1 CD4511 真值表 输入输出 LEBILTDCBAYaYbYcYdYeYfYg 显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 8 消隐 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 消隐 111 锁存锁存 （三）（三） 检测地址显示电路检测地址显示电路 显示电路选用的是共阴 LED 数码显示器。 1、显示器原理（数码管） 数码管是数码显示器俗称。常用数码显示器有半导体数码管、荧光数码管、 辉光数码管和液晶显示器等。 10 本设计所选用的是半导体数码管作为显示器，半导体数码管是用发光二极管 （简称 LED）组成的字形来显示数字，七个条形发光二极管排列成七段组成的字 形，便构成半导体数码管。半导体数码管分为共阳极和共阴极两种类型。共阳极 数码管的七个发光二极管的阳极接在一起，而七个阴极则是独立的。共阴极数码 管与共阳极相反，七个发光二极管的阴极接在一起，而阳极是独立的。 当共阳极数码管的某一阴极接低电平时，相应的二极管发光，可根据字形使 某几段二极管发光，所以共阳极数码管需要输出低电平有效的译码器去驱动。共 阴极数码管则需输出高电平有效的译码器去驱动。 2. LED 数码显示器的连接方法 (1)共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳 极接+5V，每个发光二极管阴极通过电阻与输入端相连。当阴极端输入低电平时， 该段发光二极管就导通点亮，而输入高电平时则不点亮。 (2)共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成公共阴极，使用时公共阴 极接地。每个发光二极管阳极通过电阻与输入端相连。当阳极端输入高电平时， 该段发光二极管就导通点亮，而输入低电平时则不点亮。在本设计中所采用的是 共阴极 LED 数码显示器，其引脚排列如图 3-5 所示： +Vcc abcdef g R a b c d e fg 1 2 3 4 5 678910 fga b hcde GND GND h 图 3-5 数码显示器引脚排列图 （四）八选一模拟电子开关（四）八选一模拟电子开关CD4051CD4051 CD4051 相当于一个单刀八掷开关，有三个二进制控制输入端。开关接通哪一 路，由输入 3 位地址码 A、B、C 来决定。“INH”是禁止端，当“INH”=1 时， 11 各通道均不接通。此外，CD4051 还设有另外一个电源端 VEE，以作为电平位移时 使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能 直接控制这种多路开关。图 3-6 为 CD4051 引脚图，表 3-2 为 CD4051 真值表。 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 CD4051 I/O0 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 I/O5 I/O6 I/O7 O/I A B C INH Vee GND Vcc 图 3-6 CD4051 引脚排列图 CD4051 各引脚功能： I/O0I/O7：独立 I/O 端 O/I：公共 O/I 端 INH：禁止输入端 A、B、C：二进制控制输入端 Vee：电源电压 GND：地 Vcc：电源电压 表 3-2 CD4051 真值表 输入状态 INHCBA 接通通道 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 2 3 4 5 6 7 1 均不接通 12 （五）（五） 巡回检测与报警电路巡回检测与报警电路 巡回检测与报警电路主要由 CMOS 二输入与非门、气敏传感器、蜂鸣器、半导 体二极管、三极管、电阻等组成。 1 1、 CMOSCMOS 与非门工作原理与非门工作原理 （1）电路组成与符号 本次设计中用到的是 CMOS 与非门为二输入。图 3-7 为 CMOS 二输入与非门 电路组成与符号图。在图 3-7（a）中，两个 P 沟道增强型 MOS 管 TP1、TP2 并 联，两个 N 沟道增强型 MOS 管 TN1、TN2 串联，TP2、TN2 的栅极连接起来成为 输入端 A，TP1、TN1 的栅极连接起来是输入端 B。 A B +Vdd +5V Y TT T T Vss u u A B P1P2 N1 N2 uY & A B Y Y=A.B （a）电路 （b）符号 图 3-7 CMOS 与非门电路组成与符号图 （2）工作原理 在图 3-7（a）所示电路中，uA、uB 只要有一个为低电平 0V，TN1、TN2 中 就总有一个截止，TP1、TP2 中就总有一个导通，因此 uY 一定为高电平 5V；只 有当 uA、uB 同时为高电平 5V 时，TN1、TN2 才会都导通，TP1、TP2 才会都截 止，uY 才会为低电平 0V。综上所述，可得如表 3-3 所示电平关系表。如果用 A、B、Y 分别表示 uA、uB、uY,且采用正逻辑，则可得如表 3-4 所示真值表。 表 3-3 与非门电平关系表 uA/V uB/VuY/V 00 05 5 5 13 50 5 5 5 0 表 3-4 与非门逻辑真值表 A BY 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 2 2、 传感器原理说明传感器原理说明 本次设计所用传感器是 QM-N10 型气敏传感器，此元件采用陶瓷半导体工艺， 形成了优良的陶瓷烧结体，使元件具有稳定的 RO 电阻，保证了长期工作稳定，自 然贮存失败率降至 0.2%以下。具有良好的温度特性，元件功耗降至 0.5W 以下， 对瓦斯有极高的灵敏度，并有较高的信噪比。 1.适用范围：天然气、煤气、液化石油气。 2.响应时间：ts10 秒 3.恢复时间：tc60 秒 4.加热电压：Vf=5V0.5V 5.加热功率：0.5W(加热丝冷电阻 Rf=502) 6.QM-N10 特性曲线 传感器的特性是指传感器的输入量和输出量之间的对应关系。 （1）QM-N10 典型特性曲线 在瓦斯气体浓度 0.5%以下有较高的灵敏度系数，同时具有极好的温度特性， 当加热电压由 4.5V5.5V 变化时灵敏度系数变化不大，从而减化了整机电源电 路。图 3-8 为 QM-N10 典型特性曲线： 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5%Vol (。) (。) Vf=4.5V Vf=5V Vf=5.5V 0 20 40 60 80 60 120 t 。 。 14 图 3-8 QM-N10 典型特性曲线图 图 3-9 QM-N10 初始送电特 性曲线图 （2）QM-N10 初始送电特性曲线 该元件贮存时电阻值在数十千欧，送电后阻值随时间增加急剧下降至数百欧， 然后缓慢增加趋于稳定。QM-N10 初始送电特性曲线如图 3-9 所示： （3）QM-N10 的经时特性曲线如图 3-10 所示： 0 20 40 60 80 。100 200 300 100 Ro 图 3-10 QM-N10 经时特性曲线图 从图 3-10 看出该元件在长期送电工作时 RO 阻值变化比较平稳，其寿命超过 三年。 3 3、传感器工作电路、传感器工作电路 该元件工作时不受水汽、烟雾乙醇的干扰(欲称单谱气敏元件),分辨率大于 3。适用于家用燃气检测报警及控制开关。图 3-11 为传感器测量电路，工作电路 如图 3-12 所示。 RL* 10K 1 2 34 5 6 Uh Ua Ub 。 5V AA BB ff 。 5V 。 。 。 图 3-11 传感器测量电路图 图 3-12 传感器工作电路图 Ua 工作电压 415V；UH 工作电压 5.0V0.2（工作电流约 140mA）。所 以 Ua 与 UH 可共用电源+5V。检测气体浓度可按标准室内体积的百分浓度计量。 调节传感器的灵敏度，当燃气泄露的浓度对天然气达（0.20.3）%，对石 油液化气达（0.10.2）%时，发出声光报警和输出控制信号（使电磁阀切断气 15 源）。该元件的主要参数是元件阻值 Ra 和 Rg。Ra 代表元件在清洁空气 Ua 对 Ub 间的阻值；Rg 代表元件在检测气体中 Ua 对 Ub 间的阻值。Ra 值为 5100（K）；Rg 值为 1.616（K）。并定义 S（灵敏度）为： S=3 （3-2） Rg Ra 4 4、蜂鸣器原理说明、蜂鸣器原理说明 1.蜂鸣器的介绍 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，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、电子玩具、电话机、定时器、汽车电子设备等 电子产品中作发声器件。 2.蜂鸣器的分类 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。 （1）压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱等组成。 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构 成。当接通电源（1.5V15V 直流工作电压）时，多谐振荡器起振，输出 1.52.5kHz 的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 （2）电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电 源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生电磁场。振动 膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。在本次设计中用到的 是电磁式蜂鸣器。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来 驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。 5 5、半导体二极管的特性、半导体二极管的特性 半导体二极管是利用 P 型半导体和 N 型半导体掺杂在一起而做成的。在二者 16 的交界处将形成一个 PN 结。当 PN 结正向偏置时，回路中将产生较大的正向电流， PN 结处于导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于 零，PN 结处于截止状态。因此，二极管具有单向导电性。本次设计中用到的是 4148 型半导体二极管，下面主要介绍半导体二极管的伏安特性。如图 3-13 为半 导体二极管的伏安特性曲线。 0.51.01.5 0 10 20 30 1020 U 。 。 。 Is BR 。 U/V I/mA 2 4 -I/mA 图 3-13 半导体二极管伏安特性曲线 特性曲线分为两部分：加正向电压时的特性称为正向特性；加反向电压时的 特性称为反向特性。 1.正向特性：当加在二极管上的正向电压比较小时，正向电流很小，几乎等 于零，只有当加在二极管两端正向电压超过某一数值时，正向电流才明显地增大。 正向特性上这一数值通常称为“死区电压”。死区电压的大小与二极管的材料以 及温度等因素有关。当正向电压超过死区电压以后，随着电压的升高，正向电流 将迅速增大。电流与电压的关系基本上是一条指数曲线。 2.反向特性：当在二极管上加反向电压时，反向电流值很小。而且当反向电 压超过零点几伏，反向电流不再随着反向电压而增大，即达到饱和，这个电流称 为反向饱和电流。如果反向电压继续升高，当超过 UBR 以后，反向电流将急剧增 大，这种现象称为击穿。UBR 称为反向击穿电压。当二极管击穿以后，不再具有 单向导电性。 （六）继电器原理说明（六）继电器原理说明 17 继电器是一种电子控制器件，继电器具有控制系统和被控系统，通常应用于 自动控制电路中，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。继电器主要分别电磁继 电器、干簧管继电器、固态继电器等。本次设计中用到的是电磁继电器，下面介 绍电磁继电器的工作原理。 电磁继电器由线圈、铁心、带触点的簧片、衔铁等组成。图 3-14 为继电器的 内部组成图： 。 。 。 图 3-14 电磁继电器内部组成图 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，电磁的吸引力也随之消失， 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。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”7。 （七）（七） 本章小结本章小结 本章主要介绍了 CMOS 集成电路、气敏传感器、蜂鸣器、电磁继电器、半导体 二极管的工作原理及特性。 四、四、 整机电路的安装与调试整机电路的安装与调试 在元器件接入电路之前，首先要检测各元器件是否损坏，以必免在调试整机 18 电路带来不必要的麻烦。本章主要说明元器件的检测方法、整机电路的调试及焊 接工艺。 （一）（一） 整机电路的安装整机电路的安装 1 1、合理布局、合理布局 电路在安装前要将各级进行合理布局，一般按照电路的顺序一级一级地布局， 在此过程中我们本着以下原则： 1.了解元件管脚功能。 2.布线尽可能少，合理进行布线。 3.电源线用红线，地线用黑线。 4.布线规律有制，尽量减少交叉。 5 美观大方。 注意事项： 1.防止接线短路。 2.元件注意不可接反。 2 2、焊接工艺、焊接工艺 采用焊接技术将元器件连接起来。焊接是使元器件连接的一种方法。它利用 加热手段，在两种金属的接触面，通过焊接材料的原子或分子的相互扩散作用， 使两种金属间形成一种永久的牢固结合。利用焊接的方法进行连接而形成的接点 叫焊点。 1.焊接工具 （1）发热元件 （2）烙铁 2.焊接材料 （1）焊料 19 （2）助焊剂 3.助焊剂的作用 （1）除去氧化膜 （2）防止氧化，减小表面张力，增加焊锡的流动性,使焊点美观。 4.对助焊剂的要求 （1）熔点应低于焊料，表面张力、粘度、比重小于焊料。 （2）残渣应容易清除，不腐蚀母料，不能产生有害气体。 5.锡焊的条件 （1）焊件必须有充分的可焊性。 （2）焊件表面必须保持清洁。 （3）使用合适的焊剂，加热到适当的温度。 3 3、手工焊接技术、手工焊接技术 为了保证焊接的质量，掌握正确的操作步骤是非常重要的。正确的操作步骤 分为以下五骤： 1.准备施焊：左手拿焊丝，右手握烙铁，随时处于焊接状态。要求烙铁头保 持干净，表面镀有一层焊锡 2.加热焊件：应注意加热整个焊件全体，是焊件均匀受热。烙铁头放在两个 焊件的连接处，时间为 12S。 3.送入焊丝：当焊件加热到一定温度后，焊丝从烙铁对面接触焊件，注意不 要把焊丝送到烙铁头上。 4.移开焊丝：当焊丝熔化一定量后，将焊丝向左上 45方向移开。 5.移开烙铁：焊锡浸润焊盘或焊件的施焊部位后，向右上 45方向移开烙铁， 完成焊接。 （二）元器件检测（二）元器件检测 20 1晶体三极管管脚、质量判别 可以把晶体三极管的结构看作是两个背靠背的 PN 结，对 NPN 型来说基极是 两个 PN 结的公共阳极，对 PNP 型管来说基极是两个 PN 结的公共阴极，分别如图 4-1 所示4： （a）NPN 型 （b）PNP 型 图 4-1 晶体三极管结构示意图 （1）管型与基极的判别 万用表置电阻档，量程选 1K 挡（或 R100），将万用表任一表笔先接某一 个电极假定的公共极，另一表笔分别接其它两个电极，当两次测得的阻值一大、 一小相差很多，则前者假定的基极有错，就更换其它电极重新进行测量。根据上 术方法，可以找出公共极，该公共极就是基极 B，基公共极是阳极，该管属 NPN 型管，反之则是 PNP 型管。 （2）发射极与集电极的判别 当三极管基极 B 确定后，便可判别集电极 C 和发射级 E，同时还可以大 至了解穿透电流 ICEO 和电流放大系数 的大小为使三极管具有电流放大作用， 发射结需加正偏置，集电结加反偏置。如图 4-2 所示： 21 （a）NPN 型 (b) PNP 型 图 4-2 晶体三极管的偏置情况 以 PNP 型管为例，若红表笔（对应表内电池负极）接集电极 C，黑表笔接 E 极，（相当 C、E 极间电源正确接法），如图 4-3 所示，这时万用表指针摆动很 小，它所指示的电阻值反映管子穿透电流 ICEO 的大小（电阻值大，表示 ICEO 小） 。如果在 C、B 间跨接一只 RE=100K 电阻，此时万用表指针将有较大幅度摆动， 它指示的电阻值较小，反映了集电极电流 IC=ICEO+IB 的大小。且电阻值减小 愈多表示 愈大。如果 C、E 极接反（相当于 C-E 间电源极性反接）三极管处于 倒置工作状态，此时电流放大系数很小（一般1），万用表指针摆动很小。因此， 比较 C-E 极两种不同电源极性接法，便可判断 C 极和 E 极了6。 图 4-3 晶体三极管集电极 C、发射极 E 的判别 2电位器质量的判断 （1）测固定端 用万用表欧姆档测电位器的两个固定端，看阻值是否与标称值一致，如果一 致证明电位器是好的。 （2）测滑动端与任意一固定端 移动滑动端若万