毕业设计（论文）-有运放构成的可燃气体定量显示报警电路.doc

湘湘 潭潭 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 设计题目：由运放构成的可燃气体定量显示报警电路 学号： 姓名： 专业： 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 研究制作一个由运放构成的可燃气体定量显示报警电路。 具体要求如下： （1）能定量显示可燃气体的不同浓度（浓度分别为 0.00%、0.02%、0.06%、0.08%、 0.10%、0.16%、 ） ； （2）能在气体浓度大于 0.16%时报警提醒用户注意； （3）要求低成本设计，适合民用； （4）撰写 8000 字以上毕业设计说明书。 二、重点研究的问题 1、气敏传感器的选择。 2、可燃气体浓度的变化与电压变化的关系。 3、如何实践不同可燃气体浓度的定量显示。 三、进度安排 序号各阶段完成的内容完成时间 1 围绕课题收集相关资料 2010.11.102010.12.15 2 对资料进行分析，准备必要的知识2010.12.162010.1.10 3 根据已掌握的知识得出设计方案2011.1.102011.2.21 4 选择、学习电路仿真的软件2011.2.222011.3.15 5 仿真、焊制电路板、调试2011.3.162011.4.13 6 完成毕业说明书初稿2011.4.142011.5.13 7 对初稿进行修改，完成毕业说明书定稿2011.5.142011.5.20 8 制作 ppt，准备答辩2011.5.212009.5.25 四、应收集的资料及主要参考文献 1 阎石数字电子技术基础（第五版）m北京： 高等教育出版社，2006 2 华成英模拟电子技术基本教程m北京：清华大学出版社，2006 3 王绍中.可燃气体检测之探头及传感变送器m.炼油化工自动化 1994， （2） 4 吴运昌集成电路原理与应用m广东：华南理工大学出版社，1990 5 康华光. 电子技术基础m .高等教育出版社 1998 6 孙良彦. 半导体气敏元件的新进展j;传感器技术；1900（ 02） 7 肖景和.实用报警电路 300 例m.北京市：中国电力出版社 2005.06 8 黄继昌等.实用报警电路m .北京市：人民邮电出版社 2005.01 9 苏文静 、文小玲 、朱琥.可燃气体报警器的设计j.电工电气,2009,05. 10 陈永甫.多功能集成电路 555 经典应用m.北京:电子工业出版社，2008.6. 湘湘 潭潭 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 评评 阅阅 表表 学号 姓名 专业 毕业设计题目： 由运放构成的可燃气体定量显示报警电路 评价项目评 价 内 容 选题 1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到 综合训练的目的； 2.难度、份量是否适当； 3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。 能力 1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力； 2.是否有综合运用知识的能力； 3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力； 4.是否具备一定的外文与计算机应用能力； 5.工科是否有经济分析能力。 设计 质量 1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设 计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表 图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何； 3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。 综 合 评 价 选题符合专业特点和教学计划要求，难度适当，有较强综合性。计算 机应用能力较强，文献综合归纳能力较强。具备一定的设计能力和较好的 研究方法。 说明书格式较规范，用语正确，图表基本正确，篇幅达到要求，文字 表达较通顺。建议评为良好。 评阅人： 2011 年 5 月 日 湘湘 潭潭 大大 学学 毕毕 业业 设设 计计 鉴鉴 定定 意意 见见 学号： 姓名： 专业： 电子信息工程 毕业设计说明书 27 页 图 表 18 张 设计题目： 由运放构成的可燃气体定量显示报警电路 内容提要：本文详细介绍了由运放构成的可燃气体定量显示报警电路的设计与制作 过 程。 该可然气体报警电路由可燃气体检测模块、气体浓度定量显示模块、报警模块 三个模块组成。可燃气体检测模块包括气敏传感器、延时电路及负载电路三部分。 气 体浓度定量显示模块有两种设计方案，一种是采用单片机实现控制功能，达到气体 浓 度定量显示的目的，另一种为采用电压比较器的集成电路设计。通过方案的比较， 本 人在设计中采用电压比较器构成的集成电路。该方案简单，造价比较低，更符合降 低 成本、普及民用的宗旨。该模块包括电压比较电路、sr 锁存电路和 led 灯定量显示 电路三部分。报警模块采用由 ne555 构成的频率振荡器组成报警电路。当气体浓度 为 0%、0.02%、0.06%、0.08%、0.1%、0.16%时， led 发光二极管依次点亮；当气体浓 度大于 0.16%时，报警器发出报警，实现可燃气体浓度定量显示，其功能能满足民 用 的基本要求。 指导教师评语 该生选题难度适当，符合专业教学要求。有较强的文献综合能力和计算机应 用能力。设计期间工作态度好，具备较强的制作能力。有实验结果，工作量较饱满。 说明书篇幅符合要求，文字通顺，用语正确，格式规范，图表无误。 同意其参加答辩，建议成绩评定为良好。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 该生答辩思路清晰，条理分明，表述清楚。能回答绝大部分问题。 经答辩小组评议，答辩小组同意其成绩评定为良好。 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 答辩委员会主任： 年 月 日 目 录 摘要 .1 abstract .1 第 1 章 引言 .2 1.1 本课题研究的背景与意义 2 1.2 国内外的现状和发展趋势 2 第 2 章 方案设计 .4 2.1 整体设计思想.4 2.2 模块方案的选择 4 第 3 章 电路设计 .9 3.1 可燃气体检测模块的设计.9 3.2 气体浓度定量显示模块设计10 3.3 报警模块的设计12 3.4 总结可燃气体定量报警器的组成及工作原理13 第 4 章 制作与调试 15 4.1 电路的仿真15 4.2 电路板的焊制与调试16 毕业设计总结及致谢 17 参考文献 18 附录 1 电路总图.19 附录 2 元件清单 20 1 由运放构成的可燃气体定量显示报警电路由运放构成的可燃气体定量显示报警电路 摘要摘要: :液化气、可燃气等可燃气体作家庭使用燃料越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事 故多。本设计采用气敏传感器将气体浓度变化转变为电压的变化。通过 led 发光二极管定量指示可 燃气体的浓度值，提醒用户注意。它主要是由可燃气体检测、气体浓度定量显示和报警三大部分组 成。该报警器能广泛应用于居民家庭和企事业单位，从而大大降低由可燃气体所引起的中毒、火灾、 爆炸等事故的发生， 保障了人们的生活和生产安全，具有重要的实用价值。 关键词：关键词：可燃气体；qm-n5 ；定量显示；报警器 the combustible gas quantitative display alarming circuit composed of by the op-amp. abstract: more and more families use liquefied petroleum gas, natural gas and other combustible gas as domestic fuel.but these gases are harmful, explosive and hide more accidents.the design of the circuit put gas sensor changes into voltage changes by using gas concentration.led light-emitting diode through the quantitative display indicate the concentration of combustible gases, and remind the users attention.the whole electric circuit of alarm is composed by three parts.they are combustible gas test,uantitative display of gas concentrations and alarm apparatus.the annunciator can be widely used in families .the occurrence rates of the accidents such as poisoning ,fire,burst,etc are deeply reduced.it has an important and practical value. keyword: combustible gas；qm-n5；quantitative display；alarm apparatus 2 第第 1 章章 引言引言 随着石油化工行业的发展，易燃、易爆气体的种类和使用范围都随之增加。这些 气体在使用过程中一旦发生泄漏，与空气混合后将会引发火灾。由于气体本身存在的 扩散性，发生泄漏之后，在外部风力作用下，可燃气体会沿地表面迅速扩散，扩大危 害区域。一旦发生可燃气体泄漏事故，及时可靠地探测空气中可燃气体的含量，及时 采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重 大财产和人员伤亡的必要条件。由于燃气泄漏所引发的爆炸、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。为了使可燃气体更好地造 福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各可燃 气体使用单位及居民用户选择一种适合的燃气报警器实为必要之举。 1.11.1 本课题研究的本课题研究的背景与意义背景与意义 当今的生活当中，天然气，煤气，液化气已经成为人们常用的燃料，然而由于器 具或传输通道老化，很容易发生泄漏事件。若泄漏的可燃性气体或液体蒸汽未被及时 发现，而使气体浓度不断积累，进而达到一定的爆炸极限，则随时可能发生火灾甚至 是爆炸等恶性事故，造成人身伤亡的重大事故，酿成不堪设想的悲剧，国内外均有不 少这方面的报道，其教训是非常深刻的。为了防患于未然，需采用先进的、可靠的安 全监测器严密监测环境中的可燃性气体的浓度，及早发现事故隐患，从而采取有效措 施，确保人身安全。它的重要性已被安全意识日益增强的人们所公认。为此我们希望 研制出一种可燃性气体定量限时报警器，用于监测空气中可燃性气体并定量显示可燃 性液体的浓度，当空气中的可燃性气体浓度达到一定浓度时，指示灯点亮并报警。从 而保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故的发生。 1.21.2 国内外的现状和发展国内外的现状和发展趋势趋势 目前世界上可燃气体报警器的产品规格有 300 到 400 种，可燃气体检测设备从仪 器结构上可检测的方法上可分为便携式、袖珍式和固定式 3 类。便携式检测仪器主 11 要为泵吸式。泵吸式仪器一般有较长的吸样管，以用于危险作业场所对未知浓度的有 害易燃易爆气体进行检测，适用于检测人员定期进行安全接侧和日常检测；袖珍式仪 器的检测方法主要以扩散法为主，适合与在危险作业环境中安全人员随身携带。 目前气体报警器行业主要根据不同的气体来生产不同的报警器。由于气体报警器并 3 不是通用型，比如天然气场合使用天然气报警器，人工煤气场合应使用人工煤气报警 器，液化石油气场合应使用液化石油气报警器或者用液化石油气标定的通用可燃气体 检测报警器，所以会有不同的气体报警器。比如二氧化硫气体报警器、甲醛气体报警 器、t40 单气体报警器等等。 报警服务业在国外发达国家，无论是市场制度的建立完善、行业资源配置的合理、 管理水平的提高、完善的法律保障体系，还是严格的行业规范等等都已经是比较成熟。 中国在可燃气体报警电路的研制也取得了很大的收获。 气体报警器行业市场目前规模不是很大，但未来需求潜力巨大。据华经纵横调查， 全国范围内安装燃气报警器的家庭用户比例不足 10。随着我国对于安全的要求和居 民对自身安全水平的提升，我国可燃气体气体报警器需求将大大增加。 需求状况分析 及预测如图 1.1 所示。 图 1.1 可燃气体报警器需求状况与分析 由于市场上的气敏传感器的价格普遍较贵，一般家用可燃气体报警器的最 低价格要 150 多元，这样严重影响了广大家庭的购买，尤其对于偏远农村家挺。因此 提出本设计，目的在于降低产品成本，促进可燃气体报警器的推广。 4 第第 2 章章 方案设计方案设计 2.12.1 整体设计思想整体设计思想 从功能角度上看可燃气体定量 显示报警电路要实现可燃气体的感 应、将气体的浓度变化转化成电压 的变化、气体浓度的定量显示以及 浓度到达一定程度发出报警。当气 体浓度为 0%、气体浓度为 0.02%、 气体浓度为 0.06%、气体浓度为 0.08%、气体浓度为 0.1%、气体浓度 大于 0.16%时， led 发光二极管依 次点亮。在气体浓度大于 0.16%时， 报警器发出报警。因此本设计分为三个模块：可燃气体检测模块、气体浓度定量显示 模块、报警模块。整体设计思路如图 2.1 所示。 2.22.2 模块方案的选择模块方案的选择 2.2.12.2.1 可燃气体检测模块可燃气体检测模块 该部分主要为气体的感应，将气体的浓度变化转化为电压的变化。实现这一功能 使用气敏传感器。 气体传感器是用来检测气体的成份和含量的传感器。一般认为，气体传感器是一 种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体 5 样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。现在 各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感 器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。 气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型） 、绝缘体传感器（接触燃烧 式和电容式） 、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式） ，还有红外吸收型、石英振 荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。 其中半导体氧化物型气体传感器可以有效地用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、 2 酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气 5 v 电 压 可燃气 体检测 模块 气体浓度 定量显示 模块 报警模块 图 2.1 电路整体设计方框图 5 体地检测。可以广泛用于空气质量检测、食品、香精、香水的质量评定及生产过程控 制，甲烷（天然气、沼气） 、酒精、一氧化碳（城市煤气） 、硫化氢、氨气（包括胺类， 肼类） 。高质量的传感器完全可以满足工业检测的需要。它具有成本低廉、制造简单、 灵敏度高、响应速度快、寿命长、对湿度敏感低和电路简单等优点。半导体传感器因 其简单低价已经得到广泛应用，但是又因为它的选择性差和稳定性不理想目前还只是 在民用级别使用。而电化学传感器因其良好的选择性和高灵敏度被广泛应用在几乎所 有工业场合。这次做的是家用可燃气体 超标报警器，所以选用较常见的 qm-n 系列的传感器。在本次设计中，气敏传 感器的主要检测可燃气体，因此选用气 敏传感器的型号为最常用的 qm_n5，其 外型如图 2.2 所示。 8 当空气中没有可燃性气体时，根据 qmn5 气敏传感器自身特性，它的初始 电阻较大，随着时间的增长逐步下降到 稳定状态。qmn5 气敏传感器-工作特性曲线及外型如图 2.1 所示。使用 qm-n5 型气敏 传感器时还应注意以下几点： a）元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加 1 分钟后达到 稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决. b）加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳. c）元件在接触标定气体 1000ppm c4h10后 10 秒以内负载电阻两端的电压可达到 (vdg- va)差值的 80%(即响应时间);脱离标定气体 1000ppm c4 h1030 秒钟以内负载电阻 两端的电压下降到(vdg- va)差值的 80%(即 恢复时间). d）使用条件:温度-1535;相对湿度 4575%rh;大气压力 80106kpa e）避免腐蚀性气体及油污染,长期使 用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. 综上所述，可燃气体检测模块的方框图如 图 2.3 所示。 2.2.22.2.2 气体浓度定量显示模块气体浓度定量显示模块 该模块通过 led 灯定量显示可燃气体检测模块输出的不同电压，达到定量显示可 图 2.2 qm-n5 气敏传感器 5v 电压 延 时 电 路 图 2.3 可燃气体检测模块方框图 6 燃气体不同浓度的目的。以下提出两个方案： 方案一 ：电路通过单片机实现控制功能，达到气体浓度的定量显示。 1 该模块由四部分组成：放大模块、数模转换模块、单片机、led灯定量显示。工作 流程为：气敏传感器将所需的模拟信号采集放大后传送给ad转换器。再经模数转换 后将数字信号传递至8051单片机，然后通过单片机内部的数据处理，判断led灯是否点 亮。 图 2.4 所示的是主控部分采用 mcs-51 单片机方框图。 放大 电路 a/d 转换 单片 机 led 灯定 量显 示 图 2.4 mcs-51 单片机方框图 方案二：由集成电路设计定量显示电路。 3 根据传感器的原理（元件接触还原性气 体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升 高，相应的分压也会改变。 ）想到用比较电路 来连接传感器便变得无可厚非了，比较器输 出的高低电平通过 sr 锁存器存储状态，输出 电压接 led 灯，实现定量显示。图 2.5 所示 的是主控部分集成电路方框图 方案比较：方案二用的元器件都较为常 见，价格便宜，适用于民用报警器，可以实现降低成本的目的。方案一的设计方法比 方案二要复杂得多，它需要软件硬件两方面的设计，所以选用方案二。 通过可燃检测模块输出电压的变化来定量显示可燃气体的浓度，这一过程通过电 压的比较来实现，因此引入了电压比较器。根据整个系统方案需求，需要用七个电压 比较器，可选用二片四比较器实现，如 tl084、lm324、lm339 等，本设计选用了 tl084。tl084 主要特点如下： a)低输入偏置电压和偏置电流 b)输出短路保护 c)具有结型场效应管（j-fet）高输入阻抗 应用说明： tl084 是四输入运算放大器与高速jfet（结型场效应管）的结合良好的匹配， 高电压的j- fet 和双极晶体管电路在一个回路范围，具有高转换率，低输入偏置和偏 电 压 比 较 电 路 r s 锁 存 器 led 显示 电路 图 2.5 集成电路方框图 7 置电流，低失调电压温度系数，其内部结构如图2.6所示。 图2.6 tl084内部结构图 tl084 各引脚功能是： 4 脚电源，11 接地，1 脚比较器 a 输出 1 ，2 脚比较器 a 反相输入，3 脚比较器 a 同向输入，5 脚比较器 b 同向输入，6 脚比较器 b 反 相输入，7 脚比较器 b 输出，8 脚比较器 c 输出，9 脚比较器 c 反相输入，10 脚比较 器 c 同向输入，12 脚比较器 d 同向输入，13 脚比较器 d 反相输入，14 脚比较器 d 输出。 2.2.32.2.3 报警模块报警模块 传感器通过电导率及电阻值的改变，影响电路输出的电平高低，输出的电平控制 报警电路，随着电压的变化发出报警。因此该模块采用由 555 频率振荡器组成的报警 电路。 ne555 是一种应用特别广泛作用很大的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电 子产品中都有应用。ne555 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提 供时序脉冲。其他 ha17555、lm555、ca555 分属不同的公 司生产的产品。内部结构和工作原理都 相同。ne555 的内部结构可等效成 23 个 晶体三极管、17 个电阻、两个二极管组 成了比较器、rs 触发器等多组单元电路.特 别是由三只精度较高电阻构成了一k5 个电阻分压器，为上、下比较器提供基 准电压，所以称之为 555。ne555 属于 coms 工艺制造。 ne555 引脚介绍如图 2.7 所示。 ne555 的特点有： 图 2.7 ne555 引脚图 1234 5678 接地 输出复位 控制电压门限放电电源 触发 1234567 891011121314 8 a）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范极广， 可由几微秒至几小时之久。 b)它的操作电源电压范围极大，可与 ttl，cmos 等逻辑电路配合，也就是它输出 电位及输入触发电位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 c)其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 d)它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 e)静态电流 最大值 vcc = 5 v, rl = =6ma vcc =15 v, rl = =15ma 。 9 第第 3 章章 电路设计电路设计 3.13.1 可燃气体检测模块的设计可燃气体检测模块的设计 3.1.23.1.2 延时电路的设计延时电路的设计 由气敏传感器 qm-n5 的特性介绍可以知道气敏器件开始工作没有遇到可燃性气体 时，其电阻值也会下降，为了避免一开始错误的报警，因此我们必须设计一个延时电 路来连接。其中气敏器件会经过一分钟左右升至一个稳定值，因此电路的延时时间大 于一分钟。 对于延时电路我自然的想到了用延时积分电路，它可以满足本设计的要求。利用 vd 、r、vd 、c 、r 、vd 、r 组成延时积分电路。其中r 、vd 、c 组成充电 11021 1033121 电路，vd 、c 、r 、vd 、r 组成放电电路。延时电路如图 3.1 所示。 11 1038 6 因此电容 c 的 1 充电时间为 2ln 1101 crt 放电时间为 2ln 18102 crrt 电路的震荡时间为2ln 181010 crrrt 由于电路的延时时间大于一分钟才可以满足设计要求，因此赋值为 kr510 10 ufc470 1 kr8 . 6 10 kr2 . 2 8 图 3.1 延时电路 r10 r10 vd2 vd3 c1 r8 vd1 输出b 输入a 10 即 min7 . 5 1 t 由于在使用过程中，气敏传感器的实际值与理论值有差别，因此并联 22k的滑 动变阻器 r 做负载,提高电路设计的精确度。 3 3.23.2 气体浓度定量显示模块设计气体浓度定量显示模块设计 气体浓度不同时，气敏传感器了电阻，因此转化成了不同气体浓度时候，气敏传 感器输出电压不同。根据不同电压即可以判定不同的浓度。可燃气体浓度为 0.00%、0.02 %、 1.06 %、 0.08 %、 0.1 %、0.16%时通过 led 灯分别定量显示。 3.2.13.2.1 电压比较电压比较 将气敏传感器输出电压依次接到电压比较器的反响输入端。通过分压处理将电 3 压比较器的正向输入端接入不同的电压。由气敏传感器的特性可知，在其负载为 2k，输入电压为 5k时，可燃气体不同浓度时可燃气体检测模块输出电压理论值如 表 3-1 所示。据此设计电路如图 3.2 所示。 表 3-1 可燃气体检测模块输出电压 可燃气体浓 度 0.00%0.02%0.06%0.08%0.10%0.16% 输出电压 （v） 1.89-2.042.41-2.642.76-2.892.98-3.173.21-3.373.89-4.01 r7r9 r18 r19r20 - -+-+- + 输入端b 输 出 端 5v 5v ic2a ic2bic2cic2d cd e f 图 3.2 电压比较电路 由于存在系统误差，所以分压电路中加入了、滑动变阻器。此电路为滑动变 9 r 7 r 11 阻器的一部分与滑动变阻器的一部分串联起来，然后与、组成 7 r 1 r 9 r 2 r 18 r 19 r 20 r 的串联电路并联，该并联电路与、形成串联电路。 17 rr 29 rr 首先确定的值为，的值为.由表 3-1 的值可知,、 7 rk7 . 4 9 rk1 . 4 18 r 19 r 两端的电压约为、.即 20 rv2 . 0v2 . 0v4 . 0321 201918 rrr 两端电压约为并且=、= 29 rr v2 9 rk1 . 4 7 rk7 . 4 430 18 r 430 19 r kr1 20 当、的时候计算的电压比较器各正向端的输入电压为kr7 . 2 1 kr2 2 vv164 . 3 14 vv85 . 2 10 vv59 . 2 11 vv01 . 2 13 在气敏传感器的要求范围内，因此该电路电阻赋值满足要求。 当气体浓度大于 0.16%时，气体传感 器的输出电压变大，将输出电压 b 输送到 电压比较器的反向输入 b 端，正向输入端 电压通过分压电路得到。电路如图 3.3 所 示。 由于当气体浓度大于 0.16%时，气敏 传感器的电压输出范围为（3.89-4.01） v，给定 ，则 390 17 r 输入 vrrrv 262617 5 取 得 ，因此。vv89 . 3 输入 1349 26 r1300 26值为常用值 取r 当时，电压比较器正向输入端电压为=，1300 26 rvv39 . 0 3 . 135 v85 . 3 即可燃气体浓度为时，电压比较器输出端为低电平，led 灯亮。同时可燃气体检 0 0 16 . 0 测模块输出电压接到 555 报警电路部分，电路报警。 3.3.23.3.2 ledled 灯定量显示部分的设计灯定量显示部分的设计 将四运算运放的输出端 c、d、e、f 的电压分别加到由与非门组成的 sr 锁存器 图 3.3 分压比较电路 5v r17 r26 r27 - + 5v 输入b 12 1 c 3 r 4 r 2 c 2 r v5 vcc rst out dis thr tri con cnd 图 3.5 由 ne555 接成的多谐振荡器 输入端 c、d、e、f，该锁存器的 r 端假如高电压，使该 sr 锁存器一直处于打开状态。 4 用于存储电压状态。锁存器输出端依次加上 led 灯，定量显示气体的浓度。电路如图 3.4 所示。 r19 r20 r21 r22led3 led4 led5 led6 led7 r18 输入高电平 输 入 端 c de f 图 3.4 led 灯显示电路 3.33.3 报警模块的设计报警模块的设计 由 ne555 定时器接成多谐振荡 器，其经典电 路如图 3.5 所示 。荡器由 ne555 和, 7 3 r ,，组成，ne555 将触发端 2 脚与阈值输 4 r 1 c 2 c 入端 6 脚相连，并接于充放电电容器上。振荡 1 c 器 5 脚不用，但如果外接一滤波电容到地，可 2 c 提高比较基准电压的稳定性，使电路更稳定，工 作更可靠；8 脚接电源电压；3 脚输出；4 脚为复 位端。 充电时间2ln 1431 crrt 放电时间 2ln 132 crt 故电路的振荡周期为 2ln2 143 crrt 振荡频率为 143 2/44 . 1 crrf 通过改变和的参数即可改变震荡频率。rc 当,时，。复位端输入高电平，ne555kr68 3 kr15 4 nfc100 1 hzf95 置位，由 ne555 和 r3,r4,c1 组成的振荡器起振，扬声器发出频率为 95hz 的音响报警。 13 3.43.4 总结可燃气体定量报警器的组成及工作原理总结可燃气体定量报警器的组成及工作原理 3.4.13.4.1 电路的组成电路的组成 电路总图见附录 1。气体检测电路主要由气敏传感器为主构成；定量显示报警电路 由、 等组成。其中、是一种单电源四运算放大 51 icic 71 ledled 1 ic 2 icptl084 器；是一种四二输入端与非门；由 ne555 接成频率振荡器构成报警0074 43 lsicic 与 电路。 3.4.23.4.2 工作原理工作原理 为了避免一开机就报警现象，在气敏传感器的输出端接入延时积分电路，其目的 就是为了在开机的几分钟内使 iclb脚与 ic2b脚上的电压随的充电逐步建立，在 1 c 这段时间内气体显示报警电路不会报警。 当 qmn5 传感器检测到可燃性气体时，其输出电阻将减小，并与气体浓度成反比， 可燃性气体浓度越高，可燃气体检测模块输出电压越高，四个运算放大器的各个输 2 ic 出端的状态也随之变化，依次点亮,直至点亮并发出报警信号。调 74 ledled 2 led 整的电阻值，就可调整气体浓度检测的灵敏度，进而控制四级电压比较器的输出状 13 r 态。气敏元件在新鲜空气中呈现较大的电阻，两端的电压经与分压后，各输 1 c 3 r 2 ic 入端电压较低，调整使反相输入端电压低于同相输入端电压，四脚输出为 13 r 2 ic d ic2 高电平，的脚为低电平，led4 熄灭，ic4d 的脚为高电子，点亮， c ic4 4 led 3 led 以示气体浓度为 0。当检测到气体浓度增高时，正极处的电压上升，使的凹 1 c d ic2 脚为低电平，的脚为高电平，的脚为低电平，熄灭，而的 c ic4 d ic4 3 led c ic4 脚为高电乎，的脚为低电平，故点亮，以示气体浓度为 002。随着气 a ic4 4 led 体浓度的不断增加，、的输出端依次由高电平变为低电平， c ic2 b ic2 a ic2 发光二极管逐级点亮。当气体浓度大于 016时，的脚反相端电 75 ledled d ic1 压达 401v，而的脚同相端电压山和分压得到 3.85 ，于是电压比较器 d ic1 1 r 2 rv 的脚输出为低电平，导通发光：同时，、管相继导通，经 ne555 d ic1 2 led 1 vt 2 vt 9 定时器结成的多谐振荡器推动扬声器发出报警声，以示气体浓度大于 016。 电路中的、是绿色指示灯，分别表示“准备好”和气体浓度 0。 1 led 3 led 是黄色，表示有一定浓度的可燃性气体。为红色，表示浓度大于 74 ledled 2 led 016。其中用于设定脚上的电压，静态时该点电压应为 05v。调使 3 r b ic1 5 r 处于点亮与熄灭的临界状态。 1 led 14 第第 4 章章 制作与调试制作与调试 4.14.1 电路的仿真电路的仿真 在multisim上画出电路图。 (1)拖放器件到工作区; (2)对器件赋值和标号； (3)调整器件在电路中的位置和方向； (4)连接电路； (5)电路仿真； 按“仿真”按钮,检查电路可行性。测量主要工作点的电压，电流等参数有助于理 解电路的工作原理。电路仿真图如图 4.1、图 4.2 所示。 r1 390 vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v u1a tl074acd 3 2 11 4 1 u2a tl074acd 3 2 11 4 1 u3a tl074acd 3 2 11 4 1 r2 1.3k r5 220 r8 2.2k key=a100% r12 20k key=a 50% r13 2k key=a 50% r14 10k r15 220 u4a tl084cd 3 2 11 4 1 u5a tl084cd 3 2 11 4 1 u6a tl084cd 3 2 11 4 1 u7a tl084cd 3 2 11 4 1 r18 200 r19 400 r20 200 u8a 74ls00d u9a 74ls00d u10a 74ls00d u11a 74ls00d u12a 74ls00d u13a 74ls00d u14a 74ls00d u15a 74ls00d r21 220 r22 220 r23 220 r24 220 r25 220 vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v led2 led1 led3 led4 led5 led6 led7 vcc vdd vdd vcc vdd vcc vcc vdd vdd vcc vdd vcc 41 40 39 38 37 36 35 34 3332 31 30 29 28 26 25 24 22 21 17 15 14 2 0 16 vcc vdd 27 a1 555_virtual gnd dis outrst vcc thr con tri c1 100nf r3 68k 1 r4 15k 3 r6 1k u16 buzzer 200 hz c2 910nf 6 0 5 r7 4.7k key=a50% r9 4.1k key=a50% 8 vcc 11 10 r28 390 r29 2k 43 0 q1 2n2219 q2 2n2219 44 0 r30 510 r31 2.2k r35 6.8k d1 1n4448 d2 1n4448 d3 1n4448 c7 1uf 0 18 4 46 56 0 57 45 图 4.1 可燃气体浓度高于 0.16%时的仿真图 15 r1 390 vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v vcc 5v u1a tl074acd 3 2 11 4 1 u2a tl074acd 3 2 11 4 1 u3a tl074acd 3 2 11 4 1 r2 1.3k r5 220 r8 2.2k key=a50% r12 20k key=a 50% r13 2k key=a 50% r14 10k r15 220 u4a tl084cd 3 2 11 4 1 u5a tl084cd 3 2 11 4 1 u6a tl084cd 3 2 11 4 1 u7a tl084cd 3 2 11 4 1 r18 200 r19 400 r20 200 u8a 74ls00d u9a 74ls00d u10a 74ls00d u11a 74ls00d u12a 74ls00d u13a 74ls00d u14a 74ls00d u15a 74ls00d r21 220 r22 220 r23 220 r24 220 r25 220 vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v vdd -5v led2 led1 led3 led4 led5 led6 led7 vcc vdd vdd vcc vdd vcc vcc vdd vdd vcc vdd vcc 41 40 39 38 37 36 35 34 3332 31 30 29 28 26 25 24 22 21 17 15 14 2 0 16 vcc vdd 27 a1 555_virtual gnd dis outrst vcc thr con tri c1 100nf r3 68k 1 r4 15k 3 r6 1k u16 buzzer 200 hz c2 910nf 6 0 5 r7 4.7k key=a50% r9 4.1k key=a50% 8 vcc 11 10 r28 390 r29 2k 43 0 q1 2n2219 q2 2n2219 44 0 r30 510 r31 2.2k r35 6.8k d1 1n4448 d2 1n4448 d3 1n4448 c7 1uf 0 18 4 46 56 0 57 45 图 4.2 可燃气体浓度为 0.16%时仿真图 4.24.2 电路板的焊制与调试电路板的焊制与调试 电路在焊制过程中比较顺利，但有几点值得注意： a) 焊接之前一定要用砂纸清洁干净电路板和各元器件的引脚，以免局部地方接触 不良。 b) 焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。 c) 焊接时烙铁温度过低或加热时间不足，焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光 滑，有细小裂纹。 d) 在焊接芯片引脚时，焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器 件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。 e) 焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙 铁离开焊点时角度不当造成的。 电路板焊接完成后，主要任务是调试工作。实际工作中，可燃气体报警器应在不 同浓度的可燃气体环境中进行调试，减少系统误差。鉴于环境与时间的影响，我先计 算出理论值，然后根据理论值进行调试。 16 毕业设计总结及致谢毕业设计总结及致谢 经过两个多月的努力，毕业设计接近了尾声。这次毕业设计我收获很大，它是对 我大学四年所学知识的一个系统检查，也让我看到了自身的不足，看清了自己在以后 的努力方向。深刻的体会到了学无止境的深刻内涵。 在这次的设计的起始阶段，我大量的查询相关资料，并分类整理。在确定方案时 走了很多弯路，却正是在这些曲折当中，我感受到了我付出是有价值的。期间，我经 历过心惊胆战的感觉，设计方案总时出现失误，生怕自己做不出。这次毕业设计我收 获很大，包括 multisim 仿真软件的稍微了解到熟练应用，建立了电路设计的初步思想， 学会如何查找所需资料，如何运用资料。 在这次设计的当中我感觉我最大的收获在于，在查找资料的过程中，我对电子行 业有了一定的认识，培养了专业方面的兴趣，提高了分析问题解