有害气体检测报警系统设计

本科毕业设计论文题 目: 有害气体检测报警系统设计专业名称学生姓名指导教师毕业时间 2014 年 6 月 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文I毕业设计任务书一、题目工矿企业九路有害气体实时监测报警系统设计二、指导思想和目的要求通过毕业设计使学生对所学测控及自动化基本理论加深理解，掌握测控系统设计的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。要求在毕业设计中：1设计工业生产线及厂房等要害部位易燃易爆等有害气体气体泄漏自动实时遥测报警系统。具有九路遥测、声光报警和泄漏位置显示功能；2分析设计要求，提出系统方案；3选择监控传感器，设计遥测系统电路；4设计遥控传输系统电路，进行电路设计计算，选择系统及电路组部件，元器件；5设计报警和泄漏位置显示系统，进行电路设计，选择电路组部件及元器件；6设计简易报警系统，制作和调试简易报警电路演示实物；7撰写毕业设计论文。三、主要技术指标1. 功能和性能：监控对象：工业生产线及厂房、住宅有害气体泄漏遥测遥控范围：500-1000m；监控点：9 个；遥测遥控路数：9 路；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文II报警方式：声，光、显示泄漏位置2. 出总电路图和各部分电路图、出元器件名细表。3. 制作和调试简易报警电路演示实物。四、进度和要求1. 1-3 周：收集查阅资料；2. 4-6 周：完成总体方案设计；3. 7-8 周：完成系统各部分电路分析和设计；4. 9-11 周：完成电路组部件及元器件选择；5 12-13 周：完成毕业设计论文、实物制作.五、主要参考书及参考资料 樊尚春等， 检测技术与系统 ，北京航空航天大学出版社； 方佩敏， 新编传感器原理。应用。电路详解 ，电子工业出版社； 张福学， 传感器应用及其电路精选 ，电子工业出版社.学生 指导教师 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文III摘要工业生产中的有害气体作为一种高新能源,近年来在生产和生活中都得到了广泛的使用,但由于其具有易燃、易爆的特点,一旦空气中的浓度超过可燃气体的爆炸极限,遇到明火源就会发生燃烧爆炸事故,严重威胁着公众的财产和生命安全。尤其对于我国正处于高速工业发展中的国家来说,生产安全更是重中之重，所以本论文针对工业生产的安全报警系统做出设计，本文主要的研究思路及成果包括下面几点:1.有害气体检测报警系统就是要解决以上安全问题，它由气体传感器元件对厂房车间内有害气体含量进行检测、数据分析、电路转换、打包后，经T94W4 与 T2068CK 收发模块，发送到中心监测计算机进行分析，对有害气体浓度以曲线和数据方式显示、超限报警，并对相关历史数据进行存储管理。 2.本文介绍了有害气体检测的理论基础和方法,在本设计中，我们运用了“模拟电子技术”和“数字电子技术”两门课程的知识来综合完成设计。电路为遥测遥控电路、气敏传感元件、数字集成电路、触发及报警音响(蜂鸣器)电路等组成。 3.最后通过实物组装及调试测试，此次设计的有害气体报警器对其可测范围内的有害气体液化气、甲烷、酒精、氢气、烟雾等有害气体可有效探测及达到声光报警效果，可实际用于家庭以及工矿企业的检测报警，而且具有小巧便携的特点。同时其原理可适用不同功能的气体传感器探头，对工业日益发达的我国有着广阔的发展前景。关键词:有害气体，报警器，收发模块，传感器西北工业大学明德学院本科毕业设计论文IVAbstractIndustrial production of harmful gases, as a kind of high energy, in production and life in recent years have been widely used, but since it has the characteristics of inflammable, explosive,Once the concentration in the air than combustible gas explosion limit, encountered ignition source burning explosion accident occurs, a serious threat to the property and life safety of the public.Especially for our country is in a high speed in the development of industrial countries, production safety is Paramount, so this thesis to make a design on industrial production security alarm system, this article mainly research thought and results including the following:1.The harmful gas detection alarm system is to solve the problem of the above security, it consists of gas sensor element to detect the concentration of harmful gas in the workshop, data analysis, circuit transformation, packaging, after the T94W4 transceiver module, sent to a central monitoring computer to carry on the analysis, the concentration of harmful gases to curve and data display, overrun alarm, and the relevant historical data storage management.1.This paper introduces the theoretical basis and methods of the harmful gas detection, in this design, we use the analog electronic technology and digital electronic technology course comprehensive knowledge to complete the design.For telemetry remote control circuit, gas sensitive sensor, digital integrated circuit, trigger circuit and alarm sound (buzzer), etc.2. Final assembly and commissioning test through the material object, the design of the harmful gas alarm the measurable range of harmful gases, liquefied gas, hydrogen, methane, alcohol, smoke and other harmful gas can effectively detect and achieve sound and light alarm effect, but the actual detection alarm for household and industrial and mining enterprises, and has the characteristics of small and portable.At the same time the principle applied to gas sensor probe with different functions, the industry is increasingly developed in our country have broad prospects for development.KEYWORDS: harmful gas alarm, T94W4 transceiver module, sensor西北工业大学明德学院本科毕业设计论文V目 录第一章 绪论 .71.1 论文研究背景、目的和意义 .71.1.1 论文研究来源 .71.1.2 论文研究目的和意义 .71.2 可燃性气体报警器的国内外现状 .81.3 论文主要任务及要求 .9第二章 有害气体检测报警器的总体方案设计 .112.1 有害气体检测报警器总体设计思路 .112.2 有害气体检测报警器总体设计方案 .112.2.1 有害气体检测报警器总体设计方案 .112.2.2 有害气体检测报警器工作原理及结构功能 .122.2.3 有害气体检测报警器的主要技术指标 .132.3 本章小结 .13第三章 有害气体检测报警器的系统方案设计 .143.1 气体传感器的选型 .143.1.1 有害气体传感器的介绍 .143.1.2 QM-N2 型气体传感器的工作原理 .163.1.3 QM-N2 型气体传感器的特性及详细说明 .163.1.4 固体电解质气体传感器 MG811 .19西北工业大学明德学院本科毕业设计论文VI3.1.5 QM-N2 型传感器传感器 MG811 的比较与选用 .203.2 本章小结 .20第四章 有害气体检测报警器的硬件设计 .214.1 电路工作原理分析 .214.1.1 电路电源 .224.1.2 555 定时器电路 .234.1.3 蜂鸣器报警电路 .254.1.4 继电器 .284.2 遥测遥控接收发射电路 .304.2.1 遥控发射器 .304.2.2 遥控接收器 .334.3 总控台蜂鸣报警系统 .354.4 本章小结 .36第五章 简易报警系统实物制作和调试演示 .375.1 硬件的制作与调试 .375.2 实验误差分析 .395.3 本章小结 .40第六章 全文总结 .41参考文献 .42致谢 .43毕业设计小结 .44附录 .45西北工业大学明德学院本科毕业设计论文VII西北工业大学明德学院本科毕业设计论文7第一章 绪论1.1 论文研究背景、目的和意义1.1.1 论文研究来源随着城市煤气、天然气事业及化学工业的迅速发展，易燃、易爆的有害气体种类和应用范围在不断增加，这些有害气体在生产和使用过程中，一旦发生泄露将会引起中毒、火灾、爆炸等重大事故。在人们对安全生产的重视程度和生产技术手段不断提高的同时，有害气体监测报警器正广泛地应用在这些领域中。有害气体探测报警器是预防易燃有害气体在生产和使用过程中发生泄露的报警装置。为了防止这类事故的发生，装设有害气体监测报警器是非常必要的，可以及时发现事故隐患，及早采取补救措施，才能确保工业安全和家庭生活安全。因此，研究可燃性气体的检测方法与研制可燃性气体报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题1.1.2 论文研究目的和意义可燃性气体通常指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤矿瓦斯等。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳和氢气等成分，易燃、易爆、贮存和使用这些气体的过程中，如违反操作规程和设备密封不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故，给国家和人民的生命财产造成损失。在石油化工行业,往往存在许多易燃易爆气体和有毒气体(如液化石油气、甲烷、氢气、一氧化碳等等),如果在生产或使用过程中由于误操作或者其它原因导致可燃气体泄露,在外部风力以及内部浓度梯度的作用下,在现场就会形成燃烧爆炸或毒害危险区域,一旦遇到明火源,将严重威胁着公众和参与救援的消防队员人身安全,这一点已经成为人们的共识。目前我国已有许多城市铺设了煤气管道，使用人口约达二亿人，煤气发生基地及中转站也达几千家。如果这些家用燃气和煤气基地及中转站的报警率按 10%计算，可燃性气体检测报警器的需求量就达 2000 万台以上。随着全社会对防火西北工业大学明德学院本科毕业设计论文8防爆及人身安全的重视程度的提高，这个数字会继续增长。进行有害气体浓度历史数据查询，以及报警条件的设置等一系列的操作，来实现远程在线的监控目的。可以对室内的有害气体进行实时远程监测，从而对于危害气体发生泄露时进行实时的远程安全报警。其系统原理可以用于其他远程报警、监测系统、环境监控以及部无线网络数据采集等应用方面，具有一定的参考价值。并且知道可燃气体的燃烧爆炸需要具备一定的条件,如果能够破坏其必要条件就能够起到预防的作用,这也是本课题具有可行性的最基本目的。在爆炸三要素中,火源和氧气是无法控制的因素,但可以通过实时检测可燃气体的浓度来实现预警。因此,如何可靠、准确的分析出环境中各种可燃气体的浓度是否达到了限定浓度范围是本课题所需要解决的主要问题和研究的意义。1.2 可燃性气体报警器的国内外现状可燃气体报警器最早出现于上世纪30年代，我们先来了解一下国外可燃气体报警器的起源和发展：国外从20世纪30年代开始研究及开发气体传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高;另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年一2002年气体传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得气体检测仪器的体积也逐渐变小，提高了气体检测仪器的便携性，更加利十生产、运输及市场推广。1963年5月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器，次年12月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气体，可以安装在浴室或者采用集中监视。下面再来谈一下我国可燃气体报警器的起源与发展：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，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。燃气报警器可分为民用可燃气体报警器、工业用可燃性气体报警器及有毒西北工业大学明德学院本科毕业设计论文9有害气体报警器二大系列产品。(1）民用可燃气体报警器民用可燃气体报警器为居民家庭用的燃气报警器，一般安装在厨房，遇燃气泄漏时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把燃气排出室外; 有的报警器在报警时可自动关闭燃气阀门，以防燃气继续泄漏。(2)工业用可燃性气体报警器及有毒有害气体报警器工业用可燃气体报警器及有毒有害气体报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒气体报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，主要应用于燃气管理的查漏与巡检。若有燃气泄漏，便携式可燃气体检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示气体浓度，以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。控制器与探测器结合使用，可在防爆现场长期监测气体的浓度。探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用十液化气站、汽车加气站、锅炉房等工业场所。1.3 论文主要任务及要求本篇论文主要任务：设计工业生产线及厂房等要害部位易燃易爆有害气体气体泄漏并能够自动实时遥测报警的系统。要求具有九路遥测、声光报警和泄漏位置显示等功能。具体所要实现的功能为以下几点：（1）提出系统方案，分析有害气体检测报警器的构成和应用；（2）选择有害气体监测传感器，设计有害气体监测系统电路；（3）设计遥控传输系统电路，进行电路设计计算，选择系统及电路组部件，元器件；（4）设计报警和泄漏位置显示系统，进行电路设计，选择电路组部件及元器件；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文10（5）设计简易报警系统，制作和调试简易报警电路演示实物；（6）做出最终结论。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文11本篇论文设计主要要求：针对工矿企业及家庭环境对有害气体报警器的要求、有害气体报警器对其所适用传感器类型要求及遥测遥控范围和控制路数的要求，来实现本次设计中的有害气体检测报警系统。实习以上功能及性能要求的主要技术指标包括：对监控对象工业生产线及厂房、住宅有害气体泄漏做出远程监测报警；遥测遥控范围设置为 500-1000 m；设置 9 个检测报警点并设计 9 路遥测遥控；检测后做出声、光、显示报警。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文12第二章 有害气体检测报警器的总体方案设计2.1 有害气体检测报警器总体设计思路本论文设计的有害气体检测报警装置可及时检测出所处环境的有害气体浓度并进行显示报警。当有害气体浓度超出预设低限报警浓度时,该装置可通过气敏传感器检测并转化为传感器内电阻的变化,再通过一个放大电路把报警信号传送给信号发射机，发射机将信号发射后由接收机接收并处理信号参数显示，操作人员将采取措施以防止易燃气体浓度升高,当易燃气体浓度超出预设高限报警浓度时,该装置可进行高频率的声光报警,操作人员将疏散现场人员,并尽量降低可燃气体浓度,防止爆炸发生。该装置具有精度高、可靠性好、性能稳定、结构简单、体积小、使用方便等特点。该设计思路的两大核心是气敏传感器与遥控传输系统电路的设计，根据不同环境下所需检测有害气体的不同，我们可选择最合适，最精确，最经济实用的传感器，设计最简单稳定的遥控传输电路电路，它们的选择及设计就是我们下一步要探讨的内容。2.2 有害气体检测报警器总体设计方案 2.2.1 有害气体检测报警器总体设计方案 根据本次设计任务的要求，做出总体设计方案内容以及系统框图如下图2.1所示：西北工业大学明德学院本科毕业设计论文13图 2-1 总体设计方案系统框图（1）核心部件气体传感器的选型：分析气体传感器构成和应用，再根据要求对检测范围内有害气体的不同种类，浓度作分析，最后选择传感器的灵敏度及适用范围等。（2）设计有害气体监测系统电路：根据本次设计要求设计出总体电路图及各组件内部运行电路原理图。（3）设计遥控传输系统：根据本次设计要求设计实现规定范围内遥测遥控报警显示，并实现 9 路同时控制功能，列举一路进行电路设计计算，选择系统及电路组部件，元器件。（4）设计报警和泄漏位置显示系统：根据本次设计要求对有害气体检测超标后实施声、光、显示报警的要求进行报警显示，进行报警电路设计，选择电路组部件及元器件；（5）设计简易报警系统，制作和调试简易报警电路演示实物；2.2.2 有害气体检测报警器工作原理及结构功能本论文所讨论的 QM-N2 有害气体检测报警器它包括传感器电路、远程遥测遥控显示报警电路 2 部分。第一部分：连接传感器和 NE555 定时器，当外部的烟雾和有害气体被传感器捕捉到的时候，传感器将此非电信号转换成电信号，然后在送到 555 定时器西北工业大学明德学院本科毕业设计论文14芯片，当 4 脚给出一个高电平的时候，蜂鸣器或者 LED 发出报警信号或者光信号。第二部分：把传感器及外围电路封装于小型屏蔽容器内,该容器内置发射模块（T94W4） ，当容器内报警灯光闪烁报警时，触发发射模块发射信号。再由遥控接收模块（T2068CK）接收信号并发出声、光、显示报警，实现远程遥测遥控，提醒安全区域内人员迅速撤离,并即时通风换气。2.2.3 有害气体检测报警器的主要技术指标（1）监控对象：本设计主要针对工业生产线及厂房、住宅有害气体泄漏做出远程监测报警；（2）遥测遥控范围：500-1000 m；（3）报警器的布点：监控点9个，（4）遥测遥控路数：9 路控制；（5）报警方式：声，光、显示泄漏位置 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. 使用条件:温度-1535;相对湿度4575%RH; 大气压力80106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当 元 件 在 精 密 仪 器 上 使 用 时 ,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 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. 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.2.3 本章小结本章主要阐述了有害气体报警器的总体设计方案，及本设计的设计思路和选定方案中的各项参数指标；从本章给出的总体设计框图可以简洁明了的了解本次设计的有害气体报警器工作流程及运行原理。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文15第三章 有害气体检测报警器的系统方案设计3.1 气体传感器的选型3.1.1 有害气体传感器的介绍(1)气敏传感器的测量原理是：通过被测气体与气敏原件发生的化学反应及物理反应等机理，把被测气体种类的变化转化为气敏原件输出电压或电流变化。主要从检测原理上可以分为以下三大类：(a)利用物理化学性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。(b)利用物理性质的气体传感器：如热导气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。(c)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。(2)气体传感器应满足的基本条件：一个气体传感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是，任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件：(a)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应；(b)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度；(c)对检测信号响应速度快，重复性好；(d)长期工作稳定性好；(e)使用寿命长；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文16(f)制造成本低，使用与维护方便。(3)常见气体传感器简介：下面对工业上常用的几种气体传感器作简单介绍。(a)半导体气体传感器：半导体气体传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的气体传感器，以及用单晶半导体器件制作的气体传感器4。自 1962 年半导体金属氧化物气体传感器问世以来，由于具有灵敏度高、响应快、输出信号强、耐久性强、结构简单、价格便宜等诸多优点，得到了广泛的应用。该传感器己成为世界上产量最大、使用最广的气体传感器之一。按照敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。(b)固体电解质气体传感器：固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料作为气敏元件，其原理是利用气敏材料在通过气体时产生离子，测量其形成电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，因而得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，其产量仅次于半导体气体传感器的一类传感器。但这种传感器制造成本高，检测气体范围有限，在检测环境污染领域中有优势。(c)接触燃烧式传感器：当易燃气体接触这种被催化物覆盖的传感器表面时会发生氧化反应而燃烧，故得名接触燃烧式传感器。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝(也可表面涂铂、钯等稀有金属催化层)，使用时将铂丝通电，保持 300C-400C 的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。(d)高分子气体传感器：利用高分子气敏材料制作的气体传感器近年来得到很大的发展。高分子气敏材料在遇到特定气体时，其电阻、介电常数、材料表面声波传播速度和频率、材料重量等物理性能发生变化。高分子气敏材料由于具有易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器和声表面波器件相结合，在毒性气体和食品鲜度等方面的检测中具有重要作用。高分子气体传感器具有对特定气体分子灵敏度高，选择性好，且结构简单，能在常温下使用，可以弥补其它气体传感器的不足。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文17(e)电化学传感器：电化学传感器由膜电极和电解液封装而成。气体浓度信号将电解液分解成阴阳带电离子，通过电极将信号传出。它的优点是：反映速度快、准确、稳定性好、能够定量检测，但寿命较短(大约两年)。它主要适用于毒性气体检测。目前国际上绝大部分毒气检测采用该类型传感器。(f)热传导传感器：热传导传感器与接触燃烧式传感器具有类似的结构形式，但是测量原理不同。它的测量原理是：将加热后的铂电阻线圈置于目标气体中，由于向目标气体传送热量造成温度降低，引起电阻值变化，传感器即测量电阻值的变化情况。温度的变化情况是目标气体热传导率的函数，而对于一种给定的气体或汽化物，热传导率是它固有的物理特性。(g)红外传感器：红外传感器通常用两束红外光进行气体测量，主光束通过测量元件内的目标气体，参考光束通过比较元件内的参考气体。在测量和比较元件中，红外射线被气体有选择地吸收了。未吸收的红外光由光电探测器测量，产生一个正比于目标气体浓度的差分信号。非扩散式红外探测器 NDIR(non-dispersive IR )是其中的一种，所有的未吸收光全部以最小的扩散和损耗被记录下来。(4)常见气体传感器可检测气体种类：由于气体的种类繁多，一种类型的气体传感器不可能检测所有气体，通常只能检测某一种或两种特定性质气体。例如氧化物半导体气体传感器主要检测各种还原性气体，如CO、H2、C2H5OH、CH3OH 等。固体电解质气体传感器主要用于检测无机气体，如 O2、CO2、H2、Cl2、SO2等。3.1.2 QM-N2型气体传感器的工作原理QM-N2 型气敏元件是以金属氧化物 SnO2 为主体材料的 N 型半导体气敏元件，当半导体材料吸附气体时,气体分子在薄膜表面进行还原反应,引起半导体的电导率发生变化,从而使传感器的输出电阻值随被测气体的浓度变化而改变。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文18图 3-1 QM-N2 型气体传感器实物图3.1.3 QM-N2型气体传感器的特性及详细说明（1）特点：（a）用于可燃性气体的检测(CH4,C4H10,H2 等) （b）灵敏度高（c）响应速度快（d）输出信号大（e）寿命长（f）工作稳定可靠（2）技术指标：表3-2 QM-N2型气体传感器技术指标加热电压(VH) AC 或 DC 50.2V响应时间(trec) 10S回路电压（Vc） 最大 DC 24V 恢复时间（trec） 30S负载电压（R1） 2K原件功耗 30S西北工业大学明德学院本科毕业设计论文19清洁空气中的电阻（Ra ）30S 检测范围 50-10000ppm灵敏度（ S=Ra/Rdg）4（在1000ppmC4H10中）使用寿命 2年（3）QM-N2型气体传感器基本测试回路下图3.2是传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC） 。其中 VH 用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL） 。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感去电性能要求的前提下，VC 和 VH 可以共用一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL 值。图3- 3 QM-N2传感器的基本测试电路（4）使用方法及注意事项： 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。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文20 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。 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 C4H1030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)。 符号说明 检测气体中电阻-Rdg 检测气体中电压-Vdg Rdg 与 Vdg 的关系: Rdg=RL(VC/Vdg-1) 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度 使用条件:温度-1535;相对湿度 4575%RH;大气压力 80106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 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. 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.3.1.4 固体电解质气体传感器 MG811MG811型气体传感器属于固体电解质气体传感器，固体电解质气体传感器使用固体电解质气敏材料做气敏元件。其原理是气敏材料在通过气体时产生离子，从而形成电动势，测量电动势从而测量气体浓度。由于这种传感器电导率高，灵敏度和选择性好，得到了广泛的应用，几乎打入了石化、环保、矿业等各个领域，仅次于金属氧化物半导体气体传感器。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文21图 3-4 MG811 型气体传感器实物图（1）主要特点及应用：（a）对 CO2有良好的灵敏度和选择性（b）受温湿度的变化影响较小（c）良好的稳定性、再现性（d）空气质量控制系统（e）发酵过程控制（f）温室 CO2浓度检测（2）主要技术参数：(a)检测浓度 35010000ppmCO2(b)加热电压（VH）6.00.1V AcorDC(c)负载电阻（ RL）可调(d)加热电阻（RH）353（室温）(e)加热功耗（ PH）约1200mW(f)温度、湿度 202；65%5%RH（3）MG811 型气体传感器基本测试回路西北工业大学明德学院本科毕业设计论文22图3-5 MG811型传感器的基本测试电路3.1.5 QM-N2型传感器传感器 MG811的比较与选用以上我们介绍了两种不同性质的气体传感器，分别为 N 型半导体气体传感器与固体电解质气体传感器。通过对比可以明显的分别出来他们的不同，因为MG811 固体电解质气体传感器对检测气体的单一性不符合本设计中所测环境多中不同气体的要求，且其还拥有明显不足之处就是响应时间过长，对本设计中的安全性没有保障，故本次设计中选用第一种气体传感器 QM-N2。3.2 本章小结本章主要阐述了有害气体报警器中所用气体传感器的选定，及气体传感器的介绍功能等。传感器从种类、选定、工作原理、基本特性四个方面分别叙述。根据本设计要求及使用环境、成本等因素选用 QM-2 型半导体电阻式气体敏感器件。并且从结构、功能、技术指标三方面对报警器进行了详细地论述，用于检测空气中有害气体的浓度。该报警器将空气中有害气体通过传感器检测后，当空气中的有害气体或可燃性液体蒸汽的浓度达到一定浓度时，则判断是可燃性气体泄漏，发出声、光报警信号。以便工作人员及时处理安全事故。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文23第四章 有害气体检测报警器的硬件设计4.1 电路工作原理分析下图 4-2 是有害气体检测报警器的电路工作原理电路图。当室内空气正常时，气敏元件 QM-2 的相应电阻值大，该电阻与 R2，RW 分压后的电压使 555置位，3 脚输出高电平，报警电路断开，不发生报警。当气敏元件检测到煤气，是有液化气，汽油，酒精，烟雾等有毒有害气体时，其内阻减小，该电阻与R2，RW 分压后的电压升高，从而使 555 复位，3 脚输出低电平，相应又使继电器 J 吸合，接通报警电源电路，发出报警信号，报警时 LED2（红光）闪光。电路中电位器 RW 用于调整 555 的触发端 2 脚的触发电平，正常条件下约为3.5V。此电路中的继电器还可以控制机外的报警器或排气扇等设施。图 4-1 硬件电路原理框图西北工业大学明德学院本科毕业设计论文24图 4-2 有害气体检测报警器的电路工作原理电路图4.1.1 电路电源电路电源选择：因为此次设计中的报警电路所需为 5V 电压，所以我们通过生活中经常使用的 USB 数据接口来实现，以下为普通 USB 接口电源的电路及原理：图 4-3 5V USB 接口电源图 4-3 中 R3 是上拉电阻器，它可使 USB 口的 D+端上拉到 DS2490S 的 VB端，表示 USB 主机系统是高速设备，同时这个上拉电阻器告诉主机有 USB 设备插入。该上拉电阻器的设置对适配器的影响很大，它的负载值和 1-Wire 网络的总长决定 1-Wire 总线电压上升到 5 V 的速度。经过实验测试选择 R3 的阻值为27 lO%。R1、R2 为 USB 数据线保护电阻器。L、L2 具有禁止高频干扰并且西北工业大学明德学院本科毕业设计论文25减弱 EMI 辐射的功能。LF33CV 为 3.3 V 电压稳压器，与周围元件 C1、C2 组成强上拉部分，给 EEPROM 或温度传感器等器件提供额外的电源。4.1.2 555 定时器电路（1）555定时器简介：555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器如图4.4所示。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压 VCC/3和2VCC/3。555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器 C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2 的同相输入端的电压为 VCC/3。若触发输入端 TR 的电压小于 VCC/3，则比较器 C2的输出为0，可使 RS 触发器置1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于 VCC/3，则 C1的输出为0，C2 的输出为1，可将 RS 触发器置0，使输出为0电平。图4-4 555 定时器 实物图（2）555定时器内部电路及引脚结构：555定时器电路是一块介于模拟与数字电路的一种混合电路。图4.5为555的内部电路及引脚结构图,可以看出,有2个西北工业大学明德学院本科毕业设计论文26比较器,1个触发器,1个倒相器,1个晶体管和若干电阻构成。两个比较器组成模拟电路,触发器为数字电路。图 4-5 555 定时器的内部电路下图4-6中555为8脚封装的器件。其中: 1脚(GND)为接地脚; 2脚(TL)为低电平触发端; 3 脚(Q)为电路的输出端; 4 脚( RD)为复位端,低电平有效; 5 脚(V-C)为电压控制端; 6 脚(TH)为阈值输入端; 7 脚(DIS)为放电端; 8 脚(VCC )为电源电压端 ,其电压范围3-18V4。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文27图 4-6 555 的引脚（3）555 定时器的用途：555 定时器可工作在三种工作模式下：（a）单稳态模式：在此模式下，555功能为单次触发。应用范围包括定时器，脉冲丢失检测，反弹跳开关，轻触开关，分频器，电容测量，脉冲宽度调制（PWM）等。（b）无稳态模式：在此模式下，555以振荡器的方式工作。这一工作模式下的555芯片常被用于频闪灯、脉冲发生器、逻辑电路时钟、音调发生器、脉冲位置调制（PPM）等电路中。如果使用热敏电阻作为定时电阻，555可构成温度传感器，其输出信号的频率由温度决定。(c)双稳态模式或称施密特触发器模式：在 DIS 引脚空置且不外接电容的情况下，555的工作方式类似于一个 RS 触发器，可用于构成锁存开关。4.1.3 蜂鸣器报警电路（1）蜂鸣器的介绍（a）蜂鸣器的作用：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、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。（b）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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文28型。（c）蜂鸣器的电路图形符号：蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA” （旧标准用“FM” 、 “LB”、 “JD”等）表示。（d）图 4-7 有源一体蜂鸣器实物图图 4-7 有源一体蜂鸣器实物图（2）蜂鸣器的结构原理（a）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、外壳等组成。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。当接通电源后（1.515V 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出 1.52.5kHZ 的音频型号，阻抗匹配器推动压电西北工业大学明德学院本科毕业设计论文29蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。（b）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，振荡器产生的音频型号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。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。（3）有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的简易区别：有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的根本区别是产品对输入信号的要求不一样；有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为 VDC、VDD 等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。（4）蜂鸣器的制作：(a)制备电磁铁 M:在长约 6 厘米的铁螺栓上绕 100 圈导线,线端留下 5 厘米作引线,用透明胶布把线圈粘好,以免线圈松开,再用胶布把它粘在一个盒子上,电磁铁就做好了。(b)制备弹片 P：从铁罐头盒上剪下一条宽约 2 厘米的长铁片，弯成直角，把电磁铁的一条引线接在弹片上，再用胶布把弹片紧贴在木板。(c)用曲别针做触头 Q，用书把曲别针垫高，用胶布粘牢，引出一条导线，如图连接好电路。(d)调节 M 与 P 之间的距离（通过移动盒子） ，使电磁铁能吸引弹片，调节触点与弹片之间的距离，使它们能恰好接触，通电后就可以听到蜂鸣声。（5）本设计中报警电路中选择压电式有源蜂鸣器；西北工业大学明德学院本科毕业设计论文30有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为 VDC、VDD 等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。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、外壳等组成。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。当接通电源后（1.515V 直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出 1.52.5kHZ 的音频型号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。4.1.4 继电器(1)继电器的介绍继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电