有害气体检测及抽排电路设计

1、课 程 设 计题 目有害气体检测与抽排电路设计学 院专 业班 级姓 名指导教师年月日有害气体检测与抽排电路设计1、设计内容及要求设计内容：设计一个能自动检测有害气体浓度，且当有害气体浓度超标时，能自动发出声光报警，能自动抽排有害气体的控制电路。要求：1）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报警，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。2）抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。3）对设计电路进行仿真。2、电路总体设计21、电路原理系统框图电源系统MQ-7气敏传感器信号检测与比较系统抽排系统声光报警系统图2-1：系统框图2.2、完整电路用protues软件绘制成如下系

2、统原理图图2-2：电路整体效果图2.3、电路工作原理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，譬如半导体气敏传感器主要是利用半导体与某些气体接触时，其特性将发生变化这一现象来检测气体的成分或浓度。MQ-7气敏传感器对一氧化碳气体有良好的灵敏度，当一氧化碳浓度上升时，会使传感器输出电阻变大。故可利用这一特性，来设计电路。声光报警电路可用555组成的多谐振荡电路来控制，第一个555组成的电路输出频率很低的方波信号，驱动电磁继电器，是警示灯进行闪亮，同时控制光电耦合器对第二个555组成的高频多谐振荡器进行控制，使第二个555产生一个频率变化的信号，驱动报警喇叭发出报警声。本

3、电路的控制电路主要是电磁继电器和一个光电耦合器。2.4、各部分电路原理分析2.4.1、电源系统图2-4-1：直流变压稳压电路原理说明：图2-4-1电路由家用220v电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，即利用滤波电容C3和C4，虽然一个滤波电容就可以达到滤除纹波的作用，但是为了让得到的波形更加稳定，我采用了两个电容并联的方式，从而得到平滑的直流电压。但这样的电压还随电网电压波动

4、，负载和温度的变化而变化。因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。用集成稳压器更方便，而且得到的直流源更稳定。2.4.2、信号检测与比较系统图2-4-2：电压比较电路原理说明：图2-4-2中，RV1来代替气敏传感器，当气体浓度上升时，相当于RV1的阻值变大。U2是一个电压比较器，从“-”端输入一个基准电压，相当于给定的气体浓度，当实际气体浓度大于给定浓度，即RV1的阻值大于RV2。此时，U2的“+”端电压大于“-”端电压，会输出一个高电压，从而控制后面的电路。若气体浓度较小时，“+”端电压小于“-”端，输出端输出低电平

5、，后面电路不工作。2.4.3、抽排系统图2-4-3：电机抽排电路原理说明：如图2-4-3，通过电压比较器的输出信号来控制一个电磁继电器RL2，进而控制电机的运行。当气体浓度过大时，输出高电平，使电磁继电器工作，开关闭合，电机回路通电，电机开始旋转，气体抽排进行。2.4.4、声光报警系统图2-4-4声光报警电路原理说明：如图2-4-4所示，有两个555定时器组成了声光报警系统，第一个555定时器的频率很低，由它控制一个电磁继电器，会使继电器规律的通断，不断重复。该电磁继电器可以控制两组开关，一组与白炽灯串联，控制灯光不断闪烁。第二组开关连一个光电耦合器，进而控制第二个555定时器，第二个555的

6、频率可由R30来控制，使其产生两组不同频率的高频信号，利用这两组高频信号来驱动一个喇叭，就可以产生高低起伏的警笛声。2.4.5、整体工作及调试图2-4-5：整体运行电路说明：在运行时，已经假设气体浓度超标，即电压比较器输出为高电压。喇叭处电压输出波形为：图2-4-6：输出波形调试：在调试中，用直流电压表测试稳压源7805的输出为+5.01v，与我们要求的5v稳定电压相符。电压比较器在高电平时的输出电压为+4.77V，也足以驱动后续电路中的电磁继电器与两个555计时器，也满足要求。最后看报警喇叭是否为两个频率的信号，经示波器的显示，输出确实是两个不同频率的方波信号，可以使喇叭产生报警声。电机也可

7、以在电磁继电器的控制下正常转动。故障：在第一次调试时，由于没有加光电耦合管，后面一个555定时器产生的信号会对前一个产生影响，使它们的输出信号为一列杂波，为了消除干扰，加了一个光电耦合管，使前一级与后一级隔离开来，使干扰降低，可以正常工作。2.5、电路使用元件2.5.1、气敏传感器本设计气敏电阻使用的是MQ-7型号的气敏电阻，该电阻对一氧化碳浓度敏感，可用于一氧化碳浓度的检测和抽排。MQ-7气体传感器的气敏材料，是用在清洁空气中电导率低的二氧化锡(SnO2)。采用高低温循环检测方式：低温（1.5V加热）检测一氧化碳，传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大，高温（5.0V加热）清洗低温

8、时吸附的杂散气体。使用简单的电路即可将电导率的变化，转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 图2-5-1：MQ-7灵敏度特性曲线VC图2-5-2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VHRL传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器GND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。在满足传感器电性能要图2-5-2：MQ-7测试电路图求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。具体MQ-7参数可参考附件2.5.2、电磁继电器电磁

9、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

10、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。2.5.3、

11、555定时器VCCVo图2-5-3:555定时器及其应用上图为555定时器及由其连接成的多谐振荡器。接通电源后，电容C2被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJT 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，触发器又被置位，VO翻转为高电平。电容器C2放电所需的时间为：tPL=R2Cln2，可近似看成tPL=0.7R2C当C2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

12、升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为： f=1/( tPL +tPH)，可近似看成f=1.43/(R1+R2)C2.5.4、电压比较器图2-5-4：电压比较器电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。 电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当”+”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”+”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平； 可工作在线性工作区和非线性工作区。 工作在线性工作区时特点是虚短，虚断； 工作在非线性工作区时特点是跳变，虚断； 由于比较器

13、的输出只有低电平和高电平两种状态，所以其中的集成运放常工作在非线性区。从电路结构上看，运放常处于开环状态。2.5.5、集成稳压器本设计采用的是CW7805，该稳压器可以输出稳定的5V直流电压。图2-5-5:7805稳压器2.5.5、变压器图2-5-6：变压器示意图本设计使用的是220V电压变40V的变压器。根据变压器的原边与副边的电感L1和L2可得出变压器的变比为：K=L1L22.5.6、整流桥bBaA图2-5-7：整流桥示意图整流桥的图示如图5-7，其结构为四个首尾相连的二极管。其中A、a两个接口为交流输入端，B、b为直流输出端。当交流电由A输入，经过二极管由b端输入负载电路中，并由B端再经

14、二极管到a端，又流回电源中，形成回路；同理当交流电由a端输入时，经二极管流入b端并进入负载电路，再经由B端流入A端返回电源，形成另一套回路。在整个过程中，电流一直是由b端流出，经负载再到B流入，所以可以将一个交流电源整流成交流电，不过有整流桥得到的直流电中还含有很多交流成分，需要滤波电路来把交流成分过滤出去。3、总结及体会经过两个星期的努力奋战，从拿到课题后感到茫然不知所措，到现在拿出了设计的合格电路图，其中可以说经历了很艰难的过程。在刚开始的时候，拿到这个题目要做有毒气体的检测与抽排，第一反应就是要用气敏电阻，还要有控制电机，我认为有难度的就只有这两个。等到真正找资料开始做的时候，我发现不是

15、这么简单了，首先，再找气敏电阻时，虽然找到了想要的电阻，但是找到的资料却很少，不知道这个电阻是怎么工作的，又花了很长时间去了解气敏电阻的工作特性。本以为这之后就没难度了。谁不知，在报警系统上又遇到了困难，因为普通的“滴滴”声并不能作为报警的声音，我又在网上不断地搜索，希望找到像警笛一样的声音产生电路。后来，在老师的帮助下，我找到了一种电路，虽然声音不是完美的警笛声，但是对于单纯的“滴滴”声来说，已经可以作为报警声了。这次课程设计，可以说对我们的各个方面都进行了锻炼。首先锻炼了我们动手查找资料的能力，有些人在这之前连资料都查不清楚，但经过这次设计之后，他查找资料的能力得到了很大的提升，因为这次设

16、计很多都是我们不熟悉的，要求我们不断地查找资料，否则是不可能做好的；其次，我们对于仿真软件也有了更好地熟悉，因为我们的设计要经过仿真软件的仿真，验证设计的可行性，如果不会仿真，则只能干瞪眼，因为大家都在做，没有人会帮你的，只有靠自己。第三，这次课程设计也让我们把之前学习的知识来了一次复习，因为在设计中有许多地方要用到我们学到的模电、数电、还有电机知识。这就要求我们必须好好的复习之前学习的知识才能更好的完成任务。4、致谢 这次设计让我得到了充分的锻炼，感谢学校给我们这次机会，感谢指导老师多我们不懈的督促和鼓励。感谢我的队友，他们给了我很多帮助，在我一筹莫展时，是他们给了我灵感和启发。 5、参考文

17、献1、吴友宇，模拟电子技术基础，清华大学出版社，20092、伍时和，数字电子技术基础，清华大学出版社，20093、周新民，工程实践与训练教程，武汉.武汉理工大学出版社，20094、 PCB资源网附件一：所用器件应用器件名称型号规格位号数量电原220V，50hzV1一个变压器TRAN-2P2STR1一个电桥电路DF02MBR1一个风扇无无一个555芯片555U1,U10两个报警灯白炽灯L2一个报警喇叭SpeakerLS1一个继电器无 无两个电压比较器COMPIU2一个集成稳压器7805U4一个气敏传感器MQ-7无一个滑动变阻器20KRV1,RV2两个电容5ufC2一个电容1000ufC3一个电容0.01ufC1,C10,