1、 JIU JIANG UNIVERSITY 檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù) 課程設(shè)計(jì) 題 目 危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器 院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 姓 名 邵玄德 年 級(jí) B1261(16) 指導(dǎo)教師 張 波 2014年 12月 摘 要在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中,安全是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié),因?yàn)樗P(guān)系到我們的人身和財(cái)產(chǎn)安全,危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)可以在發(fā)生危險(xiǎn)之前,積極采取措施,從而降低或是甚至完全排除危險(xiǎn)。以半導(dǎo)體氣體傳感器為核心, 結(jié)合7805和LM324,設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易廉價(jià)并且能夠準(zhǔn)確檢測(cè)泄漏氣體的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器。當(dāng)危險(xiǎn)氣體泄漏時(shí), 系統(tǒng)可以用蜂鳴器報(bào)警警示人們,并可連接后續(xù)器件, 當(dāng)危險(xiǎn)氣體

2、的濃度達(dá)到一定數(shù)值時(shí), 將會(huì)啟動(dòng)排風(fēng)裝置,恢復(fù)正常的安全氣體環(huán)境。關(guān)鍵詞：危險(xiǎn)氣體報(bào)警系統(tǒng)；半導(dǎo)體氣體傳感器；排風(fēng)裝置 目 錄摘 要1第1 章 緒論31.1 背景31.2 設(shè)計(jì)目的3第2章 原理分析42.1 電路系統(tǒng)框圖及其原理圖42.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)組成部分介紹5 2.2.1 半導(dǎo)體氣體傳感器5 2.2.2 氣敏傳感器輸出電壓獲取方式.6 2.2.3 電源電路6 2.2.4 比較電路7 2.2.5 聲光報(bào)警及外部驅(qū)動(dòng)電路8第3章 實(shí)現(xiàn)過(guò)程8心得體會(huì)9參考文獻(xiàn).9第1 章 緒論1.1 背景目前, 在工業(yè)和生活中均大量用到用于儲(chǔ)存和輸送壓縮氣體的壓力容器, 如氣缸、氣罐、煤氣管道等等。由于各種人

3、為或是其他各種各樣的原因, 容器會(huì)產(chǎn)生漏孔, 從而發(fā)生氣體泄漏。這是一種對(duì)資源的嚴(yán)重浪費(fèi), 不僅會(huì)對(duì)空氣造成嚴(yán)重的污染, 而且會(huì)造成人員傷亡, 國(guó)內(nèi)外就有過(guò)類似的事情發(fā)生。危險(xiǎn)氣體泄露預(yù)警系統(tǒng)的出現(xiàn)可以準(zhǔn)確的判斷和定位產(chǎn)生氣體的位置, 并進(jìn)行及時(shí)的報(bào)警提示, 對(duì)于提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和節(jié)約能源具有重要的意義, 同時(shí)也避免了一些不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。本設(shè)計(jì)從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā), 設(shè)計(jì)出一種價(jià)廉物美的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器。1.2 設(shè)計(jì)目的 本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)工業(yè)或日常生活環(huán)境中可燃或有毒氣體泄露時(shí), 氣體報(bào)警器檢測(cè)到氣體的濃度已經(jīng)達(dá)到爆炸或中毒的臨界點(diǎn)時(shí), 報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào), 以提醒人們采取安

4、全措施, 并同時(shí)驅(qū)動(dòng)排風(fēng)、切斷、噴淋等系統(tǒng), 防止發(fā)生爆炸、火災(zāi)、中毒事故, 從而保障生產(chǎn)、人身和財(cái)產(chǎn)安全。第二章 原理分析2.1 電路系統(tǒng)框圖及其原理圖氣體泄漏報(bào)警器可由五個(gè)部分組成: 傳感器、二極管、三極管、運(yùn)算放大器、電源模塊、比較電路。傳感器選擇半導(dǎo)體氣體傳感器, 它能感知環(huán)境中某種氣體并將與氣體濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 圖1 基于比較電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖比較電路主要以運(yùn)算放大器為核心, 它能夠?qū)鞲衅鞯妮敵鲭妷汉妥畛醯脑O(shè)定值( 即氣體泄漏的門(mén)限值) 進(jìn)行比較, 當(dāng)輸出電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí), 進(jìn)行聲音報(bào)警, 當(dāng)輸出電壓超出設(shè)定值1. 5V時(shí), 系統(tǒng)在進(jìn)行聲音報(bào)警的同時(shí), 綠色指示燈亮,

5、啟動(dòng)外部驅(qū)動(dòng)電路, 進(jìn)行自動(dòng)排除危險(xiǎn)功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。報(bào)警器應(yīng)具有以下特點(diǎn):1) 當(dāng)環(huán)境中危險(xiǎn)氣體的泄漏超過(guò)預(yù)定的門(mén)限值時(shí), 能夠做到準(zhǔn)確報(bào)警;2) 系統(tǒng)正常工作, 綠色指示燈亮;3) 氣體濃度達(dá)到一定濃度時(shí), 紅色指示燈亮,并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警;4) 擁有外部驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān), 能夠驅(qū)動(dòng)排氣扇等通風(fēng)設(shè)備工作;5) 電源電路可實(shí)現(xiàn)220V到5V的電壓轉(zhuǎn)換;6) 采用聲光報(bào)警;7) 體積小;8) 價(jià)格低廉, 簡(jiǎn)單易用。電路的整體設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。 圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖2.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)組成部分介紹2.2.1 半導(dǎo)體氣體傳感器氣體傳感器的種類很多, 其中包括半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒式氣體傳感器

6、、電化學(xué)式氣體傳感器及固體電解質(zhì)氣體傳感器等等, 但目前應(yīng)用最廣泛的是半導(dǎo)體氣體傳感器。氧化物半導(dǎo)體表面一旦吸附某些氣體時(shí), 其電導(dǎo)率將會(huì)發(fā)生改變, 利用半導(dǎo)體的這種性質(zhì)檢測(cè)氣體特定成分( 主要是還原性氣體) 的傳感器稱為半導(dǎo)體氣敏傳感器 1。如圖3所示。圖3 傳感器元件符號(hào)2.2.2 氣敏傳感器輸出電壓獲取方式半導(dǎo)體氣敏傳感器采用加熱器對(duì)氣敏元件進(jìn)行加熱。這時(shí), 加熱器的加熱溫度對(duì)氣敏傳感器的特性有很大影響。為此, 加熱器的電壓恒定是非常重要的。氣敏傳感器的輸出電壓如圖所示, 其中與氣敏傳感器串聯(lián)電阻Rs, 該電阻的電壓降就是傳感器的輸出電壓, 若檢測(cè)到有害氣體, 傳感器的氣敏元件的阻值就會(huì)

7、降低, 這時(shí), Rs兩端電壓就會(huì)升高,從而, 輸出電壓發(fā)生變化 1。考慮所確定濃度氣體中氣敏元件的阻值來(lái)決定Rs阻值, 對(duì)于一般的應(yīng)用, 傳感器的輸出電壓為2V 3V時(shí), 則后續(xù)電路處理就非常方便。將傳感器的輸出接到比較器A1的同相輸入端, 當(dāng)檢測(cè)氣體的濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí),A1輸出高電平, 控制后續(xù)電路工作, 這樣就構(gòu)成了簡(jiǎn)單的氣體檢測(cè)電路 2, 如圖4所示。 圖4 氣敏傳感器電壓輸出獲取方式2.2.3 電源電路設(shè)計(jì)思路: 危險(xiǎn)氣體泄漏預(yù)警系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中, 考慮到平常的使用電壓是220V, 所以電源電路的時(shí)段首先設(shè)計(jì)一個(gè)220V/9V的變壓器, 從而使該氣體泄漏報(bào)警系統(tǒng)在實(shí)際

8、應(yīng)用中更加的方便。連接在后面是兩個(gè)并聯(lián)的二極管, 它起到的是整流作用, 把交流變?yōu)橹绷鞯碾娐贰＝桦S其后串聯(lián)的電阻和電解電容, 是一個(gè)小型的濾波器, 當(dāng)整流后的電壓通過(guò)濾波器后, 輸出的電壓降更加平穩(wěn), 有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。芯片7805是一個(gè)提供5V的三端穩(wěn)壓集成電路。將電源電路的末端連接在7805后, 就保證整個(gè)電路在系統(tǒng)的工作期間一直連續(xù)不斷的提供5V電源 31。其電路圖如5所示。 圖5 電源電路2.2.4 比較電路設(shè)計(jì)思路: 氣體傳感器的輸出電壓連接在放大器LM324的同相輸入端, 放大器的反相輸入端連接在滑動(dòng)變阻器上, 在系統(tǒng)工作之前, 調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器, 設(shè)定最初值, 此值標(biāo)志系統(tǒng)工作環(huán)

9、境的正常范圍, 當(dāng)氣體濃度高于設(shè)定值時(shí), 放大器輸出高電平, 此時(shí)的輸出電壓連接在另一個(gè)放大器上, 進(jìn)行再次放大, 輸出電壓使得三極管導(dǎo)通。連接在三極管上的蜂鳴器便發(fā)出聲響, 起到警示作用。如圖6所示。 圖6 比較電路2.2.5 聲光報(bào)警及外部驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)思路: 當(dāng)系統(tǒng)的周圍環(huán)境氣體泄漏的濃度到達(dá)一定程度時(shí), 為了安全, 聲光報(bào)警的同時(shí), 再設(shè)計(jì)一個(gè)外部驅(qū)動(dòng)電路, 這樣就可以在氣體濃度過(guò)高時(shí), 由外部驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)外部電路, 譬如驅(qū)動(dòng)排風(fēng)扇等裝置, 這樣氣體達(dá)到一定濃度, 排風(fēng)扇自動(dòng)工作, 將危險(xiǎn)氣體排出, 更加保障了安全。因此, 將氣體傳感器的輸出電壓連接在另一個(gè)運(yùn)算放大器上,放大器的另一端仍

10、然接在滑動(dòng)變阻器上, 在將二極管和三極管順次連接上, 這樣當(dāng)氣體濃度很高時(shí),放大器的輸出電壓高于1. 5V時(shí), 這樣二極管、三極管導(dǎo)通, 綠色指示燈亮并且啟動(dòng)連接在三極管上開(kāi)關(guān), 這樣外部設(shè)置開(kāi)始工作, 自動(dòng)排除氣體 5。如圖7所示。 圖7 聲光報(bào)警及外部驅(qū)動(dòng)電路第3章 實(shí)現(xiàn)過(guò)程當(dāng)電源接通時(shí), 7805提供穩(wěn)定的5V電壓, 保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。首先通過(guò)滑動(dòng)變阻器設(shè)置一個(gè)確定值, 當(dāng)系統(tǒng)的周圍環(huán)境中, 不存在被測(cè)氣體時(shí), 氣敏傳感器的輸出電壓小于設(shè)定的最初值, 此時(shí)電壓經(jīng)過(guò)比較器, 輸出低電壓, 二極管和三極管不導(dǎo)通, 此時(shí)蜂鳴器不響, 紅燈也不亮, 表示沒(méi)有危險(xiǎn)氣體泄漏。當(dāng)系統(tǒng)的周圍環(huán)境存在

11、被測(cè)氣體時(shí), 傳感器的氣敏元件的阻值會(huì)降低, 這時(shí), 連接在傳感器的輸出端和地之間的電阻R11兩端電壓就會(huì)升高, 從而輸出電壓發(fā)生改變。輸出電壓將會(huì)高于最初的設(shè)定值, 接口2、3進(jìn)行比較后, 通過(guò)接口1輸出一個(gè)電壓差值, 接口12、13電壓再次進(jìn)行比較, 接口十四輸出正電壓 3, 此時(shí)三極管導(dǎo)通, 蜂鳴器將會(huì)發(fā)出聲音。而當(dāng)周圍環(huán)境的北側(cè)氣體到達(dá)一定濃度時(shí), 接口5、6的電壓進(jìn)行比較后輸出的電壓大于等于1. 5V時(shí), 此時(shí)紅燈亮, 并且連接在紅燈和開(kāi)關(guān)J之間的三極管導(dǎo)通, 從而啟動(dòng)開(kāi)關(guān)J鏈接的后續(xù)元件開(kāi)始工作, 即排風(fēng)機(jī)將危險(xiǎn)氣體排出, 從而保證了安全問(wèn)題。心得體會(huì)經(jīng)過(guò)這次的危險(xiǎn)氣體泄漏報(bào)警器的

12、設(shè)計(jì),我個(gè)人得到了不少的收獲,一方面加深了我對(duì)課本理論的認(rèn)識(shí),另一方面也提高了軟件操作能力。現(xiàn)在我總結(jié)了以下的體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)。這次設(shè)計(jì)跟我們以前做的設(shè)計(jì)不同，因?yàn)槲矣X(jué)得這次我是真真正正的自己親自去完成。所以是我覺(jué)得這次試驗(yàn)設(shè)計(jì)最寶貴，最深刻的過(guò)程全是我們學(xué)生自己動(dòng)手來(lái)完成的，這樣，我們就必須要弄懂原理，而且體會(huì)到了實(shí)際的軟件操作能力是靠自己親自動(dòng)手，親自開(kāi)動(dòng)腦筋，親自去請(qǐng)教別人才能得到提高的。我們?cè)O(shè)計(jì)絕對(duì)不能人云亦云，要有自己的看法，這樣我們就要有充分的準(zhǔn)備，若是做了也不知道是個(gè)什么實(shí)驗(yàn)，那么做了也是白做。設(shè)計(jì)總是與課本知識(shí)相關(guān)的，我們必須回顧課本的知識(shí)，知道做設(shè)計(jì)時(shí)將要測(cè)量什么物理量，寫(xiě)報(bào)告時(shí)怎

13、么處理這些物理量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們應(yīng)該盡量減少操作的盲目性提提高設(shè)計(jì)效率的保證，有的人一開(kāi)始就趕著做，結(jié)果卻越做越忙，主要就是這個(gè)原因。我也曾經(jīng)犯過(guò)這樣的錯(cuò)誤。在實(shí)驗(yàn)仿真時(shí)，開(kāi)始沒(méi)有認(rèn)真吃透電路圖，儀器面板的布置及各鍵的功能，瞎著接線，結(jié)果顯示不到數(shù)據(jù)，等到顯示到了又不正確，最后只好找同學(xué)幫忙。 最后，通過(guò)這次的危險(xiǎn)氣體報(bào)警器的設(shè)計(jì)我不但對(duì)理論知識(shí)有了更加深的理解，對(duì)于實(shí)際的操作也有了質(zhì)的飛躍，對(duì)各個(gè)方面都得到了不少的提高，為我們以后出去工作奠定了一定的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn):1 王衛(wèi)東.模擬電子電路技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)2002: 58-62.2 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）M.北京：清華大學(xué)出版社，1977：138-162.3 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)