煤气泄漏报警系统设计

郑州轻工业学院

传感器及应用系统课程设计说明书

煤气检测警报系统设计

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煤气泄露检测报警系统设计

摘要：当今社会上，出现了许多煤气报警器，而这些产品大都是用很复杂的pc机针对煤气的泄漏所做出的相应的报警。本课题设计煤气报警采用了最基本的部件，对煤气报警器进行控制。通过 UL281传感器对一氧化碳气体对煤气进行检测，然后根据所得的信号，利用555单稳态触发电路进行处理，进而控制报警器和风扇的运行。整个系统的硬件电路设计合理，简单，性能安全可靠。

关键词： 煤气浓度 555定时器 报警器

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目录

煤气泄露检测报警系统设计 ......................................................................... 1 目录 ................................................................................................................. 2 第一章 概述 ................................................................................................. 3 第二章 工作方案设计 ................................................................................... 4

第一节 系统组成框图 ........................................................................... 4 第二节 主要单元电路设计 ................................................................... 5

<一>co及故障检测电路 ................................................................ 5 <二>单稳态触发电路 ..................................................................... 7 <三>报警电路 ................................................................................. 8 <四>电源电路 ................................................................................. 9 第三节 总电路图和元件参数 ............................................................. 10

<一> 电路总图 ............................................................................. 10 <二>元器件的选择 ........................................................................ 11

第三章 小结 ............................................................................................... 13

第一节 优点总结 ............................................................................... 13 第二节 有待改进的地方总结 ........................................................... 13 第四章 设计的心得 ................................................................................... 15 参考文献 ....................................................................................................... 16

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第一章 概述

CO是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在CO气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。我国的CO报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能化程度也越来越高，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型单位场所，需要设置一种单一、廉价实用的CO探测报警装置，基于此种现象，应用所学的电路知识设计出一种简单易于实现，低成本的CO报警电路，不仅对于所学知识是一次综合复习的机会，而且更是练习如何应用所学的书本知识解决实际生产生活问题的能力，这是相当必要的。

人们通常将能把被测量物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同的形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始数据参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号或是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。

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第二章 工作方案设计

第一节 系统组成框图

本系统采用以以555定时器系统为核心开发煤气报警电路系统。系统硬件原理图如图1-1：

单稳态 气敏探 报警 电路 测电路 电路

电源电路 图1-1 系统框图

系统硬件原理图1-1由电源电路，气敏探测电路，555开关电路、报警处理等构成。整个系统由555处理电路为核心，根据TTL电平及单稳态触发电路的原理设计的。由气敏探测电路探测CO，当气体浓度升高时，气敏电阻元件的电阻值降低，它的各部分电路的说明如下。

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第二节 主要单元电路设计

<一>co及故障检测电路

图2-1 CO检测电路

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检测电路包括燃气泄漏检测和气敏元件损坏检测两部分，原理电路如图3所示。气敏传感器选用QM型，这是由金属氧化物半导体材料制成的“气——电”转换器件。当有燃气泄漏时，其表面会发生化学吸附，使本身电阻（图中AA’间的电阻）下降，且燃气浓度越高，电阻下降越多，利用该特性并通过W2、BG、R5等元件组成的开关电路即可获得“气——电”信号，完成燃气泄漏的检测，调节W1可设置不同燃气的报警限，C1为延时电容，用于减小传感器初始稳态的影响。

气敏传感器在使用中，其热丝可能烧断，但难以发现，致使用户在毫不知情的情况下继续使用已失效的燃气报警器。为能及时发现传感器的损坏，本系统特别设计了气敏元件自检电路（由R1,R5,R6,VT,D1等组成），元件正常时，R1上有电压信号，如热丝烧断，该信号为0，VT集电极输出高电平，点亮LED，能使用户及时发现。同时，气敏传感器不直接焊入电路，而是通过七脚电子管座与电路连接，若损坏可方便地从管座中拨出换新，从而解决了更换难的问题。

<二>单稳态触发电路

图2-2 单稳态触发电路

设计单稳延时电路的原因是因为当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。

采用555时基集成电路，它组成单稳态延时电路，接通电源后大约经过165s，555的输出端3脚输出高电平，当通过W3的过来一个高

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电压反向后得到一低电平，触发时基电路555，使由555等组成的单稳态电路翻转至暂态，其第3脚输出一高电平，与此同时，555内部的放电管截止，电源电压通过R6给C3充电，使得555的第6脚电位不断升高，当达到2/3Vcc时，555从暂态回到稳态，第3脚又输出低电平，继电器释放，开关断开，蜂鸣器不声音，但此时如果是由于气体浓度的原因，此时的第2脚还是处于低电平，3脚会立刻回到高电平，继电器无法释放，仍会有报警。一旦故障排除，2脚就会输入高电平，在经过10s左右的充电，6脚电位上升到2/3Vcc，第3脚就会变成低电平，555回到稳态，继电器释放，开关断开，蜂鸣器停止叫声，风扇停止工作。

<三>报警电路

图2-3 报警电路

当3号角输出为高电平时，驱动电磁继电器K吸合，控制的风扇和

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蜂鸣器工作，报警并将有害气体排出，保护人们不受毒气的侵害；当3号角恢复低电平时，由于继电器的线圈会产生一个反方向感应电动势，可能会对元件产生损害，所以并联一个二极管用作续流用，保护元器件不受损害。此处的二极管作为续流二极管。

<四>电源电路

图2-4 电源的电路

电路直接从220V电网供电，通过T变压器电路，出来11V左右的交流电压，经过二极管桥式整流电路，输出12v的直流电流，然后在经过C3和C4完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。共同构成电源电路，为整个电路提供12v的直流电压。

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<一> 电路总图

第三节 总电路图和元件参数

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<二>元器件的选择

UL281气敏传感器

基于实际的需要，针对一氧化碳要选用对于一氧化碳气体具有较高的灵敏度的气敏元件，通过查阅资料选出UL281作为探头。

一氧化碳检测保护仪，其特征在于采样传感器为UL281半导体探头，作为采样传感器，并配置探头预热工作转换电路，解决了传感器在不同条件下其特征变化大的问题，并保证了探头工作在最佳状态。表UL281参数

项目 测量灵敏范围 度 加热电加热电测量电工作温相对响应压 流 mA 压 V 度 °C 湿度 时间 %RH S 单位 10-6 R0/RX V 型号UL281 555时基电路

0~300 大于5 5±0.5 160~180 15±1.5 -10~50 不大60 于95 由于在工艺上气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在同一块硅片上，从而制成集成化元件。当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。因此在此次CO探测报警电路的设计中，采

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用555时基集成电路组成单稳态延时电路。

参数功能特性： 供应电压4.5-18V 供应电流3-6 mA ； 输出电流225mA (max) ； 上升/下降时间100 ns

触发器: GJ3-W型交流过零固态继电器

主要输入参数 控制电压：3-12 (VDC) 主要输出参数 负载电压：220 (VAC) 负载电流：3 (AAC) 通态压降：≤1.8 (VAC) 输入输出隔离电压：≥2500 （VAC）

六反向放大器CD4069

宽电源电压范围：为3.0V〜15V的。 高抗干扰：0.45V时 最大输出电流：230mA 管脚图：如右图

电动机：吹风机电机YY-F1-180

电压 230/120； 频率 50/60; 功率 180w； 极数4；

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第三章 小结

第一节 优点总结

通过实际生活的需要而设计的CO检测报警电路，此电路设计体现了该电路具有的优点，总结如下：

第一、首先针对需要被检测的有毒气体CO，选用什么样的气敏元件至关重要。要选择对一氧化碳有极高的灵敏度，这样才能使检测更准确，对一氧化碳有无以及浓度大小作出灵敏判断，并且要求湿度、温度稳定性好，以适应生产生活环境中湿度和温度的变化。通过查阅资料找到针对一氧化碳CO灵敏度极高的是气敏元件UL281。这样关键器件的选用问题解决了。

第二、选出的UL281对CO具有极高的灵敏度，但它不是孤立存在的，还要设计出与其相匹配的电路及探测报警电路。根据UL281的结构及其特点设计电路，既保证了UL281要求电源供电稳定，又保证了UL281的加热丝加热的要求。此电路还可通过滑动变阻器RP1 调节放大倍数。出于对报警安全严谨的考虑，还设计了气敏元件损坏指示电路，为了防止因元件损坏无法检测而造成无法报警，因此设计了气敏元件损坏指示电路。

第二节 有待改进的地方总结

即使该电路的设计具有解决问题的主要优点和特点，但任何一项电路设计都不可能是完美的、没有缺憾的，因此我根据实际生活需求概括

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出此电路在实际应用中有待改进的地方如下：该电路设计只是根据实际的问题需要设计的探测报警电路原理图，如果把理论应用到实际生产生活中还要考虑产品如何才能更方便的使用。我想到的就是电源供电的问题。该设计用的是直流12V电源，不方便日常生活使用，在产品制作工艺上，电源部分设计成交流电源（生活用电），通过桥式整流等电路转换成直流电，作为电源供电，我想这样会更有益于日常生活推广使用。

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第四章 设计的心得

经过这一周的课程设计，简单一点说，获益匪浅。

刚接到任务时有点不以为然，以前做过很多论文，不就是拼拼凑凑就完事了嘛。然而在真正开工的时候，发现了自己得想法有多膜的愚蠢，据搜资料来说，我就搜了整整一天，但收获甚微，好多都不能用，，课程设计不是简单的论文，终于感受到了，看看人家的设计，有条有理，给我第一感觉就是，他竟然写了一本书。目录、章节、图片、推理，一应俱全，可我都不知道资料怎么用，很受打击，于是歇了一天，后来又不甘心，我疯狂的搜资料，注册论坛会员注册了十几个，下的资料更是数不胜数。一下就懵了，这么多咋弄，于是又进入疯狂的筛选，多么多的资料一下又少得剩了一点，弄完资料，开始布局，可是目录咋写呢？都写啥内容呢？想半天不知道，最后还是求助网络吧，还不错，按照设计要求一步一步走，呵呵呵 接下来就好多了，有了资料有了提纲做起来快多了。

万事开头难，可做设计的过程也不简单，这是对于我来说，都是上课没好好听讲，基础不扎实，书到用时方恨少，在别人水道渠成的时候，我只能现学现卖，收获还挺大的，以前连听都没听说过的知识现在弄得比较熟悉，以前很含糊的知识，现在已经会熟练运用，呵呵呵 虽然累了点苦了点，但收获的快乐早已把困难掩盖。 这次课程设计对我帮助最大的是老师和同学的帮忙，在设计中我遇到了很多自己解决不了的困难，多亏老师的悉心指导和耐心讲解，让我顺利完成设计，收获很多。

经过这次课程设计，我学到了很多，真正感受到理论与实际的差距，而且还锻炼了自己的思维，运用知识的能力。再次感谢老师对我的细心指导和同伴的帮助，让我在实践中得到发展和提升。

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参考文献

[1] [日] 高桥清小长井诚 编著 《传感器电子学》宇航出版社 ， 1986

[2]《新型数字电压表原理与应用》 北京：国防工业出版社，1985 [3] 丁镇生 著 《传感及其遥感遥测技术应用》北京：电子工业出版社，2002

[4] 刘迎春 编著 《传感器原理 设计与应用》 长沙：国防科技大学出版社， 1988

[5] 《中国集成电路大全CMOS电路》北京：国防工业出版社， 1985 [6] 刘迎春，叶湘滨 著 《现代新型传感器原理与应用》北京：国防工业出版社， 2002

[7] 赵负图 编著 《传感器集成电路手册》 北京：化学工业出版社， 2002

[8] 《新编中国半导体器件数据手册》 北京：机械工业出版社， 1992 [9] 《实用电子文献》， 北京：电子工业出版社，1990-1995 [10] 《电子技术应用》 ， 北京：电子工业出版社，1985—1992

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