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1、个人资料整理仅限学习使用简易危险气体泄漏报警器的设计系别：电气工程与自动化专业：自动化姓名：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用学号：简易危险气体泄漏报警器的设计摘要在日常生活和工业生产中,安全是一个至关重要的环节,因为它关系到我们的人身和财产安全,危险气体泄漏预警系统可以在发生危险之前,积极采取措施 ,从而降低或是甚至完全排除危险。以半导体气体传感器为核心, 结合 7805 和 LM324,设计了一种简易廉价并且能够准确检测泄漏气体的危险气体泄漏报警器。当危险气体泄漏时, 系统可以用蜂鸣器报警
2、警示人们,并可连接后续器件, 当危险气体的浓度达到一定数值时, 将会启动排风装置,恢复正常的安全气体环境。1 引言目前 , 在工业和生活中均大量用到用于储存和输送压缩气体的压力容器, 如气缸、气罐、煤气管道等等。由于各种人为或是其他各种各样的原因, 容器会产生漏孔, 从而发生气体泄漏。这是一种对资源的严重浪费, 不仅会对空气造成严重的污染, 而且会造成人员伤亡, 国内外就有过类似的事情发生。危险气体泄露预警系统的出现可以准确的判断和定位产生气体的位置, 并进行及时的报警提示, 对于提高企业的生产效率和节约能源具有重要的意义, 同时也避免了一些不必要的人员伤亡和财产损失。本论文从实际应用角度出发
3、, 设计出一种价廉物美的危险气体泄漏报警器。2 气体泄漏报警器的定义顾名思义 , 气体泄漏报警器就是气体泄露检测报警仪器。当工业或日常生活环境中可燃或有毒气体泄露时 , 气体报警器检测到气体的浓度已经达到爆炸或中毒的临界点时, 报警器就会发出报警信号 , 以提醒人们采取安全措施, 并同时驱动排风、切断、喷淋等系统, 防止发生爆炸、火灾、中毒事故, 从而保障生产、人身和财产安全。3 电路设计方案气体泄漏报警器可由五个部分组成: 传感器、二极管、三极管、运算放大器、电源模块、比较电路。传感器选择半导体气体传感器, 它能感知环境中某种气体并将与气体浓度有关的信息转换成电信号。图 1 基于比较电路设计
4、的系统框图比较电路主要以运算放大器为核心, 它能够对传感器的输出电压和最初的设定值( 即气体泄漏的门限值 进行比较 , 当输出电压超过设定值时, 进行声音报警 , 当输出电压超出设定值1. 5V 时, 系统在进行声音报警的同时, 绿色指示灯亮 , 启动外部驱动电路, 进行自动排除危险功能。系统框图如图1 所示。报警器应具有以下特点: 1 当环境中危险气体的泄漏超过预定的门限值时, 能够做到准确报警。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用2 系统正常工作, 绿色指示灯亮。3 气体浓度达到一定浓度时,
5、 红色指示灯亮 ,并驱动蜂鸣器报警。4 拥有外部驱动开关, 能够驱动排气扇等通风设备工作。5 电源电路可实现220V 到 5V 的电压转换。6 采用声光报警。7 体积小。8 价格低廉 , 简单易用。电路的整体设计原理图如图2 所示。图 2 系统设计原理图4 系统电路设计组成部分介绍4. 1 半导体气体传感器气体传感器的种类很多, 其中包括半导体气体传感器、接触燃烧式气体传感器、电化学式气体传感器及固体电解质气体传感器等等, 但目前应用最广泛的是半导体气体传感器。4. 1. 1 半导体气体传感器氧化物半导体表面一旦吸附某些气体时, 其电导率将会发生改变, 利用半导体的这种性质检测气体特定成分(
6、主要是还原性气体 的传感器称为半导体气敏传感器 1 。如图 3 所示。图 3 传感器元件符号4. 1. 2 气敏传感器输出电压获取方式半导体气敏传感器采用加热器对气敏元件进行加热。这时, 加热器的加热温度对气敏传感器的特性有很大影响。为此, 加热器的电压恒定是非常重要的。气敏传感器的输出电压如图所示, 其中与气敏传感器串联电阻Rs, 该电阻的电压降就是传感器的输出电压, 若检测到有害气体 , 传感器的气敏元件的阻值就会降低, 这时 , Rs两端电压就会升高,从而 , 输出电压发生变化 1。考虑所确定浓度气体中气敏元件的阻值来决定Rs阻值 , 对于一般的应用, 传感器的输出电压为2V 3V 时,
7、 则后续电路处理就非常方便。将传感器的输出接到比较器A1 的同相输入端 , 当检测气体的浓度超过设定值时,A1 输出高电平 , 控制后续电路工作, 这样就构成了精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用简单的气体检测电路 2, 如图 4 所示。图 4 气敏传感器电压输出获取方式4. 2 电源电路设计思路 : 危险气体泄漏预警系统广泛应用于工业生产和日常生活中, 考虑到平常的使用电压是 220V, 所以电源电路的时段首先设计一个220V/9V 的变压器 , 从而使该气体泄漏报警系统在实际应用中更加的方便
8、。连接在后面是两个并联的二极管, 它起到的是整流作用, 把交流变为直流的电路。借随其后串联的电阻和电解电容, 是一个小型的滤波器, 当整流后的电压通过滤波器后, 输出的电压降更加平稳, 有利于系统的稳定性。芯片7805 是一个提供5V的三端稳压集成电路。将电源电路的末端连接在7805 后, 就保证整个电路在系统的工作期间一直连续不断的提供5V 电源 31。其电路图如5 所示。图 5 电源电路4. 3 比较电路设计思路 : 气体传感器的输出电压连接在放大器LM324 的同相输入端 , 放大器的反相输入端连接在滑动变阻器上, 在系统工作之前, 调节滑动变阻器, 设定最初值 , 此值标志系统工作环境
9、的正常范围 , 当气体浓度高于设定值时, 放大器输出高电平, 此时的输出电压连接在另一个放大器上 , 进行再次放大, 输出电压使得三极管导通。连接在三极管上的蜂鸣器便发出声响, 起到警示作用。如图6 所示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用图 6 比较电路4. 4 声光报警及外部驱动电路设计思路 : 当系统的周围环境气体泄漏的浓度到达一定程度时, 为了安全 , 声光报警的同时, 再设计一个外部驱动电路, 这样就可以在气体浓度过高时, 由外部驱动电路驱动外部电路, 譬如驱动排风扇等装置, 这样气
10、体达到一定浓度, 排风扇自动工作, 将危险气体排出, 更加保障了安全。因此, 将气体传感器的输出电压连接在另一个运算放大器上,放大器的另一端仍然接在滑动变阻器上, 在将二极管和三极管顺次连接上, 这样当气体浓度很高时,放大器的输出电压高于 1. 5V 时, 这样二极管、三极管导通, 绿色指示灯亮并且启动连接在三极管上开关 , 这样外部设置开始工作, 自动排除气体 5。如图 7 所示。图 7 声光报警及外部驱动电路5 系统的实现过程和改善方案5. 1 系统的实现过程当电源接通时 , 7805 提供稳定的5V 电压 , 保证系统运行的稳定性。首先通过滑动变阻器设置一个确定值 , 当系统的周围环境中
11、, 不存在被测气体时, 气敏传感器的输出电压小于设定的最初值 , 此时电压经过比较器, 输出低电压 , 二极管和三极管不导通, 此时蜂鸣器不响, 红灯也不亮 , 表示没有危险气体泄漏。当系统的周围环境存在被测气体时, 传感器的气敏元件的阻值会降低 , 这时 , 连接在传感器的输出端和地之间的电阻R11两端电压就会升高, 从而输出电压发生改变。输出电压将会高于最初的设定值, 接口 2、3 进行比较后 , 通过接口1 输出一个电压差值 , 接口 12、 13 电压再次进行比较, 接口十四输出正电压 3, 此时三极管导通, 蜂鸣器将会发出声音。而当周围环境的北侧气体到达一定浓度时, 接口 5、6 的
12、电压进行比较后输出的电压大于等于1. 5V 时, 此时红灯亮 , 并且连接在红灯和开关J 之间的三极管导通, 从而启动开关J 链接的后续元件开始工作, 即排风机将危险气体排出, 从而保证了安全问题。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用5. 2 系统的改善方案5. 2. 1 避免传感器初期响应引起误报警的电路设计思路 : 为了标志气体传感器的工作状态, 选用一个二极管预期串联, 当气体传感器工作时, 红色指示灯亮, 然而在接通电源的瞬间, 产生的瞬间电压可能会是二极管导通, 从而使红色指示灯亮 ,
13、 此时 , 红灯亮是一种错误信息, 误报了气体传感器的工作状态, 为了避免这种状况的发生 ,在传感器的两端并联一个电解电容, 当电源接通时, 电解电容可以逐渐存储电荷, 是传感器慢慢趋于稳定, 而不是受到一个很大的冲击, 从而避免了上述状况的发生。电路如图 8 所示。图 8 避免传感器误报警电路5. 2. 2 温度补偿电路图 9 温度补偿电路精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页个人资料整理仅限学习使用半导体气敏传感器在气体中的电阻值与温度及湿度有关。一般来说, 温度和湿度低, 阻值较大。 温度和湿度高, 阻值较小 2。
14、为此气体浓度即使相同阻值也不同, 需要进行补偿。这里介绍简单的温度补偿电路, 如图 9 所示 , 它是在比较器A1 的反相输入端 ( 基准电压端 接入的负温度系数的热敏电阻RT, 在温度降低时, RT 阻值增大 , 则反相输入端的基准电压降低。而温度升高时基准电压增大, 从而跟踪温度的变化达到补偿的目的。但采用热敏电阻时,不能再高低温时都达到理想的的补偿效果, 这是需要灵敏地检测到气体时, 优先考虑低温补偿。5. 2. 3 防止误动作电路半导体气敏传感器的阻值在加电后不能马上稳定下来, 从低阻到高阻逐渐趋于稳定 2。为防止接通电源后控制电路无动作, 可采用如下图所示的电路 5。它是在接通电源后延迟一段时间 V1 才导通 , 因此 , 在接通电源的一定时间内继电器K不动作。如图10 所示。图 10 防止误动作电路这个危险气体泄漏报警器的设计比较简单, 能够检测到气体泄漏并报警提示, 且在气体泄漏达到一定浓度的时候启动外部设备自动排除危险, 但是也存在着一些不足之处, 因此从简单的气体报警器开始逐步向着复杂而多功能的大型气体报警器迈进, 从而争取最大程度的降低意外人员伤亡及经济损失, 这是我们最终的目标。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页