毕业设计（论文）家用简易瓦斯报警电路.doc

家用简易瓦斯报警电路林志升 电子信息系摘 要：生产生活中，可燃气体泄漏而引发安全事故的情况屡见不鲜。应用报警电路可实现安全报警，确保生产和人身安全。电路板设计中会应用很多电子元器件和集成电路，在探测泄漏气体上选择传感器。该论文主要对分立电子元器件、集成电路、传感器的应用进行阐述及对报警电路的设计进行分析描述。毕业设计中要用到Multisim软件画出电路图。一方面直观的方便了研究电路原理，另一方面在电路搭接时准确进行调试。设计达到了对泄露气体的传感、报警，该电路满足了对日常生活的要求。关键词：瓦斯；报警电路；传感器；集成电路Household simple gas alarm circuitLin Zhisheng Department of Electronic informationAbstract：The production life, combustible gas leakage safety accidents caused by the situations it is often seen. Application of the alarm circuit can achieve security alarm, to ensure the production and personal safety. Circuit board design will be used in many electronic components and integrated circuits, in the detection of gas leakage on the choice of sensor. This paper mainly on discrete electronic components, integrated circuits, elaborated the application of sensor and alarm circuit design analysis and description. Graduation design to use Multisim software to draw circuit diagram. A study on intuitive convenient circuit principle, on the other hand the circuit lap when accurate debugging. The design to the leakage gas sensor, alarm, the circuit to meet the requirements of daily life. Key words: gas； an alarm circuit；sensor； integrated circuit1 引言1.1 家用简易瓦斯报警电路的意义家庭使用液化气、煤气作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。本文介绍的这种瓦斯报警器适用于天然气、煤气、液化石油气等泄漏报警。工作原理该装置电路工作原理见图1（点此下载原理图）。它是由电源电路、传感器电路、压控振荡器电路及报警电路等组成。220V市电经电源变压器T1降压至5.5V左右，不用整流、滤波直接作为气敏半导体传感器QMN10的家庭使用液化气、煤气作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。这种瓦斯报警电路能检测出空气中是否含有天然气、煤气、液化石油气等危险气体，当这些有害气体浓度达到对人体有害的程度时，瓦斯报警器能通过声光形式报警，同时能自动切断危险气体产生源。通过本电路可以产出简易瓦斯报警装置，可以避免家庭灾难。1.2 家用简易瓦斯报警电路的现状及趋势由于现在我们过于追求城市化的发展进程，而疏忽了家庭基础设施的研究和提高，公民的危险意识也不够强，往往不会在家庭装有简单的报警装置。然而这种危险气体的危害性是众所周知的，一旦发生会给家庭带来毁灭性的灾难。就现在的家用简易瓦斯报警趋势是相当好的，由于公民对人生命安全意识的提高，家用简易瓦斯报警装置的需求量也在逐年增加。2 总体方案与原理说明2.1 家用简易瓦斯报警电路设计的任务目前家庭主要使用天然气、液化石油气、煤气作燃料，但是这些气体有害、易爆炸、隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭甚至社会带来灾难性危害。本课题制作的这种简易瓦斯报警电路适用于天然气、煤气、液化石油气等泄漏报警。这种瓦斯报警电路能检测出空气中是否含有天然气、煤气、液化石油气等危险气体，当这些有害气体浓度达到对人体有害的程度时，瓦斯报警器能通过声光形式报警，同时能自动切断危险气体产生源。2.2 家用简易瓦斯报警电路的可行性分析家用瓦斯报警电路能检测出空气中是否含有如天然气、煤气和液化气等危险气体，并且当空气中危险气体的含量对人体有害时能够自动报警，同时自动切断危险气体产生源。 家庭使用液化气、煤气作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。本文介绍的这种瓦斯报警器适用于天然气、煤气、液化石油气等泄漏报警。 家用瓦斯报警电路的总体框图如图1所示，它是由危险气体监测电路、危险气体电路检测电路、声光报警电路、自动切断电路和电源电路5部分构成的。危险气体监测电路的功能是利用气敏半导体传感器监测空气中危险气体的含量，并将有关气体的信号转换为电信号。危险气体检测电路的功能是利用比较器的原来检测空气中的危险气体含量是否对人体有害，并为后续电路发出有用信号。声光报警电路的功能是当空气中危险气体对人体有害时，通过声音和显示信号提醒主人。自动切断电路的功能是当空气中危险气体对人体有害时，能危险空气源。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电压。危险气体监测电路电源电路声光报警电路自动切断电路危险气体电路检测电路图1 家用瓦斯比较电路的总体框图3 元器件介绍3.1 元件NE555简介NE555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。图2为NE555的引脚图。图2 NE555引脚图 Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始NE555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到0伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。3.2 元件LM324LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，”V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。图3 LM324引脚图3.3 元件气敏半导体传感器QM-N10敏感到有害气体时，其电导率增大，阻值急剧下降，在电阻R2、R3上的压降使IC1A的脚处于高电位，此时IC1A的脚变为低电平，经IC1B反相后变为高电平，多谐振荡器起振工作，三极管VT2周期地导通与截止，于是由VT1、T2、C4、HTD等构成的正反馈振荡器间歇工作，发出报警声，与此同时,发光二极管LED1闪烁，从而达到有害气体泄漏告警的目的。QM-N10是一种高灵敏度、高稳定性的有害气体传感器,其主要技术参数如下:响应时间：10s恢复时间：60s加热电压：5V±0.5V加热功率：0.5W(加热丝冷态电阻为50±2)抗干扰能力：丁烷报警浓度设在0.3%时在下述条件下不会误报警：温度为-10-+50；湿度为95%RH。T1采用3-5W、5.5V电源变压器；T2采用81的半导体收音机输出变压器，倒过来用即可，HTD采用=27mm的压电陶瓷片，要求加装共振助声腔。由于QM-N10气敏半导体传感器在开机时，约有10分钟的预热期，在这个时间内易产生不稳定因素，导致误报，因此在电路的设计上有一个开机延时电路，它由R4、C2构成，调整R4，使延时时间在10分钟左右即可，电阻R2、R3的阻值决定了电路的报警起控点。将气敏传感器置于浓度为0.3%的丁烷气样中，调整R3的阻值，使电路处于报警临界点即可。最后可实地试验，调整R3至所要求的报警浓度点时报警。4 家用简易瓦斯报警电路的（硬件）设计4.1危险气体监测电路和检测电路图4左端所示为危险气体监测电路。该电路的核心器件是QM-N110，是一个气敏半导体传感器。QM-N110气敏半导体传感器在洁净空气中的阻值大约几十千欧姆，但是当接触到如天然气、煤气和液化气等危险气体时，电导率增大，电阻值极度减小，在空气中，危险气体含量在0.5%以下时，QM-N110的电阻值下降幅度和危险气体浓度成正比。由电路所示，公共电网的220V交流电通过变压器TR1降压到12V左右，不经过整流和滤波直接作为QM-N110的加热电压，而QM-N110的控制端则由直流电源供电。电阻R1上网功能是分压和限流，保证QM-N110能够正常工作。这样通过QM-N110就可以监测空气中危险气体的浓度，并且将浓度信号转化为电信号。如图4右端电路所示，危险气体检测电路主要由两部分组成，首先是由电阻R2和电容C1组成的延时电路，其次是由运算放大器组成的比较器电路，其功能是通过比较器原理检测空气中危险气体的含量是否对人体有害。首先QM-N110气敏半导体传感器监测到的信号通过开机延时电路，输入到两个运算放大器的反相输入端。然后通过电阻R3、R5和可变电阻R4分压得到电压V3和V4，并分别输入到运算放大器的同相输入端。通过调节可变电阻R4，使V3电压值对应QM-N110气敏半导体传感器监测到空气中含有对人体有害时的信号量。这样，当空气正常时，两个运算放大器都输出低电平；当空气中有有害气体时，运算放大器U1输出高电平，运算放大器输出低电平；当空气中含有危险气体对人体有害时，两个运算放大器都输出高电平。图4 危险气体监测电路和检测电路4.2声光报警电路声光报警电路如图5所示，主要由两部分组成：首先是由NE555集成电路构成振荡信号产生电路；其次是由运算发大器、发光二极管D1和扬声器构成的声光报警电路。由前述可知，当空气中的危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电平，则三极管T1截止，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压均为零，则由NE555集成电路的功能可知，输出端Q输出为高电平。输出端Q接入由运算发大器构成的反相电路，则运算发大器的输出为低电平。这样，发光二极管D1截止；三极管T2截止，蜂鸣器不工作，即此时不进行声光报警。当空气中的危险气体浓度对人体有害时，V4电压为高电平，则三极管T1导通。此时电源通过电阻R1和R2对电容C1进行充电，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压升高，当电压升高到>（2/3）Vcc时，输出端Q为低电平；此时THR和TRIG端通过DIS端放电，当电压下降到<（1/3）Vcc时，输出端Q为高电平。这样周而复始循环反复，NE555集成电路的输出端Q就可以输出振荡信号。同样输出端Q接入由运算发大器构成的反相电路，则运算发大器的输出电压也输出振荡信号。这样，发光二极管D1在截止和导通之间转换，D1呈闪烁状态；三极管T2在截止和导通状态之间转换，蜂鸣器进行间断工作，即此时进行声光报警。图5 声光报警电路4.3自动切断电路自动切断电路如图6所示。电路分量部分：虚线左边的电路为由NE555集成电路构成的单稳态电路，作为电路的复位电路；虚线右边的电路为自动切断电路。自动切断电路的关键器件为直流电动机MOTOE-DC，因为家庭中危险气体产生源一般为天然气或电化气罐，所以将电动机连接到开关位置，就可以通过电动机的运作打开或关闭通道，从而切断危险气体产生源。如图6 所示，当复位电路的按键S1没有按下时，NE555集成电路的TRIG端输入为高电平，输出端Q为低电平，T1截止。由前可知，当空气中危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电平，则三极管T2也截止，电机停转，电路不进行切断动作；而空气中危险气体浓度对人体有害时，V4为高电平，则三极管T1导通；由于T1和T2是并联连接，则电机正转的同时带动了开关切断有害气体来源。当有害气体来源的泄露排除后，按下按键S1，则TRIG端输入一个高电平。由稳态电路的特性可知，输出端会输出一段时间的高电平，使T1导通，则电机反转的同时带动开关打开通道。电机反转的时间由可变电阻R11和电容R12决定，并且可以根据开关实际情况，调节可变电阻，保证电机可以打开管道开关。图6 自动切断电路4.4电源电路 电源电路的设计可以采用两种方法来实现：第一种方法是采用电池提供，需要注意的选择合适电池的指标参数与电路相匹配。第二种是采用如图7所示电路。直接从交流电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V直流电压。电路中变压器采用常规的铁芯变压器，由于电路采用了±12V双电源，变压器中间需要加抽头；整流电路采用二极管桥式整流电路；C7C14完成滤波功能；由于电路采用了±12V双电源，因此稳压电路采用两个三端稳压集成电路来完成实现输出±12V。 图7 电源电路5家用简易瓦斯报警电路的仿真与调试5.1家用简易瓦斯报警电路的仿真图家用瓦斯报警电路的总电路图如图8所示。它是由危险气体监测电路、危险气体电路检测电路、声光报警电路、自动切断电路和电源电路8部分构成的。5.2总体电路原理相关说明家用瓦斯报警电路是由危险气体监测电路、危险气体电路检测电路、声光报警电路、自动切断电路和电源电路5部分构成的。其电源是直接从交流电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V直流电压。公共电网的220V交流电通过变压器TR1降压到12V左右，不经过整流和滤波直接作为QM-N110的加热电压，而QM-N110的控制端则由直流电源供电。电阻R1上网功能是分压和限流，保证QM-N110能够正常工作。这样通过QM-N110就可以监测空气中危险气体的浓度，并且将浓度信号转化为电信号。QM-N110气敏半导体传感器监测到的信号通过开机延时电路，输入到两个运算放大器的反图8家用瓦斯报警电路的总电路图相输入端。然后通过电阻R3、R5和可变电阻R4分压得到电压V3和V4，并分别输入到运算放大器的同相输入端。通过调节可变电阻R4，使V3电压值对应QM-N110气敏半导体传感器监测到空气中含有对人体有害时的信号量。这样，当空气正常时，两个运算放大器都输出低电平；当空气中有有害气体时，运算放大器U1输出高电平，运算放大器输出低电平；当空气中含有危险气体对人体有害时，两个运算放大器都输出高电平。当空气中危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电平，则三极管T2也截止，电机停转，电路不进行切断动作；而空气中危险气体浓度对人体有害时，V4为高电平，则三极管T1导通；由于T1和T2是并联连接，则电机正转的同时带动了开关切断有害气体来源。当有害气体来源的泄露排除后，按下按键S1，则TRIG端输入一个高电平。由稳态电路的特性可知，输出端会输出一段时间的高电平，使T1导通，则电机反转的同时带动开关打开通道。当空气中危险气体浓度未达到对人体有害时，V4电压为低电平，则三极管T1截止，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压为零，则由NE555集成电路的功能可知，输出端Q输出为高电平。输出端Q接入由运算放大器构成的反相电路，则运算放大器的输出为低电平。这样发光二极管D1截止；三极管T2截止，V4为高电平，蜂鸣器不工作，即此时不进行声光报警。相反，当空气中的危险气体浓度对人体有害时，发光二极管D1在截止和导通间转换，D1呈现闪烁状态；三极管T2同样在截止和导通间转换，蜂鸣器进行间断工作，即此时进行声光报警。从而达到有害气体泄漏告警的目的。6结论 在完成家用瓦斯报警电路的设计，通过在网上搜索论文设计的相关内容，也到学校图书馆借相关书籍，经过不断比较与讨论，最终确定了简易瓦斯报警的电路原理图。使其达到了初定实验结果即可以完成对泄露气体的传感、报警，该电路满足了对日常生活的要求。并且有稳定性高、灵敏度好、电路灵活小巧、经济可靠的优点、报警直观、便于操作的好处。参考文献1 陶桓齐.模拟电子技术M 湖北：华中科技大学出版社，2007：220-2392 李银华.电子线路设计指导M.北京航空航天大学出版社，20053 胡宴如.模拟电子技术M.高等教育出版社，20004 杨素行.模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社，20065 熊伟. Multisim电路设计及仿真应用. 清华大学出版社，20056 尹勇, 李林凌. Multisim电路仿真入门与进阶. 科学出版社，20057 王连英.基于Multisim的电子仿真实验与设计M北京邮电大学出版社，2009 安徽师范大学皖江学院毕业论文（设计）评定意见成绩： 签名： 年月日评语主要内容包括：学生写作态度、科研作风，论文选题的理论意义和实践价值，论据是否充分、可靠，掌握基础理论、专门知识、研究方法和技能的水平，写作的逻辑性、技巧及其他优缺点。安徽师范大学皖江学院毕业论文（设计）评定意见答辩组评定意见成绩： 答辩组组长签名：年月日系意见成绩： 系主任签章：年月日