畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-燃器報(bào)警器設(shè)計(jì).doc

河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目：燃器報(bào)警器設(shè)計(jì) 系 別 信息機(jī)電系 專 業(yè) 應(yīng)用電子技術(shù) 班 級(jí) 09電子 姓 名 學(xué) 號(hào) 0406090102 指導(dǎo)教師 2012年4月20日摘 要家庭使用液化氣、燃?xì)獾瓤扇細(xì)怏w作燃料的越來(lái)越多，但是這些氣體有害、易爆炸，隱患事故多，如氣體泄漏時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，會(huì)給家庭及鄰居帶來(lái)災(zāi)難性危害。本次設(shè)計(jì)內(nèi)容包括可燃?xì)怏w報(bào)警電路的結(jié)構(gòu)及其工作原理。此報(bào)警電路以氣敏傳感器為主要組成部分,氣敏半導(dǎo)體傳感器檢測(cè)到可燃?xì)怏w時(shí)通過(guò)電導(dǎo)率的改變來(lái)控制多諧振蕩器及正反饋振蕩器間歇工作，通過(guò)報(bào)警電路從而達(dá)到報(bào)警的目的。 隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，易燃、易爆氣體的種類和使用范圍都隨之增加。這些氣體在使用過(guò)程中一旦發(fā)生泄漏，與空氣混合后將會(huì)引發(fā)火災(zāi)。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力作用下，可燃?xì)怏w會(huì)沿地表面迅速擴(kuò)散，擴(kuò)大危害區(qū)域。一旦發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏事故，及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中可燃?xì)怏w的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。 本次設(shè)計(jì)的題目是家用可燃?xì)怏w報(bào)警器，主要應(yīng)用于家庭中。本設(shè)計(jì)應(yīng)用的主要器件是氣敏半導(dǎo)體傳感器，該傳感器的靈敏度高，因此可以檢測(cè)可燃?xì)怏w的微量泄漏。關(guān)鍵詞：燃器；報(bào)警器；設(shè)計(jì)ABSTRACT Court to use liquefied petroleum gas, gas and other combustible gas as a fuel, more and more, but these gases are harmful, explosive, hidden accidents, such as gas leaks, not timely detection and handling, will give families and neighbors to bring catastrophic harm. The design includes the structure and working principle of the combustible gas alarm circuit.This alarm circuit as the main component of gas sensors, gas semiconductor sensor detection of combustible gases multi.vibrator is controlled by changes in electrical conductivity and the positive feedback oscillator intermittent alarm through the alarm circuit so as to achieve the purpose. With the development of the petrochemical industry, flammable, the type and scope of use of the explosive gases have increased. These gases in the course of the event of leakage, mixed with air will result in a fire .Due to the diffusion of the gas itself, after the leak in the external wind effect gas experience rapid spread along the ground surface, expanding the hazard area. Once the combustible gas leakage accident occurs, timely and reliable detection of combustible gases in air content, and take timely and effective measures to remedy, correct disposal methods to reduce the leak caused the accident, is a necessary condition to avoid causing major property and casualty.The subject of this design is the home combustible gas alarm, mainly used in the home. The main components of the design application is the gas sensitive semiconductor sensor, the sensors high sensitivity enables the detection of combustible gases trace leak. Key words: burner; alarm; design目 錄 摘要.1 第一章 引言.1 1.1 本課題研究的背景與意義.2 1.2 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展.2 第二章 方案設(shè)計(jì).3 2.1 整體設(shè)計(jì)思想.3 第三章 電路設(shè)計(jì).4 3.1 電源模塊的設(shè)計(jì).4 3.2可燃?xì)怏w檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì).4 3.3 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì).5 3.4燃器報(bào)警器的組成以及工作原理.6 第四章 電路的仿真與分析.8 4.1 電路的PCB仿真.8 4.2 電路的調(diào)試分析.9 第五章 所用芯片及其他器件選擇.10 5.1 555定時(shí)器.10 5.2氣敏元器件.10 5.3繼電器.11 畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)及致謝.13 參考文獻(xiàn).14 引言1.81 化工行業(yè)的發(fā)展，易燃易爆氣體的種類和適用范圍都隨之增加，這些氣體在使用過(guò)程一旦發(fā)生泄漏，與空氣混合后將會(huì)引發(fā)火災(zāi)。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，在外部風(fēng)力作用下，可燃?xì)怏w會(huì)沿著地表面迅速擴(kuò)散，夸大危害區(qū)域。一旦發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏事故，及時(shí)可靠地探測(cè)空氣中可燃?xì)怏w的含量，及時(shí)采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大財(cái)產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。由于燃?xì)庑孤┮l(fā)的爆炸，中毒和火災(zāi)事故也時(shí)有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。為了使可燃?xì)怏w更好的造福于民，造福于社會(huì)，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤┒l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故，固可燃?xì)怏w使用單位及居民用戶選擇一種適合的燃器報(bào)警器實(shí)為必要之舉。1.1 本課題研究的背景及意義 生活當(dāng)中，天然氣，煤氣，液化氣已經(jīng)成為人們常用的燃料，然而由于器具或傳輸通道老化，很容易發(fā)生泄漏事件。若泄漏的可燃性氣體或液體蒸汽未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，而使氣體濃度不斷積累，進(jìn)而達(dá)到一定的爆炸極限，則隨時(shí)可能發(fā)生火災(zāi)甚至是爆炸等惡性事故，造成人身傷亡的重大事故，釀成不堪設(shè)想的悲劇，國(guó)內(nèi)外均有這方面不少的報(bào)道，其教訓(xùn)是非常深刻的。為了防患于未然，需采用先進(jìn)的，可靠地安全監(jiān)測(cè)器嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中的可燃?xì)怏w的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，從而采取有效措施，確保人身安全。它的重要性已被安全意識(shí)日益增強(qiáng)的人們所公認(rèn)。為此我們需要研制出一種可燃性氣體定量限時(shí)報(bào)警器，用于檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w的濃度，但空氣中的可燃性氣體濃度達(dá)到一定值時(shí)，指示燈點(diǎn)亮并報(bào)警。從而保障生產(chǎn)與生活的安全，避免火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生。1.2 國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)2.81 目前世界上可燃?xì)怏w報(bào)警器的產(chǎn)品規(guī)格有300到400種，可燃?xì)怏w檢測(cè)設(shè)備從儀器結(jié)構(gòu)上可檢測(cè)方法上可分為便攜式，袖珍式和固定式3類型。便攜式檢測(cè)儀器主要為泵吸式。泵吸式儀器一般有較長(zhǎng)吸樣管，以用于危險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)所對(duì)未知濃度的有害易燃易爆氣體進(jìn)行檢測(cè)，適用于檢測(cè)人員定期進(jìn)行安全檢測(cè)和日常檢測(cè)；袖珍式儀器的檢測(cè)方法主要以擴(kuò)散法為主，適合與在危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境中安全人員隨身攜帶。目前氣體報(bào)警器行業(yè)主要根據(jù)不同的氣體來(lái)生產(chǎn)不同的報(bào)警器。由于氣體報(bào)警器并不是通用性，比如天然氣場(chǎng)合使用天然氣報(bào)警器，人工煤氣場(chǎng)合使用人工煤氣報(bào)警器，所以會(huì)有不同的氣體報(bào)警器。報(bào)警服務(wù)業(yè)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家，無(wú)論是市場(chǎng)制度的建立完善，行業(yè)資源配置的合理，管理水平的提高，完善的法律保障體系，還是嚴(yán)格的行業(yè)規(guī)范等等都已經(jīng)比較成熟。中國(guó)在可燃?xì)怏w報(bào)警電路的研制也取得了很大的收獲。 氣體報(bào)警器行業(yè)市場(chǎng)目前規(guī)模不是很大，但未來(lái)需求潛力巨大。由于市場(chǎng)上的氣敏傳感器的價(jià)格普遍較貴，一般家用可燃?xì)怏w報(bào)警器的最低價(jià)格要150元，目的在于降低產(chǎn)品成本，促進(jìn)燃器報(bào)警器的推廣。第二章 方案設(shè)計(jì)2.1 整體設(shè)計(jì)思想從功能角度上看燃器報(bào)警器電路要實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w的感應(yīng)，將氣體的濃度轉(zhuǎn)化成電壓的變化，氣體濃度達(dá)到一定程度發(fā)出報(bào)警。該設(shè)計(jì)的可燃性氣體報(bào)警通風(fēng)裝置，采取單獨(dú)利用硬件的開(kāi)發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成。它的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用元件相對(duì)較少，使其制作成本大大降低，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，適應(yīng)了燃器報(bào)警器價(jià)格逐步降低的趨勢(shì)，具有較高的性價(jià)比。圖1即為燃器報(bào)警器報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案框圖，其主要組成電路為：電源電路、穩(wěn)壓電路、傳感器及設(shè)定電壓、比較電路、放大電路及報(bào)警電路。報(bào)警電路3.81 第三章 電路的設(shè)計(jì)3.1 電源模塊的設(shè)計(jì) 原理說(shuō)明：如圖所示電路由家用220V電壓，變壓器，整流電路，及濾波穩(wěn)壓電路組成，實(shí)現(xiàn)交流電到直流電的轉(zhuǎn)變，在供電給后續(xù)電路工作。 電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過(guò)整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電路加以濾波，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓海水電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載和溫度的變化而變化。因而在整流，濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。電源部分電路 3.2 檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)4.81 原理說(shuō)明：如圖所示當(dāng)空氣中的可燃?xì)怏w未到達(dá)一定值時(shí)，QM-N5氣敏傳感器電阻值很大，使電壓比較器正向輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為低電平，繼電器不工作，如果空氣中的可燃?xì)怏w濃度達(dá)到一定值時(shí)，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正向輸入端電壓大于反相輸入端電壓，比較器輸出高電平，繼電器工作，從而驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路。改變RV2滑動(dòng)變阻器的阻值，可以改變電壓比較器的反相輸入端的電壓，使聲光報(bào)警電路可以在可燃?xì)怏w不同濃度下工作。即用氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w不同濃度的測(cè)量。 3.3 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì) 原理說(shuō)明：如圖所示中繼電器控制聲光報(bào)警電路，繼電器的電感線圈的一端與電壓比較器輸出端相連。當(dāng)電壓比較器輸出低電平時(shí)，繼電器內(nèi)部的開(kāi)關(guān)打開(kāi)，聲光報(bào)警電路不工作；當(dāng)電壓比較器輸出高電平時(shí)，繼電器內(nèi)部開(kāi)關(guān)閉合，聲光報(bào)警電路在電源的供電下開(kāi)始工作。 555多諧振蕩器輸出端為個(gè)周期性的方波，其頻率為： f=1/(tpl+tph),可近似看成 f=1.43/(r1+r2)c 本設(shè)計(jì)中R1=22K，R2=11K，c=33u，可算得f約為1hz,即555多諧振蕩器會(huì)產(chǎn)生一秒的連續(xù)脈沖。5.81 3.4 燃器報(bào)警器的組成以及工作原理6.81 由220v交流電壓經(jīng)電源變壓器，整流電路，濾波和穩(wěn)壓電路四部分后變?yōu)橹绷麟妷?，供氣敏傳感器及聲光?bào)警電路工作。當(dāng)空氣中的有害氣體濃度為達(dá)到一定值時(shí)，QM-N氣敏傳感器電阻值很大，使電壓反向比較器正向輸入端的電壓小于反相輸入端的電壓，電壓比較器的輸出端為低電平，繼電器不工作；空氣中的可燃?xì)怏w達(dá)到一定值時(shí)，傳感器的電阻值變小，使電壓比較器正向輸入端電壓大于反相輸入端電壓，比較器輸出高電平，繼電器工作，從而驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路。當(dāng)可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)降到某一預(yù)定值時(shí)，該控制器回自動(dòng)切斷聲光報(bào)警電路的工作電源，時(shí)期停止工作，從而達(dá)到了自動(dòng)控制可燃?xì)怏w的目的。 7.81第四章 電路的仿真與分析4.1 電路的PCB仿真. protel99se設(shè)計(jì)的燃器報(bào)警器只需簡(jiǎn)略改良即可增長(zhǎng)把持功效，可方便實(shí)現(xiàn)主動(dòng)把持開(kāi)啟風(fēng)扇等裝置。該可燃性氣體泄漏報(bào)警器不僅適于家庭，也適于工礦企業(yè)等利用，且其報(bào)警敏銳度、報(bào)警提示功效、可靠性等優(yōu)于目前已有產(chǎn)品。1.用protel軟件繪制系統(tǒng)原理圖8.812. PCB 制圖4.2 電路的調(diào)試分析將該傳感器接至規(guī)定負(fù)載，在加電的初始階段，傳感器的電導(dǎo)率呈現(xiàn)一個(gè)較高的值，約3 min左右達(dá)到穩(wěn)態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃?xì)怏w中，其電導(dǎo)率將升高，在一定范圍內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度越高，傳感器電導(dǎo)率也越高，如果將傳感器與負(fù)載串聯(lián)，負(fù)載即引起電壓變化，讀取這一變化電壓，經(jīng)比較、放大即可實(shí)現(xiàn)報(bào)警與控制等功能。該設(shè)計(jì)的家用可燃性氣體泄露報(bào)警及通風(fēng)裝置，采取了單獨(dú)利用硬件的開(kāi)發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成，從而該設(shè)計(jì)的燃?xì)鈭?bào)警裝置有較高的性價(jià)比。該智能可燃性氣體報(bào)警器具有較好的性能，并且價(jià)格低廉，適應(yīng)市場(chǎng)上可燃性氣體報(bào)警器發(fā)展的方向，所以其應(yīng)用前景廣闊。9.81第五章 所用芯片及其他器件說(shuō)明5.1 555定時(shí)器555為8腳封裝的器件。其中，1腳(GND)為接地腳;2腳(TL)為低電平觸發(fā)端;3腳(Q)為電路的輸出端;4腳為復(fù)位端，低電平有效;5腳(V-C)為電壓控制端;6腳(TH)為閾值輸入端;7腳(DIS)為放電端;8腳(VCC)為電源電壓端，其電壓范圍318V。 如圖所示，由555組成的多諧振蕩器工作原理如下 ：接通電源后，電容c被充電，當(dāng)vc上升到2/3vcc時(shí)，觸發(fā)器被復(fù)位，同時(shí)發(fā)電BjT T 導(dǎo)通，此時(shí)Vo為低電壓，電容C通過(guò)R2和T放電，使Vc下降。當(dāng)Vc下降到（1/3)Vcc時(shí)，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電所需的時(shí)間為: Tpl=R2Cln2,可近似看成tpl=0.7R2C 當(dāng)C放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過(guò)R1、R2向電容器C充電，VC由(1/3）Vcc上升到（2/3)Vcc所需的時(shí)間為: Tph=(R1+R2）Cln2,可近似看成tph=0.7（R1+R2）C 而當(dāng)Vc上升到（2/3）Vcc時(shí)，觸發(fā)器又周而復(fù)始，在輸出端就得到一個(gè)周期性的方波，其頻率為： F=1/(tpl+tph），可近似看成f=1.43/(R1+R2)C 10.815.2 QM-N5氣敏傳感器9.81QM-N5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件，當(dāng)元件接觸還原性氣體時(shí)，其電導(dǎo)率隨氣體濃度的增加而迅速升高。QM-N5型氣敏元件適用于天然氣、煤氣、氫氣、烷類氣體、烯類氣體、汽油、煤油、乙炔、氨氣、煙霧等的檢測(cè)，屬于N型半導(dǎo)體元件。靈敏度較高，穩(wěn)定性較好，響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間短.工作電壓AC或DC(50.5)V;回路電壓最大DC24 V;負(fù)載電阻2 k;清潔空氣中電阻小于等于4 000 k;靈敏度大于等于4(1 000 ppm C4H10);響應(yīng)時(shí)間小于等于10 s;恢復(fù)時(shí)間小于等于30 s;檢測(cè)范圍為5010 000ppm。QM-N5使用注意事項(xiàng)；元件開(kāi)始通電工作時(shí)，沒(méi)有接觸可燃性氣體，其電導(dǎo)率急劇增加1 min后達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)方可正常使用;加熱電壓的改變會(huì)直接影響元件的性能，所以在規(guī)定的電壓范圍內(nèi)使用為佳;使用溫度-15+35;相對(duì)濕度45%75%RH;大氣壓力80106 kPa;為避免腐蝕性氣體及油污染，長(zhǎng)期使用，需防止堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。5.3 繼電器電磁繼電器是自動(dòng)控制電路中常用的一種元件。實(shí)際上它是用較小電流控制較大電流的一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)。因此，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中。電磁繼電器一般由一個(gè)線圈、鐵心、一組成幾組帶觸點(diǎn)的簧片組成。觸點(diǎn)有動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)之分，在工作過(guò)程中能夠動(dòng)作的稱為動(dòng)觸點(diǎn)，不能動(dòng)作的稱為靜觸點(diǎn)。 電磁繼電器的工作原理是這樣的：當(dāng)線圈通電以后，鐵心被磁化產(chǎn)生足夠大的電磁力，吸動(dòng)銜鐵并帶動(dòng)簧片，使動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)閉合或分開(kāi)；當(dāng)線圈斷電后，電磁吸力消失，銜鐵返回原來(lái)的位置，動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)又恢復(fù)到原來(lái)閉合或分開(kāi)的狀態(tài)。應(yīng)用時(shí)只要把需要控制的電路接到觸點(diǎn)上，就可利用繼電器達(dá)到控制的目的。11.81 繼電器的電符號(hào)和觸點(diǎn)形式。繼電器線圈在電路中用一個(gè)長(zhǎng)方框符號(hào)表示，如果繼電器有兩個(gè)線圈，就畫(huà)兩個(gè)并列的長(zhǎng)方框。同時(shí)在長(zhǎng)方框內(nèi)或長(zhǎng)方框旁標(biāo)上繼電器的文字符號(hào)“J”。繼電器的觸點(diǎn)有兩種表示方法：一種是把它們直接畫(huà)在長(zhǎng)方框一側(cè)，這種表示法較為直觀。另一種是按照電路連接的需要，把各個(gè)觸點(diǎn)分別畫(huà)到各自的控制電路中，通常在同一繼電器的觸點(diǎn)與線圈旁分別標(biāo)注上相同的文字符號(hào)，并將觸點(diǎn)組編上號(hào)碼，以示區(qū)別。 繼電器的選用： 1.先了解必要的條件：控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；被控制電路中的電壓和電流；被控電路需要幾組、什么形式的觸點(diǎn)。選用繼電器時(shí)，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據(jù)。控制電路應(yīng)能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。 2.查閱有關(guān)資料確定使用條件后，可查找相關(guān)資料，找出需要的繼電器的型號(hào)和規(guī)格號(hào)。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對(duì)是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。 3.注意器具的容積。若是用于一般用電器，除考慮機(jī)箱容積外，小型繼電器主要考慮電路板安裝布局。對(duì)于小型電器，如玩具、遙控裝置則應(yīng)選用超小型繼電器產(chǎn)品。12畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)及