有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計(jì)

1、課 程 設(shè) 計(jì)題 目有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計(jì)學(xué) 院專 業(yè)班 級姓 名指導(dǎo)教師年月日有害氣體檢測與抽排電路設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)檢測有害氣體濃度，且當(dāng)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，能自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，能自動(dòng)抽排有害氣體的控制電路。要求：1）檢測到有害氣體意外排放超標(biāo)時(shí)，發(fā)出警笛報(bào)警聲和燈光間歇閃爍報(bào)警，同時(shí)自行啟動(dòng)抽排系統(tǒng)，以保障人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。2）抽排完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)回到實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)。3）對設(shè)計(jì)電路進(jìn)行仿真。2、電路總體設(shè)計(jì)21、電路原理系統(tǒng)框圖電源系統(tǒng)MQ-7氣敏傳感器信號檢測與比較系統(tǒng)抽排系統(tǒng)聲光報(bào)警系統(tǒng)圖2-1：系統(tǒng)框圖2.2、完整電路用protues軟件繪制成如下系

2、統(tǒng)原理圖圖2-2：電路整體效果圖2.3、電路工作原理氣敏傳感器是利用物質(zhì)效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)對氣體中的某些成分進(jìn)行檢測的器件，譬如半導(dǎo)體氣敏傳感器主要是利用半導(dǎo)體與某些氣體接觸時(shí)，其特性將發(fā)生變化這一現(xiàn)象來檢測氣體的成分或濃度。MQ-7氣敏傳感器對一氧化碳?xì)怏w有良好的靈敏度，當(dāng)一氧化碳濃度上升時(shí)，會(huì)使傳感器輸出電阻變大。故可利用這一特性，來設(shè)計(jì)電路。聲光報(bào)警電路可用555組成的多諧振蕩電路來控制，第一個(gè)555組成的電路輸出頻率很低的方波信號，驅(qū)動(dòng)電磁繼電器，是警示燈進(jìn)行閃亮，同時(shí)控制光電耦合器對第二個(gè)555組成的高頻多諧振蕩器進(jìn)行控制，使第二個(gè)555產(chǎn)生一個(gè)頻率變化的信號，驅(qū)動(dòng)報(bào)警喇叭發(fā)出報(bào)警聲。本

3、電路的控制電路主要是電磁繼電器和一個(gè)光電耦合器。2.4、各部分電路原理分析2.4.1、電源系統(tǒng)圖2-4-1：直流變壓穩(wěn)壓電路原理說明：圖2-4-1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，必須通過濾波電路加以濾波，即利用濾波電容C3和C4，雖然一個(gè)濾波電容就可以達(dá)到濾除紋波的作用，但是為了讓得到的波形更加穩(wěn)定，我采用了兩個(gè)電容并聯(lián)的方式，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)

4、，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。用集成穩(wěn)壓器更方便，而且得到的直流源更穩(wěn)定。2.4.2、信號檢測與比較系統(tǒng)圖2-4-2：電壓比較電路原理說明：圖2-4-2中，RV1來代替氣敏傳感器，當(dāng)氣體濃度上升時(shí)，相當(dāng)于RV1的阻值變大。U2是一個(gè)電壓比較器，從“-”端輸入一個(gè)基準(zhǔn)電壓，相當(dāng)于給定的氣體濃度，當(dāng)實(shí)際氣體濃度大于給定濃度，即RV1的阻值大于RV2。此時(shí)，U2的“+”端電壓大于“-”端電壓，會(huì)輸出一個(gè)高電壓，從而控制后面的電路。若氣體濃度較小時(shí)，“+”端電壓小于“-”端，輸出端輸出低電平

5、，后面電路不工作。2.4.3、抽排系統(tǒng)圖2-4-3：電機(jī)抽排電路原理說明：如圖2-4-3，通過電壓比較器的輸出信號來控制一個(gè)電磁繼電器RL2，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)氣體濃度過大時(shí)，輸出高電平，使電磁繼電器工作，開關(guān)閉合，電機(jī)回路通電，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)，氣體抽排進(jìn)行。2.4.4、聲光報(bào)警系統(tǒng)圖2-4-4聲光報(bào)警電路原理說明：如圖2-4-4所示，有兩個(gè)555定時(shí)器組成了聲光報(bào)警系統(tǒng)，第一個(gè)555定時(shí)器的頻率很低，由它控制一個(gè)電磁繼電器，會(huì)使繼電器規(guī)律的通斷，不斷重復(fù)。該電磁繼電器可以控制兩組開關(guān)，一組與白熾燈串聯(lián)，控制燈光不斷閃爍。第二組開關(guān)連一個(gè)光電耦合器，進(jìn)而控制第二個(gè)555定時(shí)器，第二個(gè)555的

6、頻率可由R30來控制，使其產(chǎn)生兩組不同頻率的高頻信號，利用這兩組高頻信號來驅(qū)動(dòng)一個(gè)喇叭，就可以產(chǎn)生高低起伏的警笛聲。2.4.5、整體工作及調(diào)試圖2-4-5：整體運(yùn)行電路說明：在運(yùn)行時(shí)，已經(jīng)假設(shè)氣體濃度超標(biāo)，即電壓比較器輸出為高電壓。喇叭處電壓輸出波形為：圖2-4-6：輸出波形調(diào)試：在調(diào)試中，用直流電壓表測試穩(wěn)壓源7805的輸出為+5.01v，與我們要求的5v穩(wěn)定電壓相符。電壓比較器在高電平時(shí)的輸出電壓為+4.77V，也足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路中的電磁繼電器與兩個(gè)555計(jì)時(shí)器，也滿足要求。最后看報(bào)警喇叭是否為兩個(gè)頻率的信號，經(jīng)示波器的顯示，輸出確實(shí)是兩個(gè)不同頻率的方波信號，可以使喇叭產(chǎn)生報(bào)警聲。電機(jī)也可

7、以在電磁繼電器的控制下正常轉(zhuǎn)動(dòng)。故障：在第一次調(diào)試時(shí)，由于沒有加光電耦合管，后面一個(gè)555定時(shí)器產(chǎn)生的信號會(huì)對前一個(gè)產(chǎn)生影響，使它們的輸出信號為一列雜波，為了消除干擾，加了一個(gè)光電耦合管，使前一級與后一級隔離開來，使干擾降低，可以正常工作。2.5、電路使用元件2.5.1、氣敏傳感器本設(shè)計(jì)氣敏電阻使用的是MQ-7型號的氣敏電阻，該電阻對一氧化碳濃度敏感，可用于一氧化碳濃度的檢測和抽排。MQ-7氣體傳感器的氣敏材料，是用在清潔空氣中電導(dǎo)率低的二氧化錫(SnO2)。采用高低溫循環(huán)檢測方式：低溫（1.5V加熱）檢測一氧化碳，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中一氧化碳?xì)怏w濃度增加而增大，高溫（5.0V加熱）清洗低溫

8、時(shí)吸附的雜散氣體。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化，轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 圖2-5-1：MQ-7靈敏度特性曲線VC圖2-5-2是傳感器的基本測試電路。該傳感器需要施加2 個(gè)電壓：加熱器電壓（VH）和測試電壓（VC）。其中VH用于為VHRL傳感器提供特定的工作溫度。VC 則是用于測定與傳感器GND串聯(lián)的負(fù)載電阻（RL）上的電壓（VRL）。這種傳感器具有輕微的極性，VC 需用直流電源。在滿足傳感器電性能要圖2-5-2：MQ-7測試電路圖求的前提下，VC 和VH 可以共用同一個(gè)電源電路。為更好利用傳感器的性能，需要選擇恰當(dāng)?shù)腞L值。具體MQ-7參數(shù)可參考附件2.5.2、電磁繼電器電磁

9、繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。 電磁繼電器的工作原理和特性 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸

10、合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(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)?？刂齐娐窇?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。 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和規(guī)格號。若手頭已有繼電器，可依據(jù)資料核對是否可以利用。最后考慮尺寸是否合適。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。2.5.3、

11、555定時(shí)器VCCVo圖2-5-3:555定時(shí)器及其應(yīng)用上圖為555定時(shí)器及由其連接成的多諧振蕩器。接通電源后，電容C2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C2放電所需的時(shí)間為：tPL=R2Cln2，可近似看成tPL=0.7R2C當(dāng)C2放電結(jié)束時(shí)，T截止，VCC將通過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

12、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)C2.5.4、電壓比較器圖2-5-4：電壓比較器電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近“無窮大”的運(yùn)算放大器。 電壓比較器的功能：比較兩個(gè)電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個(gè)輸入電壓的大小關(guān)系)： 當(dāng)”+”輸入端電壓高于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為高電平； 當(dāng)”+”輸入端電壓低于”輸入端時(shí)，電壓比較器輸出為低電平； 可工作在線性工作區(qū)和非線性工作區(qū)。 工作在線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是虛短，虛斷； 工作在非線性工作區(qū)時(shí)特點(diǎn)是跳變，虛斷； 由于比較器

13、的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放常工作在非線性區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)上看，運(yùn)放常處于開環(huán)狀態(tài)。2.5.5、集成穩(wěn)壓器本設(shè)計(jì)采用的是CW7805，該穩(wěn)壓器可以輸出穩(wěn)定的5V直流電壓。圖2-5-5:7805穩(wěn)壓器2.5.5、變壓器圖2-5-6：變壓器示意圖本設(shè)計(jì)使用的是220V電壓變40V的變壓器。根據(jù)變壓器的原邊與副邊的電感L1和L2可得出變壓器的變比為：K=L1L22.5.6、整流橋bBaA圖2-5-7：整流橋示意圖整流橋的圖示如圖5-7，其結(jié)構(gòu)為四個(gè)首尾相連的二極管。其中A、a兩個(gè)接口為交流輸入端，B、b為直流輸出端。當(dāng)交流電由A輸入，經(jīng)過二極管由b端輸入負(fù)載電路中，并由B端再經(jīng)

14、二極管到a端，又流回電源中，形成回路；同理當(dāng)交流電由a端輸入時(shí)，經(jīng)二極管流入b端并進(jìn)入負(fù)載電路，再經(jīng)由B端流入A端返回電源，形成另一套回路。在整個(gè)過程中，電流一直是由b端流出，經(jīng)負(fù)載再到B流入，所以可以將一個(gè)交流電源整流成交流電，不過有整流橋得到的直流電中還含有很多交流成分，需要濾波電路來把交流成分過濾出去。3、總結(jié)及體會(huì)經(jīng)過兩個(gè)星期的努力奮戰(zhàn)，從拿到課題后感到茫然不知所措，到現(xiàn)在拿出了設(shè)計(jì)的合格電路圖，其中可以說經(jīng)歷了很艱難的過程。在剛開始的時(shí)候，拿到這個(gè)題目要做有毒氣體的檢測與抽排，第一反應(yīng)就是要用氣敏電阻，還要有控制電機(jī)，我認(rèn)為有難度的就只有這兩個(gè)。等到真正找資料開始做的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)不是

15、這么簡單了，首先，再找氣敏電阻時(shí)，雖然找到了想要的電阻，但是找到的資料卻很少，不知道這個(gè)電阻是怎么工作的，又花了很長時(shí)間去了解氣敏電阻的工作特性。本以為這之后就沒難度了。誰不知，在報(bào)警系統(tǒng)上又遇到了困難，因?yàn)槠胀ǖ摹暗蔚巍甭暡⒉荒茏鳛閳?bào)警的聲音，我又在網(wǎng)上不斷地搜索，希望找到像警笛一樣的聲音產(chǎn)生電路。后來，在老師的幫助下，我找到了一種電路，雖然聲音不是完美的警笛聲，但是對于單純的“滴滴”聲來說，已經(jīng)可以作為報(bào)警聲了。這次課程設(shè)計(jì)，可以說對我們的各個(gè)方面都進(jìn)行了鍛煉。首先鍛煉了我們動(dòng)手查找資料的能力，有些人在這之前連資料都查不清楚，但經(jīng)過這次設(shè)計(jì)之后，他查找資料的能力得到了很大的提升，因?yàn)檫@次設(shè)

16、計(jì)很多都是我們不熟悉的，要求我們不斷地查找資料，否則是不可能做好的；其次，我們對于仿真軟件也有了更好地熟悉，因?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)要經(jīng)過仿真軟件的仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，如果不會(huì)仿真，則只能干瞪眼，因?yàn)榇蠹叶荚谧?，沒有人會(huì)幫你的，只有靠自己。第三，這次課程設(shè)計(jì)也讓我們把之前學(xué)習(xí)的知識來了一次復(fù)習(xí)，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中有許多地方要用到我們學(xué)到的模電、數(shù)電、還有電機(jī)知識。這就要求我們必須好好的復(fù)習(xí)之前學(xué)習(xí)的知識才能更好的完成任務(wù)。4、致謝 這次設(shè)計(jì)讓我得到了充分的鍛煉，感謝學(xué)校給我們這次機(jī)會(huì)，感謝指導(dǎo)老師多我們不懈的督促和鼓勵(lì)。感謝我的隊(duì)友，他們給了我很多幫助，在我一籌莫展時(shí)，是他們給了我靈感和啟發(fā)。 5、參考文

17、獻(xiàn)1、吳友宇，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，20092、伍時(shí)和，數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)，清華大學(xué)出版社，20093、周新民，工程實(shí)踐與訓(xùn)練教程，武漢.武漢理工大學(xué)出版社，20094、 PCB資源網(wǎng)附件一：所用器件應(yīng)用器件名稱型號規(guī)格位號數(shù)量電原220V，50hzV1一個(gè)變壓器TRAN-2P2STR1一個(gè)電橋電路DF02MBR1一個(gè)風(fēng)扇無無一個(gè)555芯片555U1,U10兩個(gè)報(bào)警燈白熾燈L2一個(gè)報(bào)警喇叭SpeakerLS1一個(gè)繼電器無 無兩個(gè)電壓比較器COMPIU2一個(gè)集成穩(wěn)壓器7805U4一個(gè)氣敏傳感器MQ-7無一個(gè)滑動(dòng)變阻器20KRV1,RV2兩個(gè)電容5ufC2一個(gè)電容1000ufC3一個(gè)電容0.01ufC1,C10,