廚房天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)方案

1、目錄1課程設(shè)計(jì)目的12課程設(shè)計(jì)題目13課程設(shè)計(jì)容及要求13.1設(shè)計(jì)容13. 2設(shè)計(jì)要求14總設(shè)計(jì)方案11.1 傳感器的選擇11.2 放大電路的選擇31.3 單頻音報(bào)警系統(tǒng)的選擇41.4 控制電路的選擇55 電路設(shè)計(jì)56 系統(tǒng)原理5結(jié)論6參考文獻(xiàn)71課程設(shè)計(jì)目的天然氣鍋灶的普遍給我們的生活帶來了很大的便利，在日常生活中占據(jù)著 很重要的地位。但是由于管道設(shè)備的老化，地理、氣候條件等等各種因素的影 響以及人為的破壞，經(jīng)常會造成泄漏事故。天然氣一旦泄漏，不僅會帶來經(jīng)濟(jì) 上的損失和環(huán)境污染，還會發(fā)生火災(zāi)和爆炸，造成財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故。 因此，日常生活中對天然氣泄漏的監(jiān)測十分必要。本次的課程設(shè)計(jì)，就是

2、要設(shè) 計(jì)出一種能夠檢測天然氣濃度在達(dá)到一定高度時(shí)自動報(bào)警和打開抽煙機(jī)的傳感 器系統(tǒng)設(shè)備。2課程設(shè)計(jì)題目廚房天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)3課程設(shè)計(jì)容及要求1.1 設(shè)計(jì)容采用電阻式氣敏傳感器，通過電壓比較器控制電路通斷以及放大電路放大 信號、555定時(shí)器電路控制蜂鳴器的運(yùn)轉(zhuǎn)以及接觸器，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)廚房中天然氣 （CHS）濃度大于lOOOppm時(shí)，用蜂鳴器報(bào)警并發(fā)出控制信號，啟動抽油煙機(jī)。3. 2設(shè)計(jì)要求1 .掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計(jì)方法。2 .獨(dú)立設(shè)計(jì)原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3 .設(shè)計(jì)說明書格式規(guī)，層次合理，重點(diǎn)突出。并附上詳細(xì)的原理圖。4總設(shè)計(jì)方案4 .1傳感器的選擇氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)檢測氣體的機(jī)

3、理有多種?？衫么龣z測氣體的物理吸附作 用，如濕度傳感器利用吸附水的傳導(dǎo)作用引起表面電導(dǎo)率變化，獲得電信號； 或是由吸附水引起電容變化，由靜電電容的變化取得電信號；利用待測氣體的 化學(xué)吸附與反應(yīng)引起表面附近的電子或空穴濃度變化而使表面電導(dǎo)率變化，這 類敏感元件有Zn、SnO?等，用于檢測可燃?xì)?、CO?、岫類等；利用氣體成分的反 應(yīng)性如催化燃燒式可燃性氣體傳感器利用可燃性氣體在元件表面催化燃燒是因 升溫而引起的粕絲電阻變化，測出可燃性氣體的濃度，利用待測氣體對固體的 分配平衡，如半導(dǎo)體氧敏元件和體電導(dǎo)體半導(dǎo)體可燃性氣敏元件，屬于這類的 有TiO、CoO等，可用于氧氣、煤氣、液化氣、酒精等的檢測；

4、還可利用氣體成 分的選擇性透過，如固體電解氧敏元件，當(dāng)元件兩側(cè)的氧濃度不同時(shí)，形成濃 差電池電動勢也不同，這就是可用來檢測氧濃度的變化，這類有ZiU-CaO、 Zr02-Y203. ZrOMgO、TrOz-LOs 等。以氧化物半導(dǎo)體為基質(zhì)材料的氣敏元件，已發(fā)展為包括燒結(jié)型、厚模型、 薄膜型、集成型等多種氣敏元件。除半導(dǎo)體表面吸附氣體發(fā)生電子傳遞的表面 型氣敏半導(dǎo)體外，還發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體吸附氣體后與體發(fā)生電子傳遞的體電導(dǎo)氣敏 半導(dǎo)體和氣體分子在金屬半導(dǎo)體接觸面上產(chǎn)生電子傳遞的結(jié)型氣敏半導(dǎo)體。在本次設(shè)計(jì)中，從檢測對象來看，天然氣的主要成份是CFh,所以設(shè)計(jì)時(shí)選 擇電阻式氣敏傳感器QM-N1O來檢測氣體

5、。電阻式氣敏電阻傳感器的敏感原件多 采用半導(dǎo)體材料如SnO?,當(dāng)這種半導(dǎo)體材料表面某些氣體時(shí)，其電導(dǎo)率將隨氣 體濃度的變化而變化。Sn02是由許多晶粒組成的N型多晶體，其部電阻值可以等效為三種：晶粒 與晶粒之間的晶間電阻Rn,單個晶粒的表面電阻Rs和單個晶粒的體電阻Rb, 三類等效電阻串聯(lián)連接；其中體電阻不受吸附氣體影響，而表面電阻Rs和晶間 電阻Rn的阻值則隨吸附氣體的濃度變化。又由于RnNRs,故晶體電阻以晶間 電阻Rn等效。它適合檢測天然氣，煤氣，液化石油氣，氫氣，一氧化碳，烷類 氣體，烯類氣體，汽油，煤油，柴油，乙快，氨類蒸汽，隧蒸汽及煙霧等。它 具有以下幾個特點(diǎn)：1、用于可燃性氣體的

6、檢測（CH1、3Hs乩等）；2靈敏 度高；3、響應(yīng)速度快；4、輸出信號大；5、壽命長，工作穩(wěn)定可靠。QM-N1O型氣敏傳感器的參數(shù)型號標(biāo)定 氣體 中電 壓響應(yīng) 時(shí)間 tl恢復(fù) 時(shí)間 t2最隹T作條件允許工作條件測量 回路 電壓 Uc加 熱 電 壓 Uf負(fù) 載 電 阻 RL測量回 路電壓 Uc加熱電壓Uf負(fù)載電 阻RLQM-X1O22Vw10s30s10V5V2kQ5-15V4. 5-5. 5V0. 5-2. 2 kQ測試條 件0. 1% 丁烷清凈 空氣清潔空氣中電阻 (Ra)(2000kQUO=1OV Uf=5V RL=2 kQ檢測范圍500-20000ppm元件工 耗W0. 7W靈敏度(S=

7、Ra/Rdg)244. 2放大電路的選擇本設(shè)計(jì)放大電路采用高精度、低溫漂的運(yùn)放ICL7650。ICL7650采用14腳 雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式.圖2. 3所示是最常用的14腳雙列直插 式封裝的引腳排列圖。引腳功能說明：CEXTB：外接電容；CEXTA：外接電容；-IN：反相輸入端；+IN：同相輸入端；V-：負(fù)電源端；CRETN：CEXTA 和 CEXTB 的公共端；OUT CLAMP：箝位端；OUTPU：輸出端；V+：正電源端；INT CLKOUT：時(shí)鐘輸出端；NT/EXT：時(shí)鐘端；EXT CLKIN：時(shí)鐘輸入端?？赏ㄟ^該端選擇使用部時(shí)鐘或外部時(shí)鐘.當(dāng)選擇外部時(shí)鐘時(shí).該端接負(fù)電源

8、端V-，并在時(shí)鐘輸入端(EXT CLKI、)引入外部時(shí)鐘信號.當(dāng)該端開路或接 V+時(shí).電路將使用部時(shí)鐘去控制其它電路的工作。4. 3單頻音報(bào)警系統(tǒng)的選擇實(shí)現(xiàn)單頻音報(bào)警的接口電路比較簡單，其發(fā)音元件可采用壓電蜂鳴器，這 種蜂鳴器只需在其兩引線上加35v的直流電壓，約需10mA的驅(qū)動電流，就能 產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴震蕩音響，比電研式蜂鳴結(jié)構(gòu)簡單，耗電少，適宜結(jié)構(gòu)簡 單的報(bào)警電路。+5V壓電式 蛭鳴器本系統(tǒng)的控制電路采用電壓比較器電路，通過電壓的正負(fù)來確定輸出的電 壓是正還是負(fù)流經(jīng)單向?qū)ǖ亩O管來控制電路的通斷。以及555定時(shí)器電 路，該電路四個引腳都輸入正電壓時(shí)，定時(shí)器工作，輸出正向電壓。5V

9、6系統(tǒng)原理按如上電路圖連接電路。接通220V的家用電路電源，先通過降壓電路獲得 所需要的低壓，然后再通過橋式整流電路，獲得直流電壓電源。再經(jīng)過一個 7808分壓，給電阻式氣敏傳感器輸入一個8V的直流工作電壓。調(diào)節(jié)滑動變阻器R2,使電壓比較器的負(fù)極參數(shù)為當(dāng)甲烷濃度為lOOOppm時(shí) 的電壓。在正?？諝庵?，QM-N10兩電阻之間的電阻高達(dá)幾千歐姆，所以流經(jīng)R1 的電流很小。流過IC3負(fù)極的電壓大于流過它正極的電壓，所以電壓比較器的 輸出端輸出的是負(fù)電壓，在單向?qū)ǖ腖ED管中是不能導(dǎo)通的，所以555定時(shí) 器電路不能導(dǎo)通工作。當(dāng)空氣中甲烷濃度上升時(shí)，QM-N10兩電阻之間的阻值急速下降，流過的電 流

10、急速增加。當(dāng)甲烷濃度大于lOOOppm時(shí)，電壓比較器正極的電壓大于負(fù)極的 電壓，所以輸出正電壓。此時(shí)接到555定時(shí)器四角的電壓皆為正電壓，所以 555定時(shí)器工作，輸出端導(dǎo)通，輸出正向電壓，LED燈亮，蜂鳴器鳴叫報(bào)警。與此同時(shí)，接觸器正向?qū)?，接觸器線圈的得電，常開觸點(diǎn)閉合，而該常 開觸點(diǎn)串聯(lián)在抽油煙機(jī)的回路中充當(dāng)開關(guān)，此時(shí)該觸點(diǎn)閉合，抽油煙機(jī)接通， 自動開始工作。至此，該系統(tǒng)就完成了當(dāng)廚房空氣中甲烷濃度大于lOOOppm 時(shí)，警報(bào)器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)打開抽油煙機(jī)排出易燃易爆氣體的全部要求。結(jié)論本次課程設(shè)計(jì)是要設(shè)計(jì)一個天然氣泄漏報(bào)警系統(tǒng)，并自帶打開抽油煙機(jī)開 關(guān)的功能。該課題的第一個難題是信息采集。

11、因?yàn)楸粶y對象是氣體，具體的 說，是天然氣，一種易燃易爆的危險(xiǎn)氣體。要測量它的濃度，不是一般的傳感 器能做到的，所以我們想到了氣敏傳感器。而氣敏傳感器有很多種，本次課程 設(shè)計(jì)需要檢測的是天然氣，其主要成分是CH4,所以就用所以選用QM-N10氣敏 傳感器。QM-N10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。 它適合檢測天然氣，煤氣，液化石油氣，氫氣，一氧化碳，烷類氣體，烯類氣 體，汽油，煤油，柴油，乙快，氨類蒸汽，隧蒸汽及煙霧等。選好氣敏傳感器 后信息采集就得到了解決。第二個問題是，系統(tǒng)中的主要電氣原件幾乎是低壓驅(qū)動，不能直接接在 220V的家用電源上，所以首先還需要設(shè)置一個降壓電路。遇到的第三個難題是555電路那邊，設(shè)置的參數(shù)需要計(jì)算。因?yàn)槲译姽る?子沒有學(xué)好，計(jì)算那個參數(shù)真的是十分困難。后來在同組同學(xué)的幫助下，再加 上去翻閱相關(guān)資料，終于算出了設(shè)置參數(shù)。第四個問題是，在甲烷濃度達(dá)到lOOOppm時(shí)，除了報(bào)警還需要自動打開抽 油煙機(jī)的開關(guān)，要完成這個要求可能需要用到單片機(jī)，但是我們確定制作這個 系統(tǒng)沒有單片機(jī)程序，所以最終想到了用接觸器，利用接觸器線圈得電觸點(diǎn)工 作的原理。將接觸器的常開觸點(diǎn)串在抽油煙機(jī)回路上