有害氣體報警

1、有害氣體報警第一講第一講 設計思路及工作原理設計思路及工作原理v一、實驗目的一、實驗目的 通過有害氣體報警電路的設計、安裝和調(diào)試，要求學會：通過有害氣體報警電路的設計、安裝和調(diào)試，要求學會： （1 1）選擇變壓器、整流二極管、傳感器、電阻、電容、運算放大器、選擇變壓器、整流二極管、傳感器、電阻、電容、運算放大器、555定時器、繼電器及集成穩(wěn)壓器來設計有害氣體報警電路；定時器、繼電器及集成穩(wěn)壓器來設計有害氣體報警電路； （2 2）掌握有害氣體報警電路的工作原理及測試方法。掌握有害氣體報警電路的工作原理及測試方法。v二、設計任務要求二、設計任務要求 1 1、設計任務、設計任務 設計一個有害氣體的檢

2、測電路，能檢測到室內(nèi)或相應環(huán)境的有害氣體濃設計一個有害氣體的檢測電路，能檢測到室內(nèi)或相應環(huán)境的有害氣體濃度超標現(xiàn)象，并進行及時報警，同時安裝有排氣通風裝置，能及時排出室內(nèi)度超標現(xiàn)象，并進行及時報警，同時安裝有排氣通風裝置，能及時排出室內(nèi)有害氣體。有害氣體。 2 2、設計要求、設計要求 本課題主要完成以下幾個部分的設計：本課題主要完成以下幾個部分的設計： 直流電源部分：為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定、可靠的直流電。直流電源部分：為系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定、可靠的直流電。 信號采集及處理電路：由氣敏傳感器及附屬電路組成。傳感器將空氣中的信號采集及處理電路：由氣敏傳感器及附屬電路組成。傳感器將空氣中的有害氣體濃度變

3、化轉(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，從而利于后面的電路處理。有害氣體濃度變化轉(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，從而利于后面的電路處理。 聲光報警電路：在有害氣體濃度超標時，電路產(chǎn)生相應的紅色警告信號，聲光報警電路：在有害氣體濃度超標時，電路產(chǎn)生相應的紅色警告信號，同時驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生音頻信號，提醒人們空氣中的有害氣體濃度已超出允許范同時驅(qū)動揚聲器產(chǎn)生音頻信號，提醒人們空氣中的有害氣體濃度已超出允許范圍，應及時撤離現(xiàn)場；在空氣潔凈時，電路應以不同的燈光提示，表明安全。圍，應及時撤離現(xiàn)場；在空氣潔凈時，電路應以不同的燈光提示，表明安全。 排氣通風裝置：在有害氣體濃度超標時，設計對應的電路驅(qū)動通風裝置排氣通風裝置：在有害

4、氣體濃度超標時，設計對應的電路驅(qū)動通風裝置（如排氣扇）工作，以迅速降低有害氣體濃度。（如排氣扇）工作，以迅速降低有害氣體濃度。v三、基本原理三、基本原理 1 1、電路框圖、電路框圖 2 2、電路原理圖、電路原理圖12J11234D0VD1-VD4C11000UFC4100UFC20.33UFC30.1UFC50.1UFC60.1UFVin1GND2Vout3U17812Vin1GND2Vout3U27805521346U4HQR151R23KR33KR42KR52KR6100KR710K32184U3ALM1458D1LEDD2LEDD3D41122334455D6JIDIANQI12J2TR

5、IG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U5NE555CY. 3 3、工作原理、工作原理（1 1）直流電源）直流電源 直流電源由電源變壓器、橋式整流電路、濾波器、穩(wěn)壓電路等四個組成部分直流電源由電源變壓器、橋式整流電路、濾波器、穩(wěn)壓電路等四個組成部分組成。組成。 本系統(tǒng)所需的是本系統(tǒng)所需的是12V12V和和5V5V的直流電，因此要利用變壓器將的直流電，因此要利用變壓器將220V220V的市電先降至合的市電先降至合適的交流電壓（本電路需先降至適的交流電壓（本電路需先降至15V15V交流電壓），然后再將變壓器次級輸出電壓去交流電壓），然后再將變壓器次級輸出電壓去整流、濾波和穩(wěn)壓，

6、最后得到所需要的直流電壓幅值。整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需要的直流電壓幅值。 橋式整流電路將正負交替的正弦交流電壓整流成為單向脈動電壓。橋式整流電路將正負交替的正弦交流電壓整流成為單向脈動電壓。 濾波電路由電容元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中交流成分濾濾波電路由電容元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中交流成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓。 穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)穩(wěn)壓電路的作用是采取某些措施，使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。電源穩(wěn)壓常采用三端集成穩(wěn)壓器，本設

7、計可以采用三端集成生變化時保持穩(wěn)定。電源穩(wěn)壓常采用三端集成穩(wěn)壓器，本設計可以采用三端集成穩(wěn)壓器穩(wěn)壓器W7812W7812和和W7805W7805，它具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點，而且使，它具有體積小、可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點，而且使用靈活、價格低廉，只有三個引出端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本用靈活、價格低廉，只有三個引出端子，分別接輸入端、輸出端和公共端，基本上不需外接元件，而且內(nèi)部有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，使用方便、上不需外接元件，而且內(nèi)部有限流保護、過熱保護和過壓保護電路，使用方便、安全。安全。 W7812 W7812電路內(nèi)部實際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電

8、路的各個組成部分，另外加電路內(nèi)部實際上包括了串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電路的各個組成部分，另外加上保護電路和啟動電路。上保護電路和啟動電路。 信號采集電路包括氣體檢測電路及對傳感器輸出信號的處理電路。氣體檢測電信號采集電路包括氣體檢測電路及對傳感器輸出信號的處理電路。氣體檢測電路需要用氣體傳感器，將被檢測對象中含的氣體的濃度變?yōu)閭鞲衅鞯碾娦盘栞敵?，路需要用氣體傳感器，將被檢測對象中含的氣體的濃度變?yōu)閭鞲衅鞯碾娦盘栞敵?，以利于后面的信號處理電路進行處理。以利于后面的信號處理電路進行處理。 氣敏傳感器氣敏傳感器 按構(gòu)成氣敏元件的材料劃分為半導體和非半導體氣敏元件兩大類，而半導體型按構(gòu)成氣敏元件的材料劃分為半導

9、體和非半導體氣敏元件兩大類，而半導體型又分為電阻型和非電阻型兩類。電阻型半導體氣敏元件是用氧化錫、氧化鋅等金又分為電阻型和非電阻型兩類。電阻型半導體氣敏元件是用氧化錫、氧化鋅等金屬氧化物材料制作而成，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。非電阻式半導體屬氧化物材料制作而成，利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。非電阻式半導體氣敏元件是根據(jù)氣體的吸附和反應，使其某些有關特性變化對氣體進行直接或間氣敏元件是根據(jù)氣體的吸附和反應，使其某些有關特性變化對氣體進行直接或間接檢測。接檢測。 （2 2）信號采集及處理電路）信號采集及處理電路主要物理主要物理特性特性類類 型型 氣敏元件氣敏元件檢測氣體檢測氣體電電阻阻

10、型型電阻電阻表面控制型表面控制型SnOSnO2 2、ZnOZnO等的燒結(jié)體、薄膜、等的燒結(jié)體、薄膜、厚膜厚膜可燃性氣體可燃性氣體體控制型體控制型LaLa1-x1-xSrCoOSrCoO3 3、T-FeT-Fe2 2O O3 3、氧化鈦、氧化鈦酒精、可燃性氣體、酒精、可燃性氣體、氧氣氧氣非非電電阻阻型型二極管整二極管整流特性流特性表面控制型表面控制型鉑鉑- -硫化鎘、鉑硫化鎘、鉑- -氧化鈦（金屬氧化鈦（金屬- -半導體結(jié)型二極管）半導體結(jié)型二極管）氫氣、一氧化碳、酒氫氣、一氧化碳、酒精精晶體管特性晶體管特性鉑柵、鈀柵鉑柵、鈀柵M0sM0s場效應管場效應管 氫氣、硫化氫氫氣、硫化氫 電阻型半導體

11、氣敏元件的工作原理：電阻型半導體氣敏元件的工作原理： 電阻型半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體（主要是金屬氧化物）表電阻型半導體氣敏傳感器是利用待測氣體與半導體（主要是金屬氧化物）表面接觸時的電導率等物性的變化來檢測氣體。電阻型半導體氣敏器件被加熱到穩(wěn)面接觸時的電導率等物性的變化來檢測氣體。電阻型半導體氣敏器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài)下，當氣體接觸器件表面而被吸附時，吸附分子首先在表面自由地擴散定狀態(tài)下，當氣體接觸器件表面而被吸附時，吸附分子首先在表面自由地擴散（物理吸附），失去其運動能量，其間的一部分分子蒸發(fā)，殘留分子產(chǎn)生熱分解（物理吸附），失去其運動能量，其間的一部分分子蒸發(fā)，殘留分子產(chǎn)生熱分

12、解而固定吸附處（化學吸附）。這時，如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和而固定吸附處（化學吸附）。這時，如果器件的功函數(shù)小于吸附分子的電子親和力，則吸附分子從器件奪取電子而變成負離子吸附。具有負離子吸附傾向的氣體力，則吸附分子從器件奪取電子而變成負離子吸附。具有負離子吸附傾向的氣體有有O O2 2和和NONO2 2，稱為氧化性氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子，稱為氧化性氣體或電子接收性氣體。如果器件的功函數(shù)大于吸附分子的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而成為正離子吸附。具有這種正離子吸的離解能，吸附分子將向器件釋放電子，而成為正離子吸附。具有這種正離子吸附傾向的氣體有附傾向

13、的氣體有H H2 2、COCO、碳氫化合物和酒類等，稱為還原性氣體或電子供給氣體。、碳氫化合物和酒類等，稱為還原性氣體或電子供給氣體。 當氧化性氣體吸附到當氧化性氣體吸附到N N型半導體上，還原性氣體吸附到型半導體上，還原性氣體吸附到P P型半導體上時，將使型半導體上時，將使載流子減少，而使電阻增大；相反當還原性氣體吸附到載流子減少，而使電阻增大；相反當還原性氣體吸附到N型半導體上，氧化性氣型半導體上，氧化性氣體吸附到體吸附到P型半導體上時，將使載流子增多，使電阻下降。型半導體上時，將使載流子增多，使電阻下降。 空氣中的氧成分大體上是恒定的，因而氧氣的吸附也是恒定的，氣敏器件的空氣中的氧成分大

14、體上是恒定的，因而氧氣的吸附也是恒定的，氣敏器件的阻值大致保持不變。如果被測氣體流入這氣氛中，器件表面將產(chǎn)生吸附作用，器阻值大致保持不變。如果被測氣體流入這氣氛中，器件表面將產(chǎn)生吸附作用，器件的阻值將隨氣體濃度而變化，從濃度與阻值的變化關系，即可得知被測氣體的件的阻值將隨氣體濃度而變化，從濃度與阻值的變化關系，即可得知被測氣體的濃度。濃度。 電壓比較電路電壓比較電路 電壓比較電路用電壓比較器實現(xiàn)。電壓比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，電壓比較電路用電壓比較器實現(xiàn)。電壓比較器是由運算放大器發(fā)展而來的，比較器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。由于比較器電路應用較為比較器電路可以看作是運算放大器

15、的一種應用電路。由于比較器電路應用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。廣泛，所以開發(fā)出了專門的比較器集成電路。 電壓比較器是對兩個模擬電壓比較大?。ㄒ灿袃蓚€數(shù)字電壓比較的，這里電壓比較器是對兩個模擬電壓比較大?。ㄒ灿袃蓚€數(shù)字電壓比較的，這里不介紹），并判斷出其中哪個電壓高。不介紹），并判斷出其中哪個電壓高。 32184U1A1458.（3 3）觸發(fā)電路）觸發(fā)電路 觸發(fā)電路作用就是用觸發(fā)電路作用就是用555555組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由其輸入狀態(tài)改變輸出狀態(tài)，組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由其輸入狀態(tài)改變輸出狀態(tài)，觸發(fā)后續(xù)的執(zhí)行電路。觸發(fā)后續(xù)的執(zhí)行電路。 555555時基電路是一種將模擬功能與邏輯功

16、能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的組合時基電路是一種將模擬功能與邏輯功能巧妙地結(jié)合在同一硅片上的組合集成電路。它設計新穎，構(gòu)思巧妙，因其內(nèi)部含有電壓比較器、基本集成電路。它設計新穎，構(gòu)思巧妙，因其內(nèi)部含有電壓比較器、基本R-SR-S觸發(fā)器、觸發(fā)器、放電電路及驅(qū)動電路等，輔以適當外圍分立元件后，被廣泛應用于單穩(wěn)態(tài)電路、放電電路及驅(qū)動電路等，輔以適當外圍分立元件后，被廣泛應用于單穩(wěn)態(tài)電路、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器、幅度鑒別器、波形發(fā)生器、延時發(fā)生器、定時器及施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器、幅度鑒別器、波形發(fā)生器、延時發(fā)生器、定時器及電壓電壓- -頻率變換電路等，用途十分廣泛。頻率變換電路等，用途十分廣泛。 55

17、5555芯片邏輯功能表芯片邏輯功能表腳腳腳腳腳腳腳腳腳腳0 0X XX X0 0導通（導通（0 0）1 11 11 10 0導通（導通（0 0）1 10 00 01 1截止（截止（1 1）1 10 01 1原態(tài)原態(tài)原態(tài)原態(tài)1 11 10 0不定（禁止）不定（禁止）不定（禁止）不定（禁止）應用應用LM555LM555組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如下：組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路如下： C50.1UFC60.1UF521346U4HQR151R23KR33KR42KR6100KR710K32184U3ALM1458D1LEDTRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U5NE555CY. 當空氣潔凈

18、時，因氣敏傳感器電阻大，當空氣潔凈時，因氣敏傳感器電阻大，R1R1和和R6R6分壓小，比較器的輸出為低分壓小，比較器的輸出為低電平，即電平，即V2V2和和V6V6都為低電平，由功能表可知：都為低電平，由功能表可知：V3V3為高電平，即為高電平，即NE555NE555置位，此時置位，此時繼電器和繼電器和D2(LEDD2(LED，紅）均不工作；同時，紅）均不工作；同時 為低電平，放電管為低電平，放電管V V截止，相當斷開，截止，相當斷開，此時此時D1D1（LEDLED，綠）通過電阻，綠）通過電阻R4R4導通而發(fā)光。導通而發(fā)光。 當空氣中存在有害氣體時，因氣敏傳感器電阻變?。s為當空氣中存在有害氣體

19、時，因氣敏傳感器電阻變?。s為466 466 ）而使）而使R1R1和和R6R6分壓值增大，比較器同相輸入端電壓高于反相輸入端，故分壓值增大，比較器同相輸入端電壓高于反相輸入端，故V2V2和和V6V6同時為高電同時為高電平，且復位端電壓平，且復位端電壓V4V4也為高電平，由功能表可知：也為高電平，由功能表可知：V3V3為低電平（為低電平（V3V3相當接近相當接近0V0V）,D2,D2（LEDLED，紅）導通發(fā)光，又，紅）導通發(fā)光，又 為高電平，放電管為高電平，放電管V V導通放電，將導通放電，將D1D1（LEDLED，綠）短路。同時繼電器動作，使其常開兩觸點接通，從而驅(qū)動聲光報警電路及綠）短路。

20、同時繼電器動作，使其常開兩觸點接通，從而驅(qū)動聲光報警電路及排氣通風裝置工作。排氣通風裝置工作。QQ（4 4）聲光報警電路）聲光報警電路 該報警電路包括光報警電路、聲音報警電路兩個報警電路，下面簡單介該報警電路包括光報警電路、聲音報警電路兩個報警電路，下面簡單介紹這兩個報警電路的組成部分。紹這兩個報警電路的組成部分。 光報警電路部分光報警電路部分 該電路部分由兩個發(fā)光二極管（綠、紅）及其附屬電路組成。該電路部分由兩個發(fā)光二極管（綠、紅）及其附屬電路組成。 聲音報警電路部分聲音報警電路部分 該電路部分由四聲集成芯片該電路部分由四聲集成芯片KD153KD153、揚聲器及其附屬電路組成。具體電路、揚聲

21、器及其附屬電路組成。具體電路如下所示：如下所示：其中繼電器是一組觸頭開關，一個是常開觸點，一個是常閉觸點。其中繼電器是一組觸頭開關，一個是常開觸點，一個是常閉觸點。使用條件如下：使用條件如下： 環(huán)境溫度：環(huán)境溫度：55558585； 相對溫度：相對溫度：4040時，達時，達98%98%； 大氣壓力：達大氣壓力：達4400Pa4400Pa； 振動：振動：1010500Hz500Hz，加速度達，加速度達49m/s49m/s2 2 ； 離心加速度：達離心加速度：達245m/s245m/s2 2； 工作電壓：工作電壓：12V12V； 線圈電阻：線圈電阻：505010%10%； 吸合電壓吸合電壓9V9V； 釋放電壓釋放電壓2V2V； 工作位置：任意。工作位置：任意。 電磁繼電器是一種利