簡易煙霧警報器的設(shè)計1(1)

1、. 第 III 頁 簡易氣體煙霧報警電路設(shè)計摘 要隨著現(xiàn)代家庭用火，用電量正在逐年增加，家庭火災(zāi)發(fā)生的頻率越來越高，在我國由于煙霧而引起來的火災(zāi)越來越多，人民每年因此而損失了大量的財產(chǎn)。據(jù)調(diào)查在最近發(fā)生火災(zāi)的大多數(shù)房屋都沒有安裝報警器。如果發(fā)生火災(zāi)之前就有警報系統(tǒng)預(yù)報現(xiàn)場的情況，從而避免火災(zāi)的發(fā)生，對人們將會有很大的意義。因此本文對煙霧警報器系統(tǒng)進(jìn)行研究，是具有理論和實(shí)際雙面意義的。本文講述了簡易氣體煙霧報警電路，該報警器有降壓整流與穩(wěn)壓電路，氣敏傳感元件和觸發(fā)，報警音響電路等組成。其中氣敏傳感器原件使用于半導(dǎo)體氣敏傳感器QM-N5, QM-N5主要特點(diǎn)對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度

2、，適用于家庭或工業(yè)上對液化氣，天然氣，煤氣的監(jiān)測裝置。該裝置電路簡單，工作可靠，測量靈敏度較高，使用壽命長，成本低等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：NE555，氣敏傳感器，報警 The Design of Simple Gas Smoke Alarm CircuitAuthor: Adila.aili Tutor: Li HongxiaAbstractAlong with the modern family use fire and the electricity consumption increases gradually, and the family fire disaster higher frequ

3、ency , in our country because of the smog is caused to more and more fire disaster, so there are many people have lost many property each year .The survey shows that the most of the family not install the gas smog alarm ,if the gas smog alarm system it can prediction of the situation, we can avoid t

4、he fire ,and it is very beneficial to human safety. So the research of the gas smog alarm that has the theory and the actual two sided significance. This article describes the simple gas smog alarm circuit , this alarms has the reduction voltage and stabilivolt circuit , gas sensitive sensor and tri

5、ggered and alarm sound circuit and so on . Among them gas sensors used in semiconductor gas sensors QM-N5 , QM-N5 has better sensitivity towards liquefied petroleum gas ,natural gas industry ,city gas , and apply to home or industrial towards liquefied petroleum gas ,natural gas industry, gas monito

6、ring device .This device circuit is simple ,reliable work ,long service life and low cost advantage.Key words: NE555, Gas sensor,Alarm目 錄1 緒論11.1 課題背景及目的11.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀11.3 論文主要任務(wù)設(shè)計內(nèi)容22 系統(tǒng)電路設(shè)計方案33 各單元電路設(shè)計43.1 電源電路設(shè)計43.1.1 電源變壓器53.1.2 橋式整流53.1.3 濾波電路73.1.4 集成三端穩(wěn)壓器93.2 氣敏傳感器103.2.1 氣敏傳感器的分類113.2.2 氣敏傳感器

7、的原理113.2.3 半導(dǎo)體氣敏傳感器123.2.4 QM-N5型氣敏傳感器133.3 NE555簡介143.3.1 NE555的引腳圖功能143.3.2 NE555的工作原理153.4 數(shù)據(jù)采集及處理電路設(shè)計173.5 報警電路173.5.1 蜂鳴器簡介173.5.2 蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理183.5.3 報警電路工作原理194 整體電路設(shè)計20結(jié) 論21致 謝22參考文獻(xiàn)23 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第23頁1緒論1.1 課題背景及目的現(xiàn)代建筑的特點(diǎn)是樓層不斷的加高，這主要是從緩解城市用地緊張的角度出發(fā)，同時還便于集中供電，供熱，供氣，便于集中控制和管理?，F(xiàn)在不論是普通型（比如民用住宅）還是

8、豪華型（比如高級賓館）的高層建筑，都日益重視防火和安全技術(shù)的普及應(yīng)用。因?yàn)槠錁菍佣?，人員密集，如果發(fā)生火災(zāi)，疏散困難，補(bǔ)救也困難，勢必造成嚴(yán)重的人員傷亡和財產(chǎn)損失。消防部門的統(tǒng)計顯示，在所有的火災(zāi)比列中，家庭火災(zāi)已經(jīng)占到了全國火災(zāi)的30%左右。探討家庭火災(zāi)的特點(diǎn)及防火對策，對于預(yù)防家庭火災(zāi)，減少火災(zāi)損失具有現(xiàn)實(shí)意義。為了早期發(fā)現(xiàn)和通報火災(zāi)，防止和減少火災(zāi)危害，保護(hù)人身和財產(chǎn)安全，就必須對煙霧進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)測試，采用先進(jìn)可靠的安全檢測儀表，嚴(yán)密監(jiān)測環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。為了解決煙霧這種對人體有毒害又不易被人們發(fā)現(xiàn)的問題，避免

9、更多的事故的發(fā)生，一個實(shí)用的煙霧警報器是較好的的解決方案。同時，伴隨著各種天然氣，煤制氣液化氣的開發(fā)和使用各種可燃性氣體散發(fā)在工作場所和人們的生活當(dāng)中，因此連續(xù)，直接檢測工作環(huán)境和生活環(huán)境中有毒氣體，可燃性氣體有著極其重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀國內(nèi)外煙霧警報器種類繁多，各有特色，具有低功耗，網(wǎng)絡(luò)傳輸，及時偵測，美觀等特點(diǎn)，比較專一性。運(yùn)用了遙感學(xué)，網(wǎng)絡(luò)學(xué)，電子學(xué)，通信學(xué)等知識，較為復(fù)雜，但特定領(lǐng)域使用性強(qiáng)，符合環(huán)保工藝認(rèn)證，具有無危害的綠色產(chǎn)品。本文主要研究簡易通用性煙霧傳感器，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，減少其成本，但要求甚嚴(yán)的領(lǐng)域不能適用。80年代以來，國內(nèi)各大賓館，飯店，商場，百貨公司等相

10、繼從英，美，日等國引進(jìn)和國內(nèi)研制，銷售的火災(zāi)報警器，主要關(guān)鍵部件是用Am-241材料制成源片所組成的雙源雙電離室煙霧傳感器，它與感溫，光電和氣敏式傳感器相比，具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長和成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于用雙源雙電離室煙霧傳感器可與放大，控制電路系統(tǒng)組成火災(zāi)自動報警器，因此已得到廣泛的應(yīng)用。我國火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從無到有，從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程。其智能化程度也越來越高。特別是隨著計算機(jī)技術(shù)和檢測控制技術(shù)的發(fā)展，使火災(zāi)自動探測報警技術(shù)有了一個很大的飛躍。目前我國火災(zāi)自動報警控制系統(tǒng)大多應(yīng)用在大型倉庫，商場，高級寫字樓，賓館等場所，他們所用的都是一些采用集中一區(qū)域報警控制方式

11、的智能化程度較高的的總線式報警控制系統(tǒng)，而一些像住宅區(qū)和商業(yè)住宅樓等需要設(shè)置一種單一域區(qū)域連網(wǎng)的廉價實(shí)用的火災(zāi)自動報警探測裝置。在歐美一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)新建民用住宅房時，規(guī)范都要求必須安裝火災(zāi)自動探測報警裝置。例如美國在七十年代聯(lián)邦規(guī)中明確規(guī)定所有的新建公寓，住宅，活動住房都必須安裝家用煙霧警報器。我國在70年代初期開始研制煙霧警報器，生產(chǎn)型號多樣，品種較齊全，應(yīng)用范圍也有單一的煉油系列擴(kuò)展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。1.3

12、論文主要任務(wù)設(shè)計內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容：通過氣敏元件及相關(guān)的附屬電路實(shí)現(xiàn)信號的采集，將氣體煙霧的濃度轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號，將電信號傳輸?shù)叫盘柼幚硐到y(tǒng)，應(yīng)用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)，將電信號數(shù)字化，觸發(fā)器觸發(fā)報警，實(shí)現(xiàn)對氣體的監(jiān)控報警。2系統(tǒng)電路設(shè)計方案本設(shè)計主要用MQ-N5性半導(dǎo)體氣敏傳感器檢測出可燃性氣體或有害氣體的泄漏。由電源電路、數(shù)據(jù)采集及處理電路及報警電路等組成。該煙霧警報器的原理框圖如2.1所示。數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)處理電路電源電路報警電路圖2.1 系統(tǒng)原理框圖電源電路：電源電路的任務(wù)是通過變壓器把220V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?V交流電，再通過橋式整流電路將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾蠼?jīng)過濾波電路進(jìn)行濾

13、波，濾波后的電壓經(jīng)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓后就是本課題所需要的輸入電壓，本課題采用穩(wěn)壓塊7805進(jìn)行穩(wěn)。數(shù)據(jù)采集電路：氣敏傳感器將空氣中的有害氣體濃度變化轉(zhuǎn)換為其本身阻值的變化，然后將這一變化轉(zhuǎn)為電信號傳給數(shù)據(jù)處理電路。數(shù)據(jù)處理電路：由NE555定時器及其附屬電路組成可控多諧振蕩器電路。利用NE555的2、4、6腳的輸入信號的電平?jīng)Q定輸出端3腳的電平，去控制后續(xù)執(zhí)行電路。報警電路：當(dāng)氣體煙霧的超標(biāo)時，蜂鳴器響，提醒人們空氣中的氣體煙霧濃度已超出允許范圍，應(yīng)立即撤離現(xiàn)場；在空氣潔凈時，蜂鳴器不響，表明環(huán)境安全。電源電路為各部分電路提供電流，但氣敏半導(dǎo)體傳感器接觸到有害氣體煙霧時，傳感器的電導(dǎo)率增大，其電阻值

14、急劇下降，傳感器將這一信號傳給多諧振蕩器，多諧振蕩器相應(yīng)555集成塊的輸出端3腳的輸出信號推動蜂鳴器發(fā)出報警聲3 各單元電路設(shè)計3.1 電源電路設(shè)計直流電源的組成框圖如圖3.1所示，電源電路包括電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等四個組成部分1。直流電源的組成框圖及波形圖如圖3.1所示。 (a) 直流電源的組成框圖 (b) 整流與穩(wěn)壓過程波形圖圖3. 1直流電源的組成框圖及過程波形圖電網(wǎng)供電電壓交流220V（有效值）50Hz,要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大），脈動大的直流電

15、壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動曉得直流電，即將交流成分濾掉，保留其直流成分。濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載。電源部分的具體電路如圖3. 2所示。圖3. 2 電源電路原理圖3.1.1 電源變壓器電源變壓器是降壓變壓器，因?yàn)橹绷麟娫吹妮斎?20V的電網(wǎng)電壓。一般情況下所需直流電壓的數(shù)值與電網(wǎng)電壓的數(shù)值有較大的差異，因此需要通過電壓變壓器將電網(wǎng)220V交流電壓轉(zhuǎn)換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比有變壓器的副邊電壓確定。變壓器部分參數(shù)介紹電壓比：次級電壓和線圈圈數(shù)具有以下關(guān)系，即 （3.1）效率: 定功率時，變壓器的輸出功率

16、和輸入功率的比值稱為變壓器的效率，即 （3.2）變壓器的效率與變壓器的功率等級有密切關(guān)系，通常功率越大，損耗就越小，效率也就越高；反之，功率越小，效率也就越低。額定電壓:壓器的初級線圈上所允許施加的電壓，正常工作時，變壓器初級繞組上施加的電壓不得大于規(guī)定值。 額定功率:定功率是指變壓器在規(guī)定的頻率和電壓下能長期工作，而不超過規(guī)定溫升時次級輸出的功率。調(diào)整率:壓器的調(diào)整率=（空載電壓-滿載電壓）/滿載電壓。一般10W以下變壓器的調(diào)整率在20%以上，要想在使用中降低變壓器的調(diào)整率，只有選大一些的功率變壓器，如3W的變壓器的調(diào)整率為28%，使用功率為1.5W，調(diào)整率為 12%。3.1.2 橋式整流橋

17、式整流電路的作用是利用單向?qū)щ娦缘恼髟O管，將正負(fù)交替的正弦交流電壓整流成為單向脈動電壓2。但是，這種單向電壓往往包含著很大的脈動成分，距離理想的直流電壓還差得很遠(yuǎn)。橋式整流電路在相同條件下具有輸出電壓，變壓器利用率高，脈沖系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。如圖 3.3 所示橋式整流電路圖。圖3. 3 橋式整流原理圖工作原理：其中T為變壓器； D1 , D2 ，D3 , D4 為四個整流二極管；RL為負(fù)載電阻。由圖3.4可知，在正半周內(nèi)，二極管D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止；負(fù)半周時，D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止，在負(fù)載上產(chǎn)生一個極性為上正下負(fù)的輸出電壓。負(fù)半周時，D1、D3反偏截止，D2、D4 正向?qū)?/p>

18、。電流流過RL時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時相同。由此可見，RL上始終得到一個正相脈動的直流電壓。圖3.4橋式整流電路的波形圖主要參數(shù)由圖3.4橋式整流電路的波形圖可知，橋式整流電路的輸出電壓波形與全波整流電路一樣，所以其輸出電壓平均值 （3.3）Error! No bookmark name given.輸出電壓的脈動系數(shù) （3.4）整流二極管正向平均電流：在橋式整流電路中，整流二極管D1、D3和D2、D4是兩兩輪流導(dǎo)通的，因此，流過每個整流二極管的平均電流是電路輸出電流平均值的一半，即 （3.5）最大反向電壓:橋式整流電路因其變壓器只有一個副邊繞組，在正半周時，D1、D3導(dǎo)通，D

19、2、D4截止，此時D2、D4所承受的最大反向電壓為的最大值，即 （3.6）同理，在負(fù)負(fù)半周時，D1、D3也承受同樣大小的反向電壓。變壓器副邊電流的有效值:流過變壓器副邊繞組的電流正半周是半個正弦波，負(fù)半周是另一半正弦波，所以副邊電流中無直流分量，變壓器副邊電流的有效值 （3.7） 橋式整流電路與單相半波整流電路和單相全波整流電路相比，其明顯的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓較高，紋波電壓較小，整流二極管所承受的最大反向電壓較低，并且因?yàn)殡娫醋儔浩髟谡?fù)半周內(nèi)都有電流流過，所以變壓器繞組中流過的是交流，變壓器的利用率高。在同樣輸出直流功率的條件下，橋式整流電路可以使用小的變壓器，因此，這種電路在整流電路中得到廣泛

20、應(yīng)用。3.1.3 濾波電路整流電路可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但脈動較大，許多電子設(shè)備需要平穩(wěn)的直流電源，煙霧警報器是其中之一。煙霧警報器電源中的整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是分為電容濾波電路和電感濾波濾波電路3。本課題選用電容濾波電路。從阻抗的角度來看，由于電抗元件對交流信號和直流信號的阻抗不同，與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容對直流信號相當(dāng)于開路，而對于交流信號阻抗很小，所以脈動直流電流中的絕大部分交流分量從電容器上經(jīng)過，使負(fù)載兩端的電壓比較平滑；從能量角度來看，由于電抗元件有儲能作用，與負(fù)載并聯(lián)的濾波電容，在電源供給的電壓升高時，它就能把能量儲存起來，而

21、當(dāng)電源電壓降低時，它就能把能量釋放出來，使負(fù)載電壓較為平滑，即電容具有平伯作用。電容濾波電路如圖3.5所示。3.5 橋式整流濾波電路 濾波電路的波形圖如圖3.6所示。3.6濾波電路的波形圖濾波原理：當(dāng)工作在正半周，且時，二極管D1、D3導(dǎo)通，一方面對負(fù)載供電，另一方面同時對電容器充電電容兩端電壓沿AB段曲線上升。當(dāng)時，D1、D3截止，電容通過負(fù)載電阻放電，電容兩端電壓沿BC曲線段下降。當(dāng)電容兩端電壓下降到時，二極管D2, D1導(dǎo)通。再次對電容充電電容兩端電壓沿CD曲線上升，到D點(diǎn)后D2、D4截止，電容沿DE段曲線放電下降。電容濾波的特點(diǎn)：（1）加了電容濾波后，輸出電壓的脈動成分降低了，輸出電壓

22、的平均值提高了。（2）放電時間常數(shù)越大，放電越慢，則輸出電壓越高，脈動成分也越少。（3）接入電容濾波后，整流二極管導(dǎo)通時間縮短了，造成流過二極管的瞬時電流很大。3.1.4 集成三端穩(wěn)壓器集成三端穩(wěn)壓器是一種串聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，內(nèi)部設(shè)有過熱，過流，和過壓保護(hù)電路。它只有三個外引出端（輸入端，輸出端，公共地端），將整流濾波后的不穩(wěn)定的直流電壓接到集成三端穩(wěn)壓器輸入端，經(jīng)三端穩(wěn)壓器后在輸出端得到某一值的穩(wěn)定的直流電壓。集成三端穩(wěn)壓器因其輸出電壓的形式，電流的不同有不同的分類。集成三端穩(wěn)壓器的輸出電壓有固定和可調(diào)輸出之分。固定輸出電壓是有制造廠預(yù)先調(diào)整好的，輸出為固定值4。如7805型集成三端穩(wěn)壓器，輸

23、出為固定+5V. 集成穩(wěn)壓器具有體積小，可靠性高以及溫度特性好等優(yōu)點(diǎn)，而且使用靈活，價格低廉，被廣泛應(yīng)用于儀器，儀表及其它各種電子設(shè)備中，特別是三端集成穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的封裝為塑料直插式，其中1引腳為輸入引腳，2引腳為接地引腳，三引腳為輸出引腳5。如圖3.7(b)所示。如圖3.7（a）中電容是防止自激振蕩（）. 電容是減小高頻干擾，改善瞬態(tài)特性().輸入與輸出之間的電壓差不得低于3V。 (a) 穩(wěn)壓器基本接線圖 (b)穩(wěn)壓器的外形圖3.7 7805 三端集成穩(wěn)壓器的外形和穩(wěn)壓基本接線圖W7805三端穩(wěn)壓器的參數(shù)表如表3.1所示。表3.1 W7805三端穩(wěn)壓器的參數(shù)表7805 參數(shù)單位參數(shù)值最大輸

24、入電壓V4.85.2最大輸出電流V35輸出電壓范圍A1.5(變化引起)mV100(Io=5mA1.5A)（變化引起）mV50(Vi=725V)（溫度變化引起）0.6(Io=500mA)器件壓降V22.5(Io=Ia)偏置電流6輸出電阻17輸出噪聲電壓（10-100KHz）403.2 氣敏傳感器氣敏傳感器是一種基于聲表面波器件波速和頻率隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移的原理制作而成的一種新型的傳感器。氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器等，其中用的最多的是半導(dǎo)體氣敏傳感器6。它的應(yīng)用主要有：一氧化碳?xì)怏w的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢

25、測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等等。3.2.1 氣敏傳感器的分類1、氣敏傳感器的分類氣敏傳感器種類繁多，從檢測原理上可以分為三大類： （1）利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣敏傳感器：如半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃 燒氣敏傳感器等。 （2）利用物理性質(zhì)的氣敏傳感器：如熱導(dǎo)氣敏傳感器、光干涉氣敏傳感器、紅外傳感器等。 （3）利用電化學(xué)性質(zhì)的氣敏傳感器：如電流型氣敏傳感器、電勢型氣體傳感器等。 2、氣敏傳感器應(yīng)滿足的基本條件 一個氣敏傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個不同功能傳感器組成的陣列。但是，任何一個完整的氣敏傳感器都必須具備以下

26、條件： 能選擇性地檢測某種單一煙霧，而對共存的其它煙霧不響應(yīng)或低 響應(yīng)； 對被測煙霧具有較高的靈敏度，能有效地檢測允許范圍內(nèi)的煙霧 濃度；對檢測信號響應(yīng)速度快，重復(fù)性好；長期工作穩(wěn)定性好； 使用壽命長； 制造成本低，使用與維護(hù)方便。 3.2.2 氣敏傳感器的原理聲表面波器件之波速和頻率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生漂移。氣敏傳感器就是利用這種性能在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜，當(dāng)該氣敏薄膜與待測氣體相互作用（化學(xué)作用或生物作用，或者是物理吸附），使得氣敏薄膜的膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率發(fā)生變化時，引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同，膜層質(zhì)量和導(dǎo)電率變化程度亦不同，即引起聲表面波

27、頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)氣體濃度的變化12。氣敏傳感器的兩個關(guān)鍵部分是加熱電阻和氣體敏感膜。加熱電阻改變傳感器的工作溫度， 使其工作在氣體敏感的工作溫度，由于外部氣體的變化從而使得氣敏傳感器的敏感材料的電阻發(fā)生變化，金電極連接氣敏材料的兩端，使得它成為一個阻值隨外部氣體變化的電阻。3.2.3 半導(dǎo)體氣敏傳感器半導(dǎo)體氣敏傳感器按照半導(dǎo)體與氣體的相互作用是在其表面還是內(nèi)部，可分為表面控制型和體控制型兩類；按照半導(dǎo)體變化的物理性質(zhì)，又可分為電阻型和非電阻型兩種。電阻型半導(dǎo)體氣敏元件是利用半導(dǎo)體接觸氣體時，其阻值的改變來檢測氣體的成分或濃度；而非電阻型半導(dǎo)體氣敏元件

28、根據(jù)其對氣體的吸附和反應(yīng)，使其默寫有關(guān)特性變化從而對氣體進(jìn)行直接或間接檢測9。氣體敏感元件，大多是以金屬氧化物半導(dǎo)體為基礎(chǔ)材料。當(dāng)被測氣體在該半導(dǎo)體表面吸附后，引起其電學(xué)特性(例如電導(dǎo)率)發(fā)生變化。目前流行的定性模型是：原子價控制模型、表面電荷層模型、晶粒間界勢壘模型.半導(dǎo)體氣敏傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的氣敏傳感器以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的氣敏傳感器，它具有靈敏度高， 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體氣敏傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn) 定性(使用壽命)、使用方便、價格便宜，且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成

29、本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體氣敏傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體氣體傳感器中，本設(shè)計選用QM-N5型氣敏傳感器，這種型號的傳感器不但具備一般半導(dǎo)體煙霧傳感器靈敏度 高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類如表3.2所示。表3.2 半導(dǎo)體氣敏傳感器的分類類型所利用的特性工作溫度代表性被檢測氣體電阻型電阻表面電阻控制器300450C可燃性氣體體電阻控制器300450C700C以上乙醇、可燃性氣體非電阻型二極管整流特性室溫200CH2、CO、乙醇晶體管特性150CH2、H2S3.2.4 QM-N5型氣敏傳感器QMN5型氣敏元件是以金屬氧化物SnO2為主

30、體材料的N型半導(dǎo)體氣敏元件10。它利用化學(xué)、物理效應(yīng)將有害氣體（例如一氧化碳、煤氣、液化石油氣，天然氣，氫氣等氣體），汽油，煤油，柴油，氨類，醇類，醚類等可燃液體蒸汽及煙霧等的檢測。QM-N5氣敏器件的主要參數(shù)如表3.3、3.4所示。表3.3 為QM-N5氣敏器件的主要參數(shù)參數(shù)名稱潔凈空氣中電壓Uc/V標(biāo)定氣體中電壓靈敏度電壓比值響應(yīng)時間t/S恢復(fù)時間T/s參數(shù)值0.10.2表3.4 QM-N5 氣敏傳感器的最佳工作狀態(tài)最佳工作條件（允許工作條件）回路電壓/V加熱電壓/V負(fù)載電阻10(515)5(4.55.5)2(0.52.2)使用方法及注意事項(xiàng)：1、元件開始通電工作時,沒有接觸可燃性氣體,其

31、電導(dǎo)率也急劇增加1分鐘后達(dá)到穩(wěn)定,這時方可正常使用,這段變化在設(shè)計電路時可采用延時處理解決。2、加熱電壓的改變會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。3、元件在接觸標(biāo)定氣體1000ppm C4H10后10秒以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓可達(dá)到(- )差值的80%(即響應(yīng)時間);脫離標(biāo)定氣體1000ppm C4 H1030秒鐘以內(nèi)負(fù)載電阻兩端的電壓下降到(- )差值的80%(即恢復(fù)時間)。4、符號說明檢測氣體中電阻-測氣體中電壓-與的關(guān)系 = （3.8）5、負(fù)載電阻可根據(jù)需要適當(dāng)改動,不影響元件靈敏度。6、使用條件:溫度-1535;相對濕度4575%RH;大氣壓力80106KPa。7、環(huán)境

32、溫濕度的變化會給元件電阻帶來小的影響,當(dāng)元件在精密儀器上使用時,應(yīng)進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償,最簡便的方法是采用熱敏電阻補(bǔ)償之。8、避免腐蝕性氣體及油污染,長期使用需防止灰塵堵塞防爆不銹鋼網(wǎng)。9、元件六腳位置可與電子管七角管座匹配使用。3.3 NE555簡介NE5555大約在1971由Signetics Corporation發(fā)布，在當(dāng)時是唯一非常快速且商業(yè)化的Timer IC，在往后的30非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電，盡管近CMOS技術(shù)版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場上供應(yīng)，盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其腳位勁能并沒

33、變化，所以到目前可以直接的代用。NE555是一個能產(chǎn)生精確定時脈沖的高穩(wěn)度控制器，其輸出驅(qū)動電流可達(dá)200mA.。在多諧振蕩器工作方式時，其輸出的脈沖占空比由兩個外接電阻和一個外接電容確定；在單穩(wěn)態(tài)工作方式時，其延時時間由一個外接電阻和一個外接電容確定，可延時數(shù)微秒到數(shù)小時。3.3.1 NE555的引腳圖功能NE555的引腳圖3.8所示。圖3.8 NE555引腳圖其各引腳功能5如下：引腳1(接地)：底線（或共同接地），通常被連接到電路共同接地。引腳2（觸發(fā)電）：這個位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。出發(fā)信號上緣電壓須大于，下緣低于。引腳3（輸出）：當(dāng)時間周期開始555的輸出腳位，移至比電

34、源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到0伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200mA。引腳4（重置）：一個低邏輯電位送至這個腳位時會充值定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 引腳6（重置鎖定）：重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當(dāng)這個接腳的電壓從電壓以下移至以上時啟動這個動作。 引腳7（放電）：這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當(dāng)輸出為ON時為LOW。對地為低阻抗，當(dāng)輸出為OFF時為HIGH,對地為搞阻抗。引腳8（V+）:這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。3.3.2 NE555的工作原理

35、NE555的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示圖3.9 NE555內(nèi)部結(jié)構(gòu)555定時器的工作原理是：當(dāng)輸入電壓Ui12/3Vcc，Ui21/3Vcc時，電壓比較器C1反相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器C1的反相輸入端輸入一個負(fù)極性的信號，電壓比較器C1的輸出電壓為正極性的信號，即高電平信號“1”；電壓比較器C2同相輸入端的輸入電壓小于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器C2的同相輸入端輸入一個負(fù)極性的信號，電壓比較器C2的輸出電壓為負(fù)極性信號，即低電平信號“0”；RS觸發(fā)器被置位，輸出電壓等于111。當(dāng)輸入電壓Ui12/3Vcc時，ui2從1/3Vcc時，電壓比較器C1反相輸入端的輸入電壓小于參

36、考電壓，電壓比較器C1的輸出電壓為高電平信號“1”；電壓比較器C2同相輸入端的輸入電壓從小于參考電壓變化到大于參考電壓，電壓比較器C2的輸出電壓從低電平信號“0“變?yōu)楦唠娖叫盘枴?”；RS觸發(fā)器處在保持的狀態(tài)，保持Ui12/3Vcc，Ui22/3Vcc ，Ui21/3Vcc時，電壓比較器C1反相輸入端的輸入電壓大于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器C1的反相輸入端輸入一個正極性的信號，電壓比較器C1的輸出電壓為負(fù)極性的信號，即低電平信號“0”；電壓比較器C2同相輸入端的輸入電壓大于參考電壓，相當(dāng)于在電壓比較器C2的同相輸入端輸入一個正極性的信號，電壓比較器C2的輸出電壓為正極性信號，即高電平信號“1

37、”；RS觸發(fā)器被復(fù)位，輸出電壓u0等于0。當(dāng)輸入電壓Ui21/3Vcc時，ui1從2/3Vcc變化到2/3Vcc,Ui21/3Vcc時的輸出狀態(tài)，輸出電壓等于0。NE555的功能表3.5所示。表3.5 NE555功能表 RUi1Ui2 Uo（引腳7） 0X X 0 導(dǎo)通 1 2/3Vcc 1/3Vcc 0 導(dǎo)通 1 2/3Vcc 1/3Vcc 1 截止 1 1/3Vcc 原態(tài) 原態(tài)3.4 數(shù)據(jù)采集及處理電路設(shè)計數(shù)據(jù)采集及處理電路如圖3.10所示圖3.10 數(shù)據(jù)采集及處理電路圖當(dāng)氣敏元件QMN5接觸到有害氣體或煙霧時，其AB極間的電阻阻值降低，從而使傳感器本身的電阻與可調(diào)電阻W1的分壓上升，相應(yīng)

38、555的4腳的電位也隨之上升，當(dāng)4腳的電位上升到1V以上時，555開始起振，其振蕩頻率由R2、W2及C4組成的RC振蕩器決定，振蕩頻率為f=1.44(R2+W2)C4。當(dāng)555起振后需要調(diào)節(jié)電位器W2，使其振蕩頻率為1.5kHz。當(dāng)可控多諧振蕩器諧振時，相應(yīng)555的輸出端3腳的輸出控制信號。正常情況下，氣敏元件QMN5接觸不到有害氣體或煙霧時，其A-B極間的阻值較大，傳感器本身的電阻與W1的分壓較小，相應(yīng)的555的4腳也處于低電平，555停振，相應(yīng)的555的輸出端3腳將不輸出控制信號。3.5 報警電路3.5.1 蜂鳴器簡介蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、

39、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。 ；蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。蜂鳴器的外形和應(yīng)用電路如圖3.11所示。 （a）應(yīng)用電路 （b）外形圖3.11 蜂鳴器的外形和應(yīng)用電路3.5.2 蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理1、壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（1.515V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ

40、的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。 壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。 2、電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。 接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。本課題選用的是電磁式蜂鳴器。3、蜂鳴器的制作（1）制備電磁鐵M:在長約6厘米的鐵螺栓上繞100圈導(dǎo)線,線端留下5厘米作引線,用透明膠布把線圈粘好,以免線圈松開,再用膠布把它粘在一個盒子上,電磁鐵就做好了. （2）制備彈片P：

41、從鐵罐頭盒上剪下一條寬約2厘米的長鐵片，彎成直角，把電磁鐵的一條引線接在彈片上，再用膠布把彈片緊貼在木板上 （3）用曲別針做觸頭Q，用書把曲別針墊高，用膠布粘牢，引出一條導(dǎo)線，如圖連接好電路 （4）調(diào)節(jié)M與P之間的距離（通過移動盒子），使電磁鐵能吸引彈片，調(diào)節(jié)觸點(diǎn)與彈片之間的距離，使它們能恰好接觸，通電后就可以聽到蜂鳴聲3.5.3 報警電路工作原理報警電路工作原理圖如下3.12所示。圖3.11 多諧震蕩電路555定時電路與外圍元器件電阻R2、W2及電容C4共同構(gòu)成多諧振蕩電路，電阻R2、W2及電容C4決定電路的振蕩頻率。正常情況下，氣敏元件的A-B極間的阻值較大，該電阻與W1的分壓減小， 55

42、5的4腳處于低電平，相應(yīng)使555定時電路的3端輸出電壓為低電平，揚(yáng)聲器Y不工作。當(dāng)氣敏元件QM接觸到可燃性氣體或煙霧時，氣敏元件的A-B極間的阻值變小，使得W1的分壓變大，于是555的4腳處于高電平，由555構(gòu)成的多些振蕩電路開始工作， 555的輸出端3腳的輸出信號推動揚(yáng)聲器Y發(fā)出報警聲。 4 整體電路設(shè)計該報警器電路如圖4.1所示。由降壓整流與穩(wěn)壓電路、氣敏傳感元件和觸發(fā)、報警音響電路等組成。電源電路由變壓器、橋氏整流電路、集成穩(wěn)壓電源7805等組成。觸發(fā)、報警音響電路由可控多諧振蕩器(555、R2、W2、C4)和揚(yáng)聲器Y等組成。半導(dǎo)體氣敏元件采用QM-N5型或MQ211型，其適用于煤氣、天然氣、汽油、醇、醚類及各種煙霧的報警，其要求加熱電壓穩(wěn)定，故采用7805對燈絲電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，且要求開機(jī)預(yù)熱3分鐘。圖4.1煙霧報警整體電路220V的交流電經(jīng)過變壓器后變成交流的9V電壓，然后經(jīng)過整流橋后變