可燃?xì)怏w報(bào)警器電路設(shè)計(jì)

./WORD格式整理版可燃?xì)怏w報(bào)警器電路設(shè)計(jì)摘要隨著可燃性氣體種類(lèi)和應(yīng)用范圍的增加,其使用場(chǎng)所和貯氣倉(cāng)庫(kù)內(nèi)氣體的泄漏、火災(zāi)爆炸事故日益增多,因此研制一種檢測(cè)可燃性氣體自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)打開(kāi)排氣裝置的一種報(bào)警器是非常必要的。本次設(shè)計(jì)的可燃?xì)怏w報(bào)警器電路,可以檢測(cè)多種可燃性氣體并對(duì)其進(jìn)行報(bào)警,在本設(shè)計(jì)中選用了氣敏傳感器GS-A2,利用GS-A2檢測(cè)可燃?xì)怏w的濃度,當(dāng)濃度達(dá)到報(bào)警臨界值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。氣體信號(hào)檢測(cè)部分主要由傳感器GS-A2和分壓電阻構(gòu)成,然后通過(guò)運(yùn)算放大器構(gòu)成的滯回比較電路和反向比例運(yùn)算電路輸出控制信號(hào)。由于氣敏傳感器GS-A2開(kāi)始通電時(shí)會(huì)有一段時(shí)間阻值很小,為了防止其發(fā)生誤報(bào)警,檢測(cè)電路需配合延時(shí)電路才能保證其準(zhǔn)確性?？刂菩盘?hào)通過(guò)報(bào)警電路實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警及控制機(jī)外排風(fēng)設(shè)備等聯(lián)動(dòng)裝置,從而實(shí)現(xiàn)可燃?xì)怏w報(bào)警器的電路設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：報(bào)警器；GS-A2；誤報(bào)警；控制信號(hào)TheCircuitDesignofFlammableGasAlarmApparatusABSTRACTWiththeincreaseofcombustiblegastypesandapplicationscope,theuseplaceofgasleakage,fireandgasstoragewarehouseexplosionaccidentsareincreasing,sodevelopanautomaticdetectingcombustiblegasalarmandautomaticallyopentheexhaustdeviceofanalarmsystemisverynecessary.Thedesignoftheflammablegasalarmcircuitcandetectavarietyofflammablegasandalarmit.InthisdesignchosegassensorGS-A2,usingGS-A2testingtheconcentrationofthecombustiblegas,tosoundandlightalarmwhentheconcentrationreachesacriticalvalue.ThegassensorsignaldetectingsectionmainlyconsistedbyGS-A2andthevoltagedividingresistors,andoutputacontrolsignalthroughthehystereticcomparatorcircuitconstitutedbyoperationalamplifierandreverseproportionalarithmeticcircuit.SincegassensorGS-A2startswhenpowerisminimalresistanceforsometime,inordertopreventfalsealarms,thedetectioncircuitmustcomplywithinordertoensureitsaccuracydelaycircuit.Controlsignalthroughthealarmcircuittorealizesoundandlightalarmandcontrolclosedexhaustequipmentlinkage,soastorealizethecircuitdesignofcombustiblegasalarm.Keywords：AlarmApparatus；GS-A2；FalseAlarm；ControlSignal目錄TOC\o"1-3"\u１引言11.1課題研究的意義、現(xiàn)狀11.2課題研究的要求及內(nèi)容12電路設(shè)計(jì)22.1總體思路22.2 可燃?xì)怏w檢測(cè)及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)2氣敏傳感器GS-A2介紹2可燃?xì)怏w檢測(cè)及信號(hào)處理42.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)6聲報(bào)警電路7光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路92.4±5V穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)103電路調(diào)試134結(jié)論14參考文獻(xiàn)15致謝16附錄17.１引言1.1課題研究的意義、現(xiàn)狀在很多工業(yè)領(lǐng)域,比如石油,采礦,冶金,化工等行業(yè),都會(huì)用到或者產(chǎn)生可燃?xì)怏w。近年來(lái),隨著燃?xì)獾淖兏?可燃?xì)怏w已經(jīng)成為了大多數(shù)城鄉(xiāng)居民取暖和做飯的燃料。但由于各種各樣的原因,如漏氣,閥門(mén)故障,使用產(chǎn)品不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻目扇細(xì)怏w泄露,室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度上升,當(dāng)濃度上升到一定程度會(huì)引起人中毒甚至死亡,如果遇到火花等,還可能引起爆炸,造成人身傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。由于可燃?xì)怏w的危害性嚴(yán)重影響了人們的生活安全,因此怎樣防止可燃?xì)怏w中毒與爆炸至關(guān)重要?？扇夹詺怏w報(bào)警器在國(guó)外己經(jīng)發(fā)展成為一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品。日本是最早發(fā)明燃?xì)鈭?bào)警器的國(guó)家,己有50多年的歷史。無(wú)論在氣體探測(cè)器的研制上,還是在報(bào)警器的性能上,均處于國(guó)際領(lǐng)先水平。日本政府和生產(chǎn)企業(yè)大力推廣報(bào)警器的使用,使燃?xì)庑孤┖捅ǖ仁鹿实氖鹿事蔬h(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。其中FIGARO、理研都是專(zhuān)門(mén)研制、生產(chǎn)可燃性氣體報(bào)警控制器的廠家,他們生產(chǎn)的產(chǎn)品以采用最先進(jìn)的氣敏傳感器、響應(yīng)速度快、性能可靠、壽命長(zhǎng)而著稱(chēng)。我國(guó)在70年代初期開(kāi)始研制可燃性氣體報(bào)警器,生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全,應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類(lèi)型報(bào)警器,產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)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,又進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā),形成自己的特色。近年來(lái),在氣體選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步[1]。1.2課題研究的要求及內(nèi)容可燃?xì)怏w報(bào)警器行業(yè)迅速形成并發(fā)展,國(guó)內(nèi)許多企業(yè)都進(jìn)行關(guān)于可燃?xì)怏w報(bào)警器的新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)品工藝的改進(jìn),但是由于新產(chǎn)品價(jià)格昂貴,穩(wěn)定性方面也存在問(wèn)題,生產(chǎn)工藝落后,這使得當(dāng)前可燃?xì)怏w報(bào)警器研制開(kāi)發(fā)工作應(yīng)將報(bào)警器的微型化、精密化、穩(wěn)定化作為技術(shù)工作重點(diǎn)和目標(biāo)[2]。本次設(shè)計(jì)選用半導(dǎo)體氣敏傳感器GS-A2〔由于這種傳感器具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性、較高的靈敏度、良好的抗干擾能力、較好的重復(fù)性檢測(cè)可燃?xì)怏w,與滯回比較電路和反向比例運(yùn)算電路部分構(gòu)成可燃?xì)怏w檢測(cè)電路。檢測(cè)電路經(jīng)過(guò)信號(hào)比較、放大處理等輸出控制信號(hào),將其安裝在可能有可燃?xì)怏w泄露的位置附近對(duì)可燃?xì)怏w濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制。本次設(shè)計(jì)的另外一個(gè)重要部分是驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路,報(bào)警電路采用NE555芯片組成振蕩電路,當(dāng)檢測(cè)電路輸出的控制信號(hào)輸入后,經(jīng)過(guò)電路輸出脈沖信號(hào)并驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作發(fā)出聲音報(bào)警；此外,三極管放大電路、LED發(fā)光二極管及電磁繼電器組成的光報(bào)警聯(lián)動(dòng)電路,可以對(duì)檢測(cè)電路發(fā)出的控制信號(hào)作出光報(bào)警動(dòng)作,而且繼電器作為聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)可以外接排風(fēng)裝置能迅速采取動(dòng)作,及時(shí)減少空氣中可燃?xì)怏w濃度等,從而減少中毒、火災(zāi)及爆炸等安全隱患,有效保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全。2電路設(shè)計(jì)2.1總體思路當(dāng)空氣中可燃?xì)怏w濃度上升到一定值時(shí),可燃?xì)怏w檢測(cè)電路發(fā)出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)聲、光報(bào)警以及外部設(shè)備聯(lián)動(dòng)。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度在設(shè)置的臨界報(bào)警濃度附近徘徊時(shí),會(huì)使報(bào)警器報(bào)警部分不停地開(kāi)和關(guān),繼電器不停地吸合和斷開(kāi),為了防止抖動(dòng)現(xiàn)象,保證此設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性,電路中引入了滯回比較器,有效的減少了外部的干擾。當(dāng)電路電源剛剛接通時(shí),由于氣敏傳感器的初始電阻值很小,電路會(huì)發(fā)生誤報(bào)警現(xiàn)象,為了防止此現(xiàn)象的發(fā)生,在電路中加入了延時(shí)電路以防止報(bào)警器的誤報(bào)警動(dòng)作。本電路整體上可以分為四部分：可燃?xì)怏w檢測(cè)電路、信號(hào)處理電路、報(bào)警電路及聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)、±5V穩(wěn)壓電源電路。電路的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。供電電源供電電源傳感元件信號(hào)檢測(cè)信號(hào)放大與比較驅(qū)動(dòng)及報(bào)警圖2-1電路總體結(jié)構(gòu)圖可燃?xì)怏w檢測(cè)及信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用氣體傳感器GS-A2為氣體濃度檢測(cè)元件。當(dāng)氣體傳感器GS-A2檢測(cè)到可燃?xì)怏w濃度變化時(shí),其阻值發(fā)生變化,使電路輸出檢測(cè)信號(hào)[3]。為了抑制外界干擾和提高電壓驅(qū)動(dòng)能力在電路中引入滯回比較器和反相比例運(yùn)算放大電路。由于開(kāi)始給整個(gè)電路通電時(shí),氣體傳感器GS-A2的電阻值比其正常工作時(shí)電阻值小很多,導(dǎo)致電阻R1分壓較大,會(huì)使電路發(fā)生誤報(bào)警。為了防止這一現(xiàn)象,就需要在電路中加一個(gè)延時(shí)電路來(lái)延遲初次報(bào)警時(shí)間。2.2.1氣敏傳感器GS-A2介紹氣敏傳感器GS-A2屬于電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器利用被測(cè)氣體的吸附作用,改變半導(dǎo)體的電阻率,通過(guò)對(duì)電流變化的比較,來(lái)激發(fā)報(bào)警電路。半導(dǎo)體式傳感器測(cè)量時(shí)對(duì)環(huán)境變化較為敏感,輸出線(xiàn)性不穩(wěn)定。金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器,因?yàn)槠鋵?duì)燃?xì)鉂舛确磻?yīng)十分靈敏,所以目前被廣泛應(yīng)用在測(cè)量可燃?xì)怏w微漏的領(lǐng)域中。由于半導(dǎo)體與吸附分子間存在能量差,氣體分子被吸附在半導(dǎo)體表面上,在半導(dǎo)體表面和吸附分子之間將發(fā)生電荷的重新排列。對(duì)于如TiO2、SnO2等N型半導(dǎo)體,如果吸附的是具有還原性的甲烷氣體,這時(shí)電子從甲烷向半導(dǎo)體表面轉(zhuǎn)移,使半導(dǎo)體表面電子的密度增加,從而使半導(dǎo)體電阻率下降。通過(guò)阻值的變化在電路中實(shí)現(xiàn)分壓或限流,從而在電路中實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)[4]。氣敏傳感器GS-A2在正常情況下具有一定阻值R,隨著周?chē)扇細(xì)怏w濃度增大而阻值逐漸變小。根據(jù)測(cè)量電路〔圖2-2對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。由于GS-A2在主電路中作為阻值隨氣體濃度變化的變值電阻使用,它可以將周?chē)扇細(xì)怏w濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)配合后面的滯回電路和反向運(yùn)算放大電路控制報(bào)警電路,從而發(fā)揮對(duì)可燃?xì)怏w的報(bào)警功能。要設(shè)計(jì)此報(bào)警器電路首先要了解GS-A2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路,如圖2-2所示。圖2圖2-2傳感器測(cè)量電路路煤氣〔H2氣敏傳感器GS-A2技術(shù)指標(biāo)如表2-1所示。表2-1GS-A2技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱(chēng)加熱電壓測(cè)量電壓空氣中的電阻響應(yīng)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間靈敏度符號(hào)VhVcRoTrestrecβ單位VVKΩSS倍參數(shù)值5+0.15～10分檔≤10≤30≥5[標(biāo)注]①標(biāo)定氣體為1000ppm氫氣。②Ro在50KΩ～1000KΩ間,可按用戶(hù)要求分檔供應(yīng)。工作在溫度：-10℃～+45℃；濕度：≤95%RH的環(huán)境；檢測(cè)范圍：100～5000PPM；標(biāo)定氣體：CO含量≤10%人工煤氣400～5000PPM；CO含量≤20%人工煤氣400～2500PPM；CO含量≤30%人工煤氣250～1500PPM。2.2.2可燃?xì)怏w檢測(cè)及信號(hào)處理〔1可燃?xì)怏w檢測(cè)可燃?xì)怏w檢測(cè)電路主要完成對(duì)可燃?xì)怏w濃度信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,此電路主要由圖2-3中傳感器GS-A2和分壓電阻R1構(gòu)成氣體信號(hào)檢測(cè)部分,RP1與R2構(gòu)成比較電壓部分,通過(guò)調(diào)節(jié)RP1的阻值,可以設(shè)定報(bào)警電壓,而報(bào)警電壓對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的氣體濃度。采用氣敏傳感器GS-A2檢測(cè)空氣中的可燃?xì)怏w濃度,當(dāng)可燃?xì)怏w濃度變化時(shí),氣敏傳感器GS-A2阻值發(fā)生變化,檢測(cè)電路輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。當(dāng)氣體傳感器GS-A2檢測(cè)到可燃?xì)怏w后,自身電阻值變小,使與之串聯(lián)的R1上所加載的電壓上升,當(dāng)R1電壓大于比較器A1設(shè)定的基準(zhǔn)電壓時(shí),A1輸出信號(hào),再經(jīng)過(guò)反相比例電路輸出檢測(cè)信號(hào)[5]。圖2-3可燃?xì)怏w檢測(cè)及信號(hào)處理電路〔2信號(hào)處理為了防止抖動(dòng)現(xiàn)象和提高驅(qū)動(dòng)能力,在電路中引入滯回比較電路和反向比例運(yùn)算電路來(lái)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理,從而輸出對(duì)報(bào)警電路的控制信號(hào)?？紤]到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,報(bào)警器周?chē)目扇細(xì)怏w濃度是不斷變化的,氣體濃度的變化會(huì)引起傳感器電阻率發(fā)生相應(yīng)變化,通過(guò)影響在電路中的分壓來(lái)控制檢測(cè)信號(hào),當(dāng)可燃?xì)怏w濃度在設(shè)置的氣體臨界報(bào)警濃度附近徘徊時(shí),就會(huì)使報(bào)警器報(bào)警部分也處于臨界報(bào)警狀態(tài)而不停地開(kāi)關(guān),即整個(gè)報(bào)警電路的穩(wěn)定性不能得到保證,這不僅不能起到預(yù)防報(bào)警作用,而且非常容易造成排風(fēng)機(jī)等外部設(shè)備的損壞,因此需要加入防抖動(dòng)電路。滯回比較器具有滯回特性,即具有慣性,因而具有一定的抗干擾能力。所以將比較器A1連接一些元器件組成滯回比較電路。將控制信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)間劃分出一個(gè)短暫的響應(yīng)區(qū)間,防止臨界誤報(bào)警。滯回比較器所檢測(cè)的信號(hào)就是R1上的負(fù)載電壓,負(fù)載電壓與設(shè)定電壓經(jīng)滯回比較器比較后輸出。通過(guò)調(diào)節(jié)RP1的阻值,可以設(shè)定報(bào)警電壓,而報(bào)警電壓對(duì)應(yīng)著某個(gè)氣體濃度,可燃?xì)怏w的濃度不同,R1上的負(fù)載電壓也不同。如果我們?cè)O(shè)定某濃度時(shí)報(bào)警,那么我們就設(shè)定滯回比較器的正相輸入電壓與該濃度時(shí)R1時(shí)的負(fù)載電壓相同。當(dāng)R1上電壓低于設(shè)定電壓時(shí)輸出為高電平,當(dāng)R1上電壓高于設(shè)定電壓時(shí)輸出為低電平[6]。圖2-3中由R1、R3、RP1、R4、R5以及兩個(gè)穩(wěn)壓二極管組成的滯回比較器。其工作原理如下：從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出u0=±UZ〔其中UZ是穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。假設(shè)uI<UT1,那么uN一定小于up,因而u0=+UZ,所以u(píng)p=UT1。當(dāng)輸入電壓uI增大到UT2時(shí),只要再增大一個(gè)無(wú)窮小量,輸出電壓u0就會(huì)從+UZ躍變?yōu)?UZ。同理,假設(shè)uI>UT2,那么uN一定大于up,因而u0=-UZ,所以u(píng)p=UT1。UT1、UT2分別是兩次越變時(shí)的閾值電壓,且知〔2-1〔2-2式中是參考電壓,可以調(diào)節(jié)RP1大小來(lái)設(shè)定此參考電壓值的大小當(dāng)輸入電壓。由式〔2-1〔2-2可以看出:調(diào)節(jié)參考電壓值大小和穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓可以改變兩次越變時(shí)的閾值電壓。因?yàn)閮蓚€(gè)閾值電壓UT1、UT2大小不同,就出現(xiàn)了一個(gè)滯回窗口,當(dāng)輸入電壓值uI減小到UT1時(shí),只要再減小一個(gè)無(wú)窮小量,輸出電壓u0就會(huì)從-UZ躍變?yōu)?UZ,可見(jiàn),由于u0從+UZ躍變?yōu)?UZ和u0從-UZ躍變?yōu)?UZ的閾值電壓是不同的,所以就出現(xiàn)了電壓跳變和返回時(shí)的窗口滯回區(qū)間。電壓傳輸特性如圖2-4所示。圖2-4電壓傳輸特性從上面電壓傳輸特性曲線(xiàn)上可以看出,當(dāng)UT1<uI<UT2,輸出電壓可能是±UZ。如果uI是從小于UT1的值逐漸增大到UT1<uI<UT2,那么u0應(yīng)為+UZ；如果uI是從大于UT2的值逐漸減小到UT1<uI<UT2,那么u0應(yīng)為-UZ；曲線(xiàn)具有方向性。為了提高電壓驅(qū)動(dòng)能力,在電路中引入反相比例運(yùn)算放大電路。反相比例運(yùn)算電路由圖2-3中A2、R6、R7組成。滯回比較器輸出信號(hào)輸入到反相比例運(yùn)算電路的反相輸入端,使輸出的信號(hào)與輸入信號(hào)相反,使R1上電壓低于設(shè)定值時(shí)報(bào)警電路輸入端得到的控制信號(hào)為低電平,R1上電壓高于設(shè)定值時(shí)報(bào)警電路輸入端得到的控制信號(hào)為高電平,通過(guò)翻轉(zhuǎn)信號(hào)使報(bào)警器收到準(zhǔn)確的控制信號(hào)。反響比例運(yùn)算電路可以通過(guò)更換電阻來(lái)提高對(duì)報(bào)警電路的驅(qū)動(dòng)能力[7]?！?報(bào)警器上電延時(shí)由于開(kāi)始給整個(gè)電路通電時(shí),氣體傳感器GS-A2的電阻值比其正常工作時(shí)電阻值小很多,導(dǎo)致電阻R1分壓較大,會(huì)使電路發(fā)生誤報(bào)警。為了防止這一現(xiàn)象,就需要在電路中加一個(gè)延時(shí)電路來(lái)延遲初次報(bào)警時(shí)間。上電延時(shí)電路如圖2-5所示。圖2-5上電延時(shí)電路延時(shí)電路是通過(guò)LM324同相輸入端與反相輸入端電壓進(jìn)行比較輸出控制信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。A3的輸出通過(guò)一個(gè)反向二極管連接到A1的反相輸入端。由電阻R10和電容C12輸入運(yùn)算放大器A3的同相輸入端,R11和R12輸入運(yùn)算放大器A3的反相輸入端,因?yàn)橥姾箅娙菪枰欢ǖ臅r(shí)間充電,此時(shí)運(yùn)放的同相輸入端低于反相輸入端,輸出與反相端相同,運(yùn)算放大器A3輸出端為低電平,使A點(diǎn)的電壓被鉗制,所以R1上的負(fù)載電壓不會(huì)立即變化。通電一段時(shí)間后電容穩(wěn)步充電,同相輸入端的電壓升高,使輸出與同相端輸出相同,輸出高電平經(jīng)過(guò)反向二極管截止,此時(shí)信號(hào)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)為正常工作狀態(tài)。通過(guò)改變電阻R10阻值或電容C12容量,可調(diào)整延時(shí)電路的延時(shí)時(shí)間。電路工作一段時(shí)間后,運(yùn)算放大器A3的輸出端變?yōu)楦唠娖?延時(shí)結(jié)束。根據(jù)具體情況針對(duì)電容的容值與電阻的阻值不同可設(shè)定不同的延遲時(shí)間,一般選用的延時(shí)都不要太大,否則影響檢測(cè)電路的正常工作。只需要保證氣體傳感器到達(dá)正常工作狀態(tài)之前電路不報(bào)警即可[8]。2.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)根據(jù)不同的用途,可以選擇不同的報(bào)警方式,較常用的是聲光報(bào)警方式,有時(shí)采用聯(lián)動(dòng)報(bào)警方式,不但可以起到報(bào)警作用,還可以配合外部設(shè)備對(duì)檢測(cè)到的危險(xiǎn)采取果斷措施。聯(lián)動(dòng)報(bào)警控制電路包括報(bào)警功能和控制外部聯(lián)動(dòng)裝置的功能。本設(shè)計(jì)報(bào)警功能主要由多諧振蕩電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器,三極管8050驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警?？刂仆獠柯?lián)動(dòng)裝置主要是繼電器HKF-11用來(lái)控制機(jī)外的報(bào)警器或排風(fēng)設(shè)備等聯(lián)動(dòng)裝置。下文中將對(duì)報(bào)警電路的聲報(bào)警電路和光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路分別作詳細(xì)介紹[9]。2.3.1聲報(bào)警電路本設(shè)計(jì)中聲報(bào)警功能是由多諧振蕩器產(chǎn)生矩陣脈沖驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)的。如圖2-6所示。圖2-6聲報(bào)警電路圖2-6聲報(bào)警電路多諧振蕩器是一種自激振蕩電路,當(dāng)電路連接好之后,只要接通電源,在其輸出端便可獲得矩陣脈沖,由于矩形脈沖中除基波外還含有極豐富的高次諧波,所以把這種電路叫做多諧振蕩器。NE555芯片正常工作時(shí),4腳接收到控制信號(hào)后3腳輸出矩形脈沖,經(jīng)過(guò)隔直電容C11驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器揚(yáng)聲器,實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警。如圖2-6可知,多諧振蕩電路由NE555集成電路和R14,RP2,C9電容組成可控多諧振蕩器。NE555集成電路是一種模擬和數(shù)字電路相混合的集成電路。它不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用靈活,而且用途十分廣泛,可以組成多種多諧振蕩器、波形發(fā)生器、定時(shí)電路、檢測(cè)電路、頻率變換電路等。NE555集成電路的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7555內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)其由三個(gè)電阻組成分壓器、兩個(gè)基本觸發(fā)器H1和H2、兩個(gè)比較器A1和A2、放電晶體管VT、輸出緩沖級(jí)H3等組成。其引腳功能為：1地線(xiàn),2觸發(fā),3輸出電平,4復(fù)位,5控制電壓,6閥值電壓,7放電,8電源<Vcc>。NE555集成電路的邏輯功能如表2-2所示。表2-2555電路的邏輯功能RDTHTROUTVT0XX0導(dǎo)通1>2/3Vcc>1/3Vcc0導(dǎo)通1<2/3Vcc>1/3Vcc不變不變1X<1/3Vcc1截止多諧振蕩電路接通電源前電容C上無(wú)電荷,所以在接通電源瞬間,電容還來(lái)不及充電,故Uc＝0V,比較器A1輸出為1、A2輸出為0,基本RS觸發(fā)Q=1,3腳輸出為高電平。接上電源多諧振蕩器工作時(shí)有兩個(gè)狀態(tài),暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ和暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ,在每個(gè)暫穩(wěn)態(tài)后緊接著一次電壓翻轉(zhuǎn),過(guò)程大致如下：<1>暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ：起始狀態(tài)3腳輸出高電平是電路的一種暫穩(wěn)態(tài),在此狀態(tài)下,進(jìn)行著一個(gè)電容C充電、Uc升高的漸變過(guò)程,充電回路是Vcc→R6、R7→C→地,時(shí)間常數(shù)是〔R6+R7*C。當(dāng)Uc電壓升高到2Vcc/3時(shí),比較器A1輸出跳變?yōu)?,基本RS觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到零狀態(tài),3腳輸出低電平。TD變?yōu)轱柡蛯?dǎo)通狀態(tài)。<2>暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ：3腳輸出低電平是電路的另一種暫穩(wěn)態(tài),此時(shí)D飽和導(dǎo)通。在這種狀態(tài)下,同樣有一個(gè)電容C放電的過(guò)程,放電回路是：C→R2→TD→低。放電時(shí)間常數(shù)是R2*C。<忽略TD飽和導(dǎo)通電阻RCES>。當(dāng)Uc放電下降到Vcc/3時(shí),比較器A2輸出跳變?yōu)?,基本RS觸發(fā)器立即翻轉(zhuǎn)到1狀態(tài)。3腳輸出高電平,TD變?yōu)榻刂翣顟B(tài),即暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ。在暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ,電容C5又充電、Uc再上升,接通電源之后電路就在這兩個(gè)暫穩(wěn)狀態(tài)之間來(lái)回翻轉(zhuǎn),于是由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器的輸出端就產(chǎn)生了矩形脈沖信號(hào)。電路的工作波形如圖2-8所示。圖2-8555芯片輸出端脈沖波5腳是控制電壓端,加上控制電壓可以改變參考電壓,此次設(shè)計(jì)中將這一引腳連接濾波電容后接地,增強(qiáng)電路的抗干擾能力。沒(méi)有控制信號(hào)輸入時(shí),4腳處于低電平狀態(tài),振蕩器處于停振狀態(tài),當(dāng)控制信號(hào)使4腳置位,芯片開(kāi)始震蕩,驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲報(bào)警。調(diào)節(jié)RP2大小,可以調(diào)節(jié)振蕩器震蕩頻率,即可改變揚(yáng)聲器聲音大小[10]。2.3.2光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路顧名思義,包括光報(bào)警部分和聯(lián)動(dòng)控制部分,其中光報(bào)警部分功能由LED發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn),聯(lián)動(dòng)控制部分由電磁繼電器實(shí)現(xiàn)。此電路的開(kāi)關(guān)功能由8050三極管實(shí)現(xiàn),控制信號(hào)通過(guò)控制三極管的導(dǎo)通和截止來(lái)控制LED亮滅和電磁繼電器的吸合和斷開(kāi)。光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路原理圖如圖2-9所示。圖2-9光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路圖2-9光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路光報(bào)警及聯(lián)動(dòng)電路是由三極管8050驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光二極管和繼電器HKF-11來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電路中的繼電器HKF-11可以用來(lái)控制機(jī)外的報(bào)警器或排風(fēng)扇等聯(lián)動(dòng)裝置。三極管8050在電路中作為開(kāi)關(guān)使用,當(dāng)三極管輸入低電平時(shí),三極管保持關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)發(fā)光二極管不發(fā)光,繼電器無(wú)動(dòng)作,當(dāng)輸入高電平,三極管飽和導(dǎo)通,發(fā)光二極管發(fā)光,繼電器動(dòng)作。起到光報(bào)警和聯(lián)動(dòng)控制功能。繼電器通常被用于自動(dòng)控制電路中,它具有可以實(shí)現(xiàn)用較小的電流去控制較大電流的功能。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。繼電器的種類(lèi)繁多,如電磁式繼電器、舌簧式繼電器、限時(shí)繼電器、啟動(dòng)繼電器、直流繼電器、交流繼電器等。但電磁式繼電器在電子電路中應(yīng)用最為廣泛。通常,電磁式繼電器一般由鐵芯、線(xiàn)圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。當(dāng)繼電器線(xiàn)圈上通上電流時(shí)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(kāi)觸點(diǎn)吸合。當(dāng)線(xiàn)圈電流被切斷后,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(lái)的位置,使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)〔常閉觸點(diǎn)吸合。通過(guò)銜鐵的吸合返回達(dá)到控制電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。常用的繼電器有直流和交流兩種,當(dāng)控制電流為直流時(shí)即為直流繼電器,控制電流為交流,頻率為50Hz或400Hz的為交流繼電器。在本題中使用的是直流繼電器,其額定工作電壓是5V。電磁繼電器作為開(kāi)關(guān)可以在電路中控制多種用電器的通斷,在此設(shè)計(jì)中作為聯(lián)動(dòng)控制開(kāi)關(guān)使用,控制外接聯(lián)動(dòng)設(shè)備。如圖2-10所示。圖2-10外接聯(lián)動(dòng)設(shè)備電路原理圖外接聯(lián)動(dòng)電路中繼電器可以用來(lái)控制排風(fēng)機(jī),也可以控制機(jī)外報(bào)警器等其他聯(lián)動(dòng)設(shè)備,及即可起到報(bào)警提示功能又可以控制聯(lián)動(dòng)設(shè)備迅速啟動(dòng),消除火災(zāi)或爆炸隱患。2.4±5V穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)根據(jù)電路的總體設(shè)計(jì)方案確定電源類(lèi)型為±5V直流穩(wěn)壓電源,綜合各種可用電源方案后選用變壓器、整流橋和三端穩(wěn)壓器等構(gòu)成所需直流電源,電路原理圖見(jiàn)圖2-11所示。圖2-11±圖2-11±5V穩(wěn)壓電源電路圖220V交流市電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓,再經(jīng)過(guò)橋式整流電路VD1～VD4和濾波電容的整流和濾波,在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805或LM7905的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓<此電壓通常會(huì)隨著市電電壓的波動(dòng)或負(fù)載的變化等而發(fā)生波動(dòng)>。此直流電壓經(jīng)過(guò)LM7805和LM7905的穩(wěn)壓和電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本設(shè)計(jì)將交流220V交流電壓經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓等變成主電路需要的直流電。氣體傳感器GS-A2的測(cè)量電極需要一個(gè)穩(wěn)定的+5V直流電源來(lái)加熱,而穩(wěn)壓器LM7805可以滿(mǎn)足其供電要求,所以選用LM7805來(lái)做為穩(wěn)壓電源。由于放大器LM324需要雙電源供電,所以還需要一個(gè)LM7905穩(wěn)壓器來(lái)得到-5V電壓。利用變壓器得到比較合適的交流電壓即將220V交流電變成9V左右的交流電,以便為橋式電路提供合適的電源。在提供+5V的電路中,整流電路是將變壓器次級(jí)交流電壓變成單相的直流電壓,此設(shè)計(jì)采用單相橋式整流電路,四只整流二極管VD1～VD4接成整流電橋的形式,故稱(chēng)為橋式整流電路。單相橋式整流電路的工作原理可分析如下：為簡(jiǎn)單起見(jiàn),二極管采用理想化模型,即正向?qū)〞r(shí)電阻為零,反相截止時(shí)電阻為無(wú)窮大。在變壓器次級(jí)交流電壓的正半周,電路中電流從變壓器副邊線(xiàn)圈的上端流出,只能經(jīng)過(guò)二極管VD1流向負(fù)載,再由二極管VD3流回變壓器,形成回路,所以VD1、VD3正向?qū)?VD2、VD4反偏截止。在負(fù)載上的輸出電壓為上正下負(fù)。在變壓器次級(jí)交流電壓的負(fù)半周,其極性與正半周時(shí)相反,此時(shí)電流從變壓器副邊線(xiàn)圈的下端流出,經(jīng)過(guò)二極管VD2流向負(fù)載,再由二極管VD4流回變壓器,形成回路,所以VD1、VD3反偏截止,VD2、VD4正向?qū)āｋ娏髁鬟^(guò)負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù),與正半周時(shí)相同。綜上所述,橋式整流電路利用了二極管的單向?qū)щ娦?將四個(gè)二極管分為兩組,根據(jù)變壓器副邊電壓的極性使兩組二極管分別導(dǎo)通,將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連,負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連,使負(fù)載上始終可以得到一個(gè)單方向的脈動(dòng)電壓。整流電路采用單相橋式整流電路,單相橋式整流電路由四只二極管組成,其構(gòu)成原則就是保證在變壓器副邊的電壓在整個(gè)周期內(nèi),負(fù)載上的電壓和電流方向始終保持不變。在-5V的部分電路中工作原理與之相同。濾波電路的作用是濾除脈動(dòng)電壓中的諧波分量,使其輸出平滑的直流電壓,它最基本的濾波元件是濾波電容,其濾波原理是：利用這些電容在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的特性,使輸出電壓變得相對(duì)比較平滑,起到一定濾波作用。常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類(lèi)。其中無(wú)源濾波又主要包括電感濾波、電容濾波和復(fù)式濾波三種形式。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。本次設(shè)計(jì)濾波電路采用電容濾波電路,在整流電路的輸出端和三端穩(wěn)壓器分別并連電容即構(gòu)成電容濾波電路。另外電容C5、C6可有效抑制來(lái)自電網(wǎng)的高頻干擾,電容C7、C8作用也是抑制高頻干擾,主要是清除三端穩(wěn)壓器LM7805和LM7905的自激震蕩,從而保證電源電路輸出比較穩(wěn)定的±5V穩(wěn)定直流電壓[11]。3電路調(diào)試詳細(xì)電路圖見(jiàn)附錄。按設(shè)計(jì)電路圖搭建電路,然后進(jìn)行電路調(diào)試,具體步驟如下：<1>接通電源,電壓表測(cè)量LM7805的輸入端應(yīng)為+9V左右,輸出端應(yīng)為+5V左右。測(cè)量LM7905的輸入端應(yīng)為-9V左右,輸出端應(yīng)為-5V左右。<2>測(cè)量LM324的8腳即延時(shí)電路中放大器的輸出端輸出應(yīng)為低電平,延時(shí)結(jié)束后,LM324的8腳應(yīng)為高電平,通過(guò)使用不同阻值的R10或不同電容量的C12,可調(diào)整延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短。<3>調(diào)節(jié)RP1大小來(lái)設(shè)定報(bào)警電路的參考值,可用可調(diào)電阻替換氣體傳感器GS-A2來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),開(kāi)始將電阻值預(yù)調(diào)到最大,然后慢慢調(diào)小,當(dāng)可調(diào)電阻調(diào)到一定值時(shí),如果發(fā)光二極管正常發(fā)光,說(shuō)明電路沒(méi)有問(wèn)題。如果沒(méi)有發(fā)光,仔細(xì)檢查滯回比較環(huán)節(jié)和反相比例環(huán)節(jié)是否有問(wèn)題。當(dāng)R1電壓低于參考值時(shí),檢查滯回比較環(huán)節(jié)輸出是否為高電平,反相比例環(huán)節(jié)輸出是否為低電平；當(dāng)R1電壓高于參考值時(shí),檢查滯回比較環(huán)節(jié)輸出是否為低電平,反向比例環(huán)節(jié)輸出是否為高電平。如果以上條件都滿(mǎn)足時(shí)說(shuō)明比較環(huán)節(jié)和反相比例環(huán)節(jié)沒(méi)有問(wèn)題。<4>檢查三極管8050控制的部分,將1K電阻一端接5V電源,另一端接三極管基極,如果有光報(bào)警則說(shuō)明三極管控制的報(bào)警部分也沒(méi)有問(wèn)題。<5>對(duì)555芯片的4腳和8腳加5V電源,如果揚(yáng)聲器發(fā)出聲響則聲報(bào)警部分沒(méi)有問(wèn)題。<6>報(bào)警氣樣標(biāo)定方法：將電路調(diào)試完好的報(bào)警器通電預(yù)熱10分鐘,根據(jù)被測(cè)氣體按體積比配制成所需濃度的標(biāo)定氣樣,在通電狀態(tài)下將預(yù)熱后的報(bào)警器置于上述氣樣中。10秒鐘后氣體傳感器充分感測(cè)到被測(cè)氣體,微調(diào)報(bào)警器上的RP1至報(bào)警器剛好鳴響報(bào)警,反復(fù)幾次即可完成報(bào)警氣樣標(biāo)定[12]。至此,調(diào)試過(guò)程結(jié)束。4結(jié)論本次設(shè)計(jì)基本上完成了可燃?xì)怏w報(bào)警電路的設(shè)計(jì)與