天燃气泄露报警器设计.docx
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天燃气泄露报警器设计
摘要
本设计主要检测的有毒气体成分是液化气、天然气、城市煤气，这些气体是日常生活中经常接触到，而且是必不可少的东西。
在家庭火灾或者中毒事件中，往往是由于煤气的使用不当，导致的煤气泄漏，而引起的煤气中毒和爆炸。
本设计中，气体传感器采用的是MQ-5，它适用于家庭或工业上对液化气，天然气（甲烷），煤气的监测装置。
它具有优良的抗乙醇、抗烟雾干扰能力，具有对液化气、天然气、城市煤气有较好的灵敏度、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命和可靠的稳定性、简单的测试电路等优点。
关键字：
MQ-5，LM339,有毒气体。
1前言
1.1引言
科技进步，共享文明。
很明显，科技发展到今天，不管是从我们的生活，还是学习，以至方方面面，我们都在享受着科技带给我们的快乐！
在这一篇毕业论文中，我将在有害气体报警方面和大家作讨论。
进入陕西邮电职业技术学院以来，我一直致兴趣在传感器方面，不过由于水平有限，在传感器与单片机搭配方面还不能有所领悟。
我的题目是《天燃气泄漏报警器设计》，但我在这个题目的前提下，作了少许的改进，也算是做了一点点的创新吧。
现代家居生活中，对天然气、液化气的使用非常普遍，而这些气体都是易燃易爆的，由于使用不当或气体泄漏而引起的中毒和爆炸成为现在家居安全最大的隐患。
保护家居安全的主要措施，就是对些有害气体进行有效的监控。
本设计采用气体传感器对气体的含量进行检测，适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）的泄漏探测报警。
而本设计采用的无线发射与接收方式，实现了远程监控的功能，另外，电路板上已预留继电器控制电路，用户可方便加装，报警时可由继电器控制排风扇即时排出可燃气体，也可同时控制气源电磁阀即时关闭气源，避免危险事件的发生。
1.2什么是有害气体
a.有害气体这一概念在我们日常生活中是经常用提起，我们也并不陌生，但我们对它又了解多少呢？
在我国，有害气体主要分为以下几种。
有害气体是指存在于大气中的危害性较大的气体状污染物质，主要包括酸性有害气体和氧化性有害气体。
有害气体主要有硫氧化物（如SO2）、硫化物（如H2S）、氮氧化物（如NO2）、光化学烟雾、氯气（CL2）等。
b.有害气体主要来自城市。
主要是城市工业用燃料燃烧和工业生产过程中的排气，以及民用燃料燃烧。
由于工业发展水平较低，尤其“三废”得不到及时有效处理，造成空气污染，特别是化工、水泥、造纸等行业，其生产过程中的排气排尘是造成大气污染的重要原因。
另外，随着交通运输业的发展，以汽车为代表的交通工具急剧增加，其排放物也成为有害气体的主要来源之一。
1.2.1有害气体的特性
a.甲醛
特性：
无色，具有刺激性气味
主要危害：
甲醛是污染室内环境的主要污染物，被称为室内污染“第一杀手”，释放期长达3～15年，可经呼吸道吸收，对人体的危害具长期性、潜伏性、隐蔽性的特点，已经被世界卫生组织确定为致癌和致畸形物质。
主要来源：
人造板材、人造板材家具、涂料、胶水类及壁纸、地毯等大量使用粘合剂的环节。
b.苯系物（苯、甲苯、二甲苯）
特性：
无色，具有特殊芳香味
主要危害：
俗称“芳香杀手”，使中枢神经系统麻醉作用；可抑制人体造血功能，使红血球、白血球、血小板减少，导致再生障碍性贫血和白血病的事实已被医学界普遍公认，于1993年被世界卫生组织确定其为强致癌物质。
主要来源：
合成纤维、油漆、各种油漆涂料的添加剂和稀释剂、各种溶剂型胶粘剂、防水材料。
c.氨
特性:
无色，具有强烈刺激性气体
主要危害：
对眼、喉、上呼吸道有强烈的刺激作用，可通过皮肤及呼吸道引起中毒，破坏运氧功能，减弱人体对疾病的抵抗力。
引发充血、分泌物增多、肺水肿、支气管炎、皮炎，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症。
主要来源：
建筑施工中使用的混凝土抗冻添加剂，防火板中的阻燃剂等。
d.TVOC
特性:
无色、具有刺激性挥发有机物
主要危害：
学名“总挥发性有机化合物”，具有毒性、刺激性，引起机体免疫水平失调，影响中枢神经系统功能，出现头晕、头痛、嗜睡、无力、胸闷等症状，还可能影响消化系统，出现食欲不振、恶心等，严重时可损伤肝脏和造血系统，甚至引起死亡。
e.一氧化碳
特性:
在通常状况下,一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体,熔点—199℃,沸点—191.5℃。
标准状况下气体密度为l.25g/L,和空气密度（标准状况下1.293g/L相差很小,这也是容易发生煤气中毒的因素之
1.3方案拟定
1.3.1危险气体检测系统的方案比较
气体传感器的主要性能要满足稳定性、灵敏度、选择性的要求，不同类型的气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的作用，因此，在选择气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
本设计主要针对家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置，因此根据这一标准来选择器件和设计电路。
1.3.2方案一催化燃烧式传感器
催化燃烧式传感器--GQB-XMarchSensor：
属于高温传感器，其工作原理是气敏材料（如Pt电热丝等）在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化燃烧，电热丝由于燃烧而升温，从而使其电阻值发生变化。
催化燃烧式GQB-XMarchSensor检测的可实现是有条件的，必须保证检测环境中包含足够的氧气，在无氧的环境下这种检测方式可能无法检测任何可燃性气体。
某些含铅化合物（尤其是四乙基铅）、硫化合物、硅类、磷化合物、硫化氢和卤代烃可能会使传感器中毒或抑制。
另外，它还有成本高、不容易扩展、安装调试复杂的缺点，因此不采用此方案。
1.3.3方案二MQ-5气体传感器
MQ-5气敏元件是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
它的主要优点是：
对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，优良的抗乙醇，烟雾干扰能力、响应恢复快速、使用寿命长、稳定性好、测试电路简单，适用于家庭或工业的监测。
利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号，进行放大处理。
而且容易进行电路扩展，可以单独使用，也可以在小区内组网使用。
本设计选用此方案。
1.4设计思路和方案用MQ-5型传感器检测天燃气，然后用两个可调电阻调节电压当LM339的两个输入端，R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而变化。
R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体的报警浓度值。
调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端的电压差越大，电路的灵敏度越小。
调节可调电阻，LM339就能输出电压，然后LM339产生一个高电压输出给到三极管驱动三极管工作，此时现场的报警指示灯D1点亮，然后蜂鸣器发出声音，这时报警器报警。
当室内的气体浓度下降到报警值以下的时候，气体传感器的阻值将发生变化，然后LM339不输出电压，电路将恢复报警前的工作状态。
2硬件电路设计
2.1气体传感器MQ-5
MQ系列气体传感器属于半导体气体传感器，它的敏感材料是活性很高的金属氧化物半导体,最常用的如SnO2。
金属氧化物半导体在空气中被加热到一定温度时，氧原子被吸附在带负电荷的半导体表面，半导体表面的电子会被转移到吸附氧上，氧原子就变成了氧负离子，同时在半导体表面形成一个正的空间电荷层，导致表面势垒升高，从而阻碍电子流动。
在敏感材料内部，自由电子必须穿过金属氧化物与半导体微晶粒的结合部位（晶界）才能形成电流。
由氧吸附产生的势垒同样存在于晶界而阻碍电子的自由流动，传感器的电阻即缘于这种势垒。
在工作条件下当传感器遇到还原性气体时，氧负离子因与还原性气体发生氧化还原反应而导致其表面浓度降低，势垒随之降低。
导致传感器的阻值减小。
MQ-5是MQ系列传感器的一种，它的特点是对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度、对乙醇，烟雾几乎不响应、快速的响应恢复特性、长期的使用寿命、可靠的稳定性和简单的测试电路等。
适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气的监测装置。
2.2气体传感器MQ-5的参数
2.2.1MQ-5的结构
MQ-5气敏元件的结构和外形如图2-2所示,由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。
图2-1MQ-5的结构和外形
注释：
（1）气体敏感层二氧化锡
（2）电极金（Aug）（3）测量电极引线铂（Pt）（4）加热器镍铬合金（Ni-Cr）（5）陶瓷管三氧化二铝（6）防爆网100目双层不锈钢（SUB316）（7）卡环镀镍铜材（Ni-Cu）（8）基座胶木（9）针状管脚镀镍铜材（Ni-Cu）
设计中MQ-5的接线如图2-3所示，在实际的测量中，可以按照其等效电路来计算相应的校正数值，其中Mon表示的是测量气体在腔体内的等效电阻，RL是外接负载电阻，用来调整输出的模拟量电压范围，通过负载电阻可获得输出信号，并可调节传感器两端的电压，负载电阻可充当传感器的保护器。
为传感器选择一个合适的负载电阻可补偿传感器的离散性，并发挥传感器的最佳特性。
在同样的电路，传感器配用不同的负载电阻RL（4.7KΩ，2.0KΩ，1KΩ）时，在气体浓度与输出电压的斜率最大的条件下，传感器对报警浓度可获得最佳信号分辨率。
使用时使用可变电阻器RL，以便于获得最佳结果。
在给定的工作条件下和适当的气体浓度范围内，传感器的电阻值和还原性气体浓度之间的关系可近似由下面方程表示：
（2-1）
其中：
's：
传感器电阻A：
常数[C]:
气体浓度α:
Rs曲线的斜率
图2-1MQ-5的等效电路
2.2.2MQ-5的主要规格
标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Ac
回路电压
≤15V
ACorDC
VH
加热电压
5.0V±0.2V
ACorDC
RL
负载电阻
可调
RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW
环境条件
Tao
使用温度
-10℃-50℃
Tas
储存温度
-20℃-70℃
Rh
相对湿度
小于95%Rh
O2
氧气浓度
21%（标准条件）氧气浓度会影响灵敏度特性
最小值大于2％
灵敏度特性
Rs
敏感体电阻
10KΩ-60KΩ
（1000ppm甲烷）
探测范围：
300-5000ppm
液化气，天然气，煤气。
α（1000ppm/5000ppmCH4）
浓度斜率
≤0.6
标准工作条件
温度：
20℃±2℃Ac:
5.0V±0.1V
相对湿度65%±5%Vh:
5.0V±0.1V
预热时间
不少于24小时
MQ-5型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。
因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。
应该用1000ppm异丁烷或氢气校准传感器。
当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。
表2-1MQ-5的主要特性
2.3四集成运放LM33
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：
（1）失调电压小，典型值为2mV；
（2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；
（3）对比较信号源的内阻限制较宽；
（4）共模范围很大，为0—（Ucc-1.5V）Vo；
（5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；
（6）输出端电位可灵活方便地选用。
LM339集成块采用C-14型封装，图1为外型及管脚排列图。
由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竟相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用
图2-4LM339封装及内部结构
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。
用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选2-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。
LM339主要应用于：
单限比较器电路、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器。
在本设计应用的是电压比较器电路
2.4电路原理框图及工作原理
图3-1有毒气体气体检测报警电路的原理图
该电路的主要功能是完成气体浓度的检测，电路中只用到一个电压比较器，即可完成对危险气体的检测。
MQ-5是一个半导体气体传感器，传感器的阻值大小受外部还原气体的影响。
MQ-5的B端为传感器的输出端，R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而变化。
R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体的报警浓度值。
调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端的电压差越大，电路的灵敏度越小。
工作原理是：
在待机状态下，传感器始终在检测室内可燃性气体的浓度，当室内可燃性气体的浓度超过设定值时，传感器产生的电压将超过门限电压，然后通过LM339产生一个高电压输出给到三极管驱动三极管工作，此时现场的报警指示灯D1点亮，然后蜂鸣器发出声音，这时报警器报警。
当室内的气体浓度下降到报警值以下的时候，气体传感器的阻值将发生变化，然后LM339不输出电压，电路将恢复报警前的工作状态。
2.4.1电路中用到的元器件MQ-5,10K可调电阻，LM339，LED,8050三极管，蜂鸣器，USB线，面包板，4.7K，200欧电阻。
2.4.2气体传感器的主要性能指标
（1）稳定性
稳定性是指传感器在整个工作时间内基本响应的稳定性，取决于零点漂移和区间漂移。
零点漂移是指在没有目标气体时，整个工作时间内传感器输出响应的变化。
区间漂移是指传感器连续置于目标气体中的输出响应变化，表现为传感器输出信号在工作时间内的降低。
理想情况下，一个传感器在连续工作条件下，每年零点漂移小于10%。
（2）灵敏度
灵敏度是指传感器输出变化量与被测输入变化量之比，主要取决于传感器的结构和所使用的技术。
大多数气体传感器的设计都利用了生物化学、电化学、物理和光学。
首先要考虑的是选择一种敏感技术，它对目标气体的阀限制（TLV-thresh-oldlimitvalue）或最低爆炸限（LEL-lowerexplosivelimit）的百分比的检测要有足够的灵敏性。
（3）选择性
选择性也被称为交叉灵敏度。
可以通过测量由某一种浓度的干扰气体所产生的传感器响应来确定。
这个响应等价于一定浓度的目标气体所产生的传感器响应。
这种特性在追踪多种气体的应用中是非常重要的，因为交叉灵敏度会降低测量的重复性和可靠性，理想传感器应具有高灵敏度和高选择性。
（4）抗腐蚀性
抗腐蚀性是指传感器暴露于高体积分数目标气体中的能力。
在气体大量泄漏时，探头应能够承受期望气体体积分数10~20倍。
在返回正常工作条件下，传感器漂移和零点校正值应尽可能小。
2.4.3危险气体传感器使用的注意事项
（1）不可施加电压过高：
如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，引起传感器敏感特性下降。
（2）避免高腐蚀性的环境：
传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。
（3）避免碱、碱金属盐、卤素的污染：
传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。
（4）禁止接触到水：
溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。
（5）避免结冰水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。
（6）必须避免暴露于有机硅蒸气中：
如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。
传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。
此外，不能经常通断电、MQ-5腔体内不能经常存放高浓度的气体和油污。
3产品的制作与调试
3.1产品制作过程，遇到的问题以及解决方法
按原理图焊接电路，先焊接蜂鸣器，然后焊接三极管，按照原理图从右向左依次焊接元器件，MQ-5与LM339依照说明和电阻焊接，焊完之后焊上电源再接地，最后用胶固定好各个元器件，焊接完成后上电测试电路无法完成设计的预想，经过一番查找最终找到自己对8050三极管的引脚搞错了导致控制部分未完成相应功能，最后经过查找资料了解三极管的引脚及封装参数，重新焊接电路再次上电电路完成功能，但其灵敏度误差好大，最终调解可调电阻完成灵敏度的校准，还有电路元器件较多，焊接时容易焊错，经过长时间的对照原理图一步步检查，最终完成电路板的焊接。
3.2产品调试本设计的元器件较少，所以采用面包板手工焊接。
焊接完成后，检查有无可能出现的虚焊、漏焊，检查电源线和接地线。
确定无问题后将电路板通电。
在加热一段时间后，用烟雾或打火机气体对电路进行测试，然后调节可调电阻，用万用表测可调电阻电压，调节R1和R2均可改变电路的灵敏度，电压比较器两个输入端的电压差越大，电路的灵敏度越小，当R1与R2电压差调到一定程度时，报警器就会实现功能。
3.3产品实物图
3.4此电路的扩展在此电路中还可以加一个电容对电路进行优化防止MQ-5检测气体时发生抖动。
在此电路中再加上电源转换模块和在控制LED灯和蜂鸣器处可加入直流控制交流的固态继电器来控制生活用电220V对排气系统控制。
扩展后的电路就真正达到人们生活所用的有毒气体检测及报警处理系统。
4总结
4.1实验结果
通过电路焊接以及调试，电路可以正常工作，在MQ-5电路加热一段时间后，使用烟雾或者打火机气体对MQ-5进行测试，电路可以正常报警。
R1与传感器的输出电阻构成分压电路，目的是让传感器有输出电压，且电压值随传感器的阻值而变化。
R2的作用是给电压比较器提供比较电压，从而改变传感器检测危险气体的报警浓度值。
4.2心得体会
通过这次课程设计实验，使我对理论和实践之间的相互关系有了更清楚的认识，理论是实践的基础，扎实的理论知识是做好工作的前提条件。
完成这个综合性设计，不仅使我巩固了几学期所学的专业知识，特别是对数字电子技术和模拟电子技术这两门课程有了更加深入的学习，并且还学到了不少新的知识，比如MQ-5，LM339等，特别是强化了自己充分利用图书馆资源，独立思考问题、解决问题的能力。
同时加强了同学之间的合作，达到了共同学习，共同进步的目的。
通过这次设计，我深深地体会到搞技术是一件非常严谨的事情。
从中我得到了不少宝贵的经验和教训，我相信这些会让我在今后的工作中取得更好的成绩打下坚实的基础。
在这一过程中，同时也发现了自己知识的匮乏，自己需要学习的东西还很多，也激发了我对知识的渴望。
也会激励我在以后的学习中更加努力。
致谢
三年的大学生涯渐入尾声，我的毕业设计也顺利的完成了。
这里首先向指导我做毕业设计的陈碧云老师表示最诚挚的感谢，同时也感谢那些帮助过我的同学。
在本次毕业设计中程碧云老师给我了极大的帮助，首先他给我提供了一些参考资料。
为我在毕业设计中省去了大量寻找资料的时间。
在设计之初，关于如何合理选择传感器也给我提供了宝贵的意见，并在绘制原理图中给出许多建议。
在后期制板过程中，提供学校实验室，让我有很好的条件来完成我的毕业设计。
再次向所有在我做毕业设计过程中关心帮助过我的老师和同学表示最诚挚的谢意。
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【10】电子设计应用杂志社.电子设计应用.2007.5
附录一电路原理图
........忽略此处.......
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