《传感器测控电路》课程设计烟雾报警器的设计.docx

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《传感器测控电路》课程设计烟雾报警器的设计

湖南科技大学2007年《传感器－测控电路》课程设计

学校：

湖南科技大学

学院：

机电工程学院

专业：

测控技术与仪器

班级：

名称：

烟雾报警器

指导教师：

设计者：

学号：

设计周期：

两星期

设计时间：

设计学分：

2分

设计基本要求：

1、熟悉相应的传感器及测控电路；2、在指导教师的指导下，独立完成相关的设计工作；3、学会使用AutoCAD及Protel软件，设计相应的传感器与测控电路；

《传感器－测控电路》课程设计目录

1．设计题目及要求

2．基本原理简述

3．总体设计方案的确定

4．传感器结构设计及计算

5．测控电路设计及计算

6．精度误差分析

7．说明书编写

8．参考文献

9．附录

烟雾报警器的设计

（湖南省湘潭市湖南科技大学代军411201）

摘要：

随着国家GDP经济的高速发展、国家能源形式的需要以及人民对安全与

环境保护的日益重视，烟雾报警器也日益受到厂矿、企业、高校、家庭

的青睐，同时由于简易烟雾传感器物美价廉、灵敏度较高、适应性强、

工作稳定性好，因此烟雾传感器必将越来越普及。

关键词：

稳压电源气体传感器集成电路驱动电路

Abstract:

WiththedevelopmentoftheeconomyofChina,theneedofnationalresources,theinstrumentsareplayinganimportantpartinthepeople’sdailylife.Becauseofitslowpriceandhighquality,moreandmoreinstrumentsarewidelybeingused.

1.课程设计要求

1.1.利用气体传感器设计一个烟雾报警器，要求有检测、报警输出。

1.2在一定的空间范围内,如果出现超过设定浓度的烟雾时,烟雾报警器便发出报警信号，报警信号灯显示出现非正常烟雾，同时，自动启动烟雾排风机,开始排出烟雾。

2.基本原理简述

2.1半导体气敏传感器的性质

利用半导体材料吸附气体后引起其性质变化特性而制成的器件称为气体传感器。

半导体气体传感器的敏感部分是金属氧化物半导体微结晶粒子烧结体，当它的表面吸附有被检测气体时，半导体微结晶粒子烧结体接触界面的导电电子比例将发生变化，继而使气敏元件的电阻值随被测气体的浓度改变而变化。

如图

（1）所示，本课程设计采用的是UL-206气敏元件N型半导体传感器，气敏元件的阻值随着气体浓度的增加而下降。

气敏传感器工作时必须经过加热这个程序，其目的是加速被测气体的吸附、脱出过程的作用；烧去气敏元件的油垢或污物，能起到清洗作用；控制不同的加热温度，能对不同的被测气体由不同的选择性作用。

加热温度与元件输出灵敏度有关，如图

（2）所示，一般为200摄氏度－400摄氏度。

在气敏元件被加热到稳定状态时，被测气体接触元件的表面而被吸附，此时气敏元件的电导率（电阻）会按一定规律发生变化。

N型半导体气敏元件（SnO2、ZnO等）上吸附还原性气体时，如氢气、一氧化碳、碳氢化合物（如CH4、C3H8等）、酒精等，气敏元件的电阻将会减小；若吸附氧化性气体，如氧气、氮氧化合物等，气敏元件的电阻将会增加。

若为P型半导体气敏元件，情况则恰好相，吸附氧化性气体其电阻减小，吸附还原性气体其电阻增加。

当气敏传感器通电后，气敏元件的电阻会急剧下降（在洁净的空气中，无待测气体），过一段时间后又逐步上升到一稳定值，这一段时间一般为2－10分钟，称这一段时间为“初始稳定状态”。

达到初始稳定状态的时间及输出稳定的电阻值，除与元件本身有关，还与元件所处的环境条件（温度与湿度）有关。

气敏元件达到初始稳定状态以后，才能用于气体检测及烟雾报警。

检测开始到电阻值稳定的时间（响应时间）与气敏元件的材料及结构有关，一般为10－30秒。

测试完毕，气敏传感器置于普通大气环境之中，其阻值恢复到待测状态时阻值的时间约为1－3分钟左右。

由于半导体气敏传感器是以被测气体和半导体表面或基体之间的可逆反应为基础，所以可以反复使用。

电阻元件加热稳定状态

（千欧）氧化性气体

初始稳定

状态

响应还原性气体

时间

在干净的大气中在待测气体中时间（分）

图

（1）N型半导体气敏元件检测气体时的阻值变化曲线

2.2电路原理

当烟雾气体的浓度超过设定的浓度时，UL-206气敏元件N型半导体传感器

的阻值下降，IC1第2脚由原来的高电平变为低电平，第4脚输出转为高电平，使继电器K开始工作，使得继电器常开触点K－1闭合，从而使报警器发出报警信号，报警指示灯发光，并带动换气扇自动排风。

3.总体设计方案

如图（3）所示，在一定的空间范围内,如果出现超过设定浓度的烟雾

时,UL-206气敏元件N型半导体气敏传感器的阻值下降，烟雾报警器便发出报警信号，报警信号灯显示出现非正常烟雾，同时，自动启动烟雾排风机,开始排出烟雾。

4．传感器结构设计及简要计算

4.1如图（4）所示，为UL-206半导体气敏传感器结构及工作电路；

4.2如图（5）所示，为UL-206半导体气敏传感器符号；

4.3如图（6）所示，为UL-206半导体气敏传感器各方面的参数；

峰值高度

（mv）SnO2

500

ZnO

400

300

200

100

100200300400500600温度（摄氏度）

图

（2）气敏元件的加热温度与输出灵敏度的关系曲线

稳压电源气体传感器电路R比较器输出电路

稳压电源

RLW

图（3）总体设计方案

AA

ff

图（4）UL-206半导体气敏传感器结构设计BB

SnO2烧结体

加热丝Ir-Pd

测量电极

不锈钢丝罩网

塑料底座

加热器

引出电极

测量电极

V+A

Vf

B

RL

AAUL-206半导体气敏传感器

数字万用表

ff

稳压电源

BB

图（5）UL-206半导体气敏传感器符号

4.4如图（7）所示，为UL-206半导体气敏传感器的技术指标

参数型号

UL-206半导体气敏传感器

探测气体

烟雾、油烟或者某些有害气体

灵敏度R0/RX

R0/RX>3

工作电压（V）AC或DC

13.5-16.5

加热电压（mV）

4.5-5.5

加热电流（mA）

160-180

环境温度（摄氏度）

-10-50

环境湿度（％RH）

小于95

精度

0.1％

此UL-206半导体气敏传感器灵敏度K=k0/kx指的是该气体传感器在洁净空气中的电阻值与在某种浓度待测气体中的电阻值之比，比值越大，灵敏度越高。

氮比灵敏度更重要的是气体的选择性和长期工作稳定性为保证该气体传感器的工作稳定性，可以在电路中加入热敏电阻补偿元件。

5.测控电路设计及计算

如图（8）所示，此烟雾报警器系统采用气体传感器对建筑设施内的烟雾气体进行实时检测，根据检测结果对报警电路进行控制的一种自动化装置，系统由UL-206半导体气敏传感器、TWH8751开关集成电路、稳压电源、继电器及排气扇等组成。

＋15V

RP1R2

R1100千欧680欧KKKK

51欧

154K－1

排气扇

报警

23指示灯

TWH8751集成开关电路

蜂鸣器

UL-206半导体气敏传感器

220伏

图（8）烟雾报警器报警电路图

UL-206半导体气敏元件是一种N型半导体气敏传感器，它的电阻值随气体浓度的增加而降低。

当烟雾气体达到一定浓度时，TWH8751集成开关电路第2脚由高电平降为低电平，第4脚输出转为高电平，使继电器K开始工作，继而使得继电器K的常开触点K-1闭合，从而使LED发光二极管报警指示灯亮起，蜂鸣器发出烟雾警报，排气扇转动，排出建筑设施内的烟雾气体，防患于未然！

此报警系统电路中的RP1电位器为灵敏度调节器，改变它可选定需换气时的烟雾气体浓度。

6.精度误差分析

经查阅相关资料得，环境温度在-10-50摄氏度、环境湿度小于95％RH时，此烟雾报警器精度基本维持在0.1％左右，灵敏度R0/RX大于3，符合相关电路的要求。

7.说明书编写

7.1此烟雾报警器采用了UL-206半导体气敏元件作为气体传感器，比较适合在家庭、小型企业等环境中使用，物美价廉，结构简单。

这类传感器重要以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。

它与其他种类传感器相比，具有如下优点：

7.1.1由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单、微型化；

7.1.2灵敏度高、动态性能好，输出为电物理量；

7.1.3采用半导体为敏感材料，容易实现传感器的集成化与智能化；

7.1.4功耗低、安全可靠；

7.2但是，同时半导体传感器也存在以下一些缺点:

7.2.1线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路；

7.2.2与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而产生温度漂移，所以应采用补偿措施；

7.2.3传感器性能参数离散性大；

7.3其他事项

7.3.1简述

火灾初起的烟雾会积聚在室内天花板下，气体烟雾报警器能够实时监视探测烟雾的存在，每45s左右对环境进行周期性检测；报警器通过内部智能处理器感应离散光源、微小的烟粒和气雾来检测，一旦检测到烟雾，立刻通过一个内置的专用IC驱动电路和一个外部压电式换能器输出报警声，使人们及早得知火情，将火灾扑灭在萌芽状态。

该报警器专门为一般民用建筑设计的高科技产品，稳定性极好，性价比高，使用寿命长，安装、使用方便，耗电极微，一节9V层叠电池可使用一年以上。

7.3.2主要技术参数

7.3.2.1工作电压：

DC或者AC15V（电池供电）

7.3.2.2工作电流：

监视状态小于12μA，报警状态小于10mA。

7.3.2.3报警响度：

距离3m，响度不小于85dB。

7.3.2.4环境条件：

温度-10℃～+50℃

7.3.2.5相对湿度≤95%（40±2℃）

7.3.2.6保护面积：

报警器安装高度6米以下，保护面积为60平方米。

7.3.2.7外形尺寸：

Φ120mm×45mm

7.3.2.7重量：

153g

7.3适用场所

该报警器对烟雾敏感，对于灰尘、水雾及挥发性气体同样敏感，因此

对那些灰尘大、经常有水雾等场所不适用，譬如居民家庭的厨房、浴室不宜安装；起居室、客厅、书房、贮藏室、餐厅、车间均为适用场所.另外,风速大于5m/s的风口也不宜安装，因为这些地方烟雾很难积聚。

7.4安装

报警器底座安装孔间距为45mm～70mm均可，事先选择好位置，用二

枚Φ3×12木螺钉将底座固定好，然后将报警器逆时针方向卡入即可。

安装位置一般选择在房间中央的天花板下，对于斜梁屋顶，天花板也是斜的，那么报警器安装的倾斜角不得大于45℃，距尖顶的水平距离不得大于0.9m，

7.5使用方法

先将外壳打开，再将电池盒内的15V电池与电源线连接按方向卡入（电池的“+”接电池线的“+”，电池的“-”接电池的“-”），报警器即能工作。

为了确认报警器是否处于正常工作，按下试验按钮，报警器应发出“嘟…”火警声，红色火警灯闪亮，松开按钮，声消灯灭；当有烟雾出现时，经过智能判断，红色火警灯开始闪烁，11秒钟后换能器输出报警声，误报率极低。

一节9V层叠电池能使用一年多，当报警器发出“哔哔”或“唧唧”声，同时发光二极管同步闪烁，表明电池电量不足（低于7.3V），应立即更换电池。

但在VDD≥6V时，低电压工作也不会影响烟雾检测报警。

7.6注意事项

7.6.1.报警器内除电池外，没有可让用户自己更换的部件，出现故障，请及时厂家联系；

7.6.2.报警器应在室内装修完毕后安装，安装前报警器应保存在防尘、防潮、防霉的地方；

7.6.3.应定期对报警器进行试验，按下试验按钮，报警器应发出“嘟…”

声响，同时红色火警灯闪亮；

7.6.4.产品出厂时，电池已从电池线上取下，使用时先把电源线与电池

接口按其方向卡入即可。

8.参考文献

1）黄继昌主编：

《传感器工作原理及应用实例》.北京：

人民邮电出版社2002

2）方佩敏主编：

《新编传感器原理与电路详解》.北京：

电子工业出版社1999

3）丁镇生著：

《传感器及传感技术应用》.北京:

电子工业出版社2001

4）彭军主编：

《传感器与检测技术》.西安：

西安电子科技大学出版社2003

5）黄贤武主编：

《传感器原理与应用》.成都.电子科技大学出版社2004

6）戴镇川主编：

《传感器检测技术》.北京.清华大学出版社

7）唐文彦主编：

《传感器》.北京.机械工业出版社2006

附录1：

AA

ff

图（4）UL-206半导体气敏传感器结构设计BB

加热丝Ir-Pd

V+A

Vf

B

RL

图（5）UL-206半导体气敏传感器符号及基本工作电路

AAUL-206半导体气敏传感器

数字万用表

ff

稳压电源

BB

附录2：

测控电路如图所示

＋15V

RP1R2

R1100千欧680欧KKKK

51欧

154K－1

排气扇

报警

23指示灯

TWH8751集成开关电路

蜂鸣器

UL-206半导体气敏传感器

220伏