瓦斯监控电路的EDA联合分析仿真和制作.docx
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瓦斯监控电路的EDA联合分析仿真和制作
瓦斯监控电路的Multisim和Protel联合仿真分析设计
和制作
摘要
本文以瓦斯监控电路的设计和制作为实例，应用Multisim和Protel辅助设计软件，完成了关键参数的定量分析标定，关键模块的仿真验证以及最后的PCB制作。
具体展示了Multisim在电路分析和仿真方面的优越性能和与Protel之间的数据接口功能及需要注意的事项。
关键词：
瓦斯监控，Multisim，分析仿真，Protel，PCB
一．设计要求：
●实现空气中有无天然气，煤气，液化气等瓦斯气体的检测报警。
●实现以上危险气体气体浓度达到或高于对人体产生危害的限度时，系统自动进行声光报警。
●实现空气中危险气体浓度达到和高于对人体产生危害的限度时，系统自动切断危险气体源。
●根据以上要求选定设计方案，画出系统框图。
●利用Multisim的辅助分析和仿真功能完成系统关键参数的标定并完成原理图。
●利用Multisim生成的的网络表文件，由Protel99SE软件绘制系统PCB并生成BOM表。
二．系统组成：
系统框图如图1.0所示，它由危险气体监视电路，危险气体检测电路，声光报警电路，气体源自动切断电路和电源电路5部分组成。
气体源自动切断
声光报警
危险气体检测
危险气体监视
电源电路
图1.0
“危险气体监视电路”利用气敏半导体传感器监视空气中危险气体的浓度，并将气体浓度转换为电信号。
“危险气体检测电路”利用比较电路判断气体浓度以及其是否达到和超过对人体有害的限度并为后续电路提供相应触发信号。
“声光报警电路”由危险气体检测电路提供的信号触发后，对空气中含有危险气体和危险气体浓度达到和超过对人体有害限度两种情况分别给予声光报警。
“气体源自动切断电路”在危险气体检测电路提供的危险气体浓度超过对人体有害限度信号的作用下驱动执行元件---直流电磁阀关断有害气体源。
“电源电路”利用单相桥式整流电路以及稳压模块，将220V交流电变换12V直流电给以上电路供电。
三．单元电路设计
1．危险气体监视和检测电路：
图2
图2中虚线左侧为危险气体监视电路，气敏半导体QM_N10为核心器件。
在清洁空气中QM_N10的阻抗有几十千欧姆，但当接触到天然气，煤气和液化气等危险气体时，阻抗急剧减小。
空气中危险气体含量在0.5%以下时，QM_N10的阻值下降幅度和危险气体浓度成正比。
QM_N10由LM7805CT提供电源进行加热，其可变电阻从3和4端输出与阻容网络串联接至DC12V，将空气中有害气体浓度转换为电压信号V1的变化输出到检测电路。
由于QM_N10在开机时需要十分钟左右的预热时间，预热期间的不稳定因素，可能导致电路中1点的电压V1波动而产生误报警，故需要一个延时开机电路，保证开机后十分钟时间内V1大于设定的比较电路触发电压，列如9V，电路由电容C1和R3组成，取如图所示的参数。
开机过程相当于一个微分环节的阶跃过程--------1点电压为从12V到0V的指数规律递减。
电路的时间常数为Td=C1*R3=（470e-6）*（2e+6）=940sec。
用EWB对该开机电路进行暂态分析，结果如上图。
在600sec时，1点电压为9.17V,当t=Td=9400sec时，1点电压为8.2V。
.基本满足开机延时要求。
危险气体检测电路如图1虚线右侧所示。
为由集成运放LM324和可变电阻及电阻组成的比较电路。
反映危险气体浓度的电压V1，输入两个比较器的反相输入端，与由R1,R4和R5分压后的同相端电压进行比较。
空气清洁时QM_N10电阻很大，V1>V2>V6,两个比较器输出低电平，系统无报警；当有害气体发生泄露但浓度还不大的时候QM_N10阻值变小，相应的V2>V1>V6,U1A输出高电平，触发危险气体泄露报警，U1B仍输出低电平；当有害气体浓度达到对人体危害的程度时，QM_N10阻值很小，有V2>V6>V1两个比较器都输出高电平，危险气体达到危害程度的报警被触发。
为确定满足系统要求的可调电阻R4的阻值范围，对1点电压（V1）随QM_N10阻值变化时的变化范围进行分析。
采用EWB的参数扫描分析功能来完成。
设定QM_N10阻值扫描范围为：
500ohm-50000ohm,扫描点数：
25，并设定扫描时的分析方法为DC分析。
结果如表1：
VariableresistorofQM_N10
V1（V）
1
$3,rr3resistance=100
1.09091
2
$3,rr3resistance=2179.17
8.22541
3
$3,rr3resistance=4258.33
9.71789
4
$3,rr3resistance=6337.5
10.36454
5
$3,rr3resistance=8416.67
10.72564
6
$3,rr3resistance=10495.8
10.95612
7
$3,rr3resistance=12575
11.116
8
$3,rr3resistance=14654.2
11.23341
9
$3,rr3resistance=16733.3
11.32328
10
$3,rr3resistance=18812.5
11.3943
11
$3,rr3resistance=20891.7
11.45182
12
$3,rr3resistance=22970.8
11.49937
13
$3,rr3resistance=25050
11.53932
14
$3,rr3resistance=27129.2
11.57337
15
$3,rr3resistance=29208.3
11.60273
16
$3,rr3resistance=31287.5
11.62832
17
$3,rr3resistance=33366.7
11.6508
18
$3,rr3resistance=35445.8
11.67072
19
$3,rr3resistance=37525
11.68849
20
$3,rr3resistance=39604.2
11.70444
21
$3,rr3resistance=41683.3
11.71884
22
$3,rr3resistance=43762.5
11.73189
23
$3,rr3resistance=45841.7
11.74379
24
$3,rr3resistance=47920.8
11.75468
25
$3,rr3resistance=50000
11.76468
表1
由表1可见，在QM_N10阻值100ohm-50000ohm时，V1相应的有1.09V11.76V的变化。
简单估算选定可变电阻器为总阻100K类型的，并由EWB仿真验证。
验证方式为对可变电阻R4的0100K的参数扫描，点数为25，扫描分析选为DC。
结果如表2：
VariableresistorR4（ohm）
V2（V）
1
$5,r1:
xr4resistance=0
3.46609
2
$5,r1:
xr4resistance=4166.67
7.0345
3
$5,r1:
xr4resistance=8333.33
7.76472
4
$5,r1:
xr4resistance=12500
8.3077
5
$5,r1:
xr4resistance=16666.7
8.72728
6
$5,r1:
xr4resistance=20833.3
9.06123
7
$5,r1:
xr4resistance=25000
9.33334
8
$5,r1:
xr4resistance=29166.7
9.55933
9
$5,r1:
xr4resistance=33333.3
9.75
10
$5,r1:
xr4resistance=37500
9.91305
11
$5,r1:
xr4resistance=41666.7
10.05406
12
$5,r1:
xr4resistance=45833.3
10.17722
13
$5,r1:
xr4resistance=50000
10.28572
14
$5,r1:
xr4resistance=54166.7
10.38203
15
$5,r1:
xr4resistance=58333.3
10.46809
16
$5,r1:
xr4resistance=62500
10.54546
17
$5,r1:
xr4resistance=66666.7
10.61539
18
$5,r1:
xr4resistance=70833.3
10.6789
19
$5,r1:
xr4resistance=75000
10.73684
20
$5,r1:
xr4resistance=79166.7
10.78992
21
$5,r1:
xr4resistance=83333.3
10.83871
22
$5,r1:
xr4resistance=87500
10.88372
23
$5,r1:
xr4resistance=91666.7
10.92537
24
$5,r1:
xr4resistance=95833.3
10.96403
25
$5,r1:
xr4resistance=100000
11
VariableresistorR4（ohm）
V6（V）
1
$6,r1:
xr4resistance=0
3.46609
2
$6,r1:
xr4resistance=4166.67
4.96555
3
$6,r1:
xr4resistance=8333.33
4.23532
4
$6,r1:
xr4resistance=12500
3.69233
5
$6,r1:
xr4resistance=16666.7
3.27275
6
$6,r1:
xr4resistance=20833.3
2.9388
7
$6,r1:
xr4resistance=25000
2.66669
8
$6,r1:
xr4resistance=29166.7
2.4407
9
$6,r1:
xr4resistance=33333.3
2.25002
10
$6,r1:
xr4resistance=37500
2.08697
11
$6,r1:
xr4resistance=41666.7
1.94596
12
$6,r1:
xr4resistance=45833.3
1.8228
13
$6,r1:
xr4resistance=50000
1.7143
14
$6,r1:
xr4resistance=54166.7
1.61799
15
$6,r1:
xr4resistance=58333.3
1.53193
16
$6,r1:
xr4res
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