有害气体检测与抽排电路.docx
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有害气体检测与抽排电路
目录
摘要………………………………………………………………………………………...Ⅰ
1有害气体检测与抽排电路设计………………………………………………………..1
1.1设计要求……………………………………………………….…………………1
1.2设计总体方案…………………………………………………………………..1
1.2.1设计原理系统框图…………………………………….…………………1
1.2.2设计原理图………………………………………………………………..1
1.3设计方案分析……………………………………………………………………..2
1.3.1电源电路…………………………………………………………………..2
1.3.2气敏传感器工作原理……………………………………………………..2
1.3.3声光报警控制电路………………………………………………………..3
1.3.4排气电路工作原理………………………………………………………..3
1.3.5整体工作原理说明………………………………………………………..4
1.4所用芯片及其他器件说明………………………………………………………..5
1.4.1555定时器构成的多谐振荡器工作原理………………………………..5
1.4.2QM-N5气敏传感器………………………………………………………..5
1.4.3继电器……………………………………………………………………..6
3.1附表一：
有害气体检测与抽排电路设计所用器件……………………………14
小结与体会…………………………………………………………………………….…..16
致谢………………………………………………………………………………………...18
参考文献…………………………………………………………………………………...18
摘要
随着科学技术的日益发展，尤其在工业生产上，要求我们用智慧去解决一些繁琐，周而复始的工作，减轻人的负担，而且使工作效率，效果更好。
有害气体检测报警及抽排电路设计通过智能控制，不仅减免了很多的体力劳动，还使得工作更好更快地完成。
此设计为平时日常生活提供方便，能智能控制，能自启动和自动关闭，要求综合运用所学电子电路的知识，是集模拟电子技术和数字电子技术的综合运用，需要灵活运用所学知识，根据设计要求，来达到目的，分析原理、参数计算、元器件选用。
此设计都以555定时器为核心，驱动各个部分电路工作，灵活运用555定时器组成的多谐振荡器，以及触发器和稳压电路原理。
通过这此设计可以锻炼我们的自主创新能力和自主学习能力，也可以巩固所学的知识，这两个设计都明显基于我们平时所学知识设计的，既可以复习以前的知识又可以再次基础之上提高，发掘潜能，拓展知识，丰富自己的知识面和复习自己所学知识，是一个提高能力的跳板。
[关键字]：
气敏传感器、报警电路、智能控制、555定时器
小型智能控制系统设计
1有害气体检测与抽排电路设计
1.1设计要求
当检测到有害气体意外排放超标时，发出警笛报警声和灯光间歇闪烁的光报警提示，同时自行启动抽排系统，以保障人们的生命财产安全。
抽排完毕后，系统自动回到实时检测状态。
1.2设计总体方案
1.2.1设计原理系统框图
声光系统和排气系
统都不工作
返回自毒气浓度
动检测小于C1
有毒气体浓度
自动检测
返回自动毒气浓度大于C1
检测状态小于C2
声光系统和排气声光系统工作
系统停止工作排气系统停止
排气后，毒气毒气浓度
浓度低于C1大于C2
声光系统工作
排气系统工作
图1.2.1设计原理系统框图
注：
其中浓度C1为毒气泄漏浓度，C2为毒气超标浓度。
1.2.2设计原理图
图1.2.2设计原理图
1.3设计方案分析
1.3.1电源电路
原理说明：
电源电路由220v交流电压，变压器，整流电路，及滤波稳压电路组成，实现交流电到直流电的转变，在供电给后续电路工作。
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。
因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
图1.3.1电源电路
1.3.2气敏传感器工作原理
当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，
使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，继电器不工作，555定时器清零；如果空气中的有害气体浓度达到C1时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，555定时器正常工作，输出方波信号，使得三极管导通，进一步使得继电器工作，从而驱动声光报警电路。
若浓度进一步增大，达到C2时，则上面的电压比较器正向输入端电压也大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，使得继电器工作，从而驱
图1.3.2气敏传感器工作原理图动风扇抽排电路。
改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。
注：
此处由于在元件库中找不到QM-N5器件，故用滑动变阻器代替。
1.3.3排气电路工作原理
图1.3.3排气电路工作方框图
排气电路中，二极管和继电器为开关作用。
当气体浓度大于C2,气敏电阻阻值进一步减小，从而使电压比较器输出高电平，使二极管导通，继电器工作，电机工作，开始进行排气。
当毒气浓度低于C2时，电压比较器输出为低电平，使二极管截止，电机工作电路不能导通，停止排气。
1.3.4声光报警控制电路
当下面的电压比较器输出高电平时，使得555定时器3端口输出方波信号，高电平驱动灯泡发光，低电平使得灯泡变暗，于是灯泡处于间歇的工作状态。
其周期计算如下：
T=0.7（R7+2R6）*C6.可知，适当改变C6,R7,R6值可以改变灯泡的工作频率。
同理，同样通过555定时器发出的方波信号驱动喇叭工作，而采用两个555定时器发出不同频率的方波，使得喇叭发出警笛声。
图1.3.4声光报警控制电路
1.3.5整机工作原理说明
电源变压器将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变为脉动的直流电压。
由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤波，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动，负载和温度的变化而变化。
因而在整流，滤波电路之后，还需接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动，负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。
当空气中的有害气体浓度未达到一定值时，QM-N5气敏传感器电阻值很大，使两个电压比较器正相输入端的电压均小于反相输入端的电压，电压比较器的输出端为“低电平”，555定时器清零，灯泡与喇叭均不工作；如果空气中的有害气体浓度达到C1时，传感器的电阻值变小，使下面的电压比较器正相输入端电压大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，555定时器正常工作，输出方波信号，使得灯泡闪烁，报警电路发出警笛报警声。
若浓度进一步增大，达到C2时，则上面的电压比较器正向输入端电压也大于反向输入端电压，比较器输出“高电平”，使得二极管导通，继电器工作，从而驱动风扇抽排电路。
改变滑动变阻器的阻值，可以改变电压比较器的反相输入端的电压，使声光报警及风扇抽排电路可以在有害气体不同浓度下工作，即用气敏传感器实现对有害气体不同浓度的测量。
1.4所用芯片及其他器件说明
1.4.1555定时器构成的多谐振荡器工作原理
555定时器组成的多谐振荡器工作原理如下：
接通电源后，电容C被充电，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，同时发电BJTT导通，此时Vo为低电压，电容C
图1.4.1多谐振荡器电路通过R2和T放电，使Vc下降。
当Vc下降
到1/3Vcc时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。
输出端输出的方波信号周期T=0.7（R5+2R6）C2
1.4.2QM-N5气敏传感器
气体与人类的日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。
QM-N5型气敏元件适用于天然气、煤气、氢气、烷类气体、烯类气体、汽油、煤油、乙炔、氨气、烟雾等的检测，属于N型半导体元件。
灵敏度较高，稳定性较好，响应和恢复时间短，市场上应用广泛。
QM-N5气敏元件参数如下：
标定气体（0.1%丁烷气体，最佳工作条件）中电压≥2V，响应时间≤10S，恢复时间≤30S，最佳工作条件加热电压5V、测量回路电压10V、负载电阻RL为2K，允许工作条件加热电压4.5～5.5V、测量回路电压5～15V、负载电阻0.5～2.2K。
1.4.3继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器的工作原理和特性
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。
控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。
查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号和规格号。
若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。
最后考虑尺寸是否合适。
若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。
对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品
3附录
3.1附表一：
有害气体检测与抽排电路设计所用器件
名称
规格型号
位号
数量
7812集成稳压器
LM7812
U1、U2
2
交流电源
VSINE
V1
1
变压器
TRAN-2P2S
TR1
1
整流桥
BRIDGE
BR1
1
直流电机
MOTOR
M1
1
继电器
G2RL-1A-CF-DC12
RL1
1
电压比较器
1458
U5:
A、U5:
B
2
555定时器
NE555
U6、U7
2
灯泡
LAMP
L1
1
喇叭
SPEAKER
LS1
1
电阻
1K
R1
1
电阻
2K
R6、R7
2
电阻
10K
R2、R3、R4、R8、R9
5
滑动变阻器
1K
RV1、RV3
2
滑动变阻器
130K
RV2
1
二极管
DIODE
D1
1
三极管
NPN
Q1
1
电容
33pF
C3、C4
2
电容
220uF
C2
1
电容
0.01uF
C5
1
电容
1nF
C8
1
电容
10uF
C6
1
直流电源
+6V
V2
1
小结与体会
为期两个星期的课程设计即将结束，经过两个星期的摸索、询问、查找资料、翻阅文献，由失败、沮丧、烦躁，渐渐转而兴奋、激动、狂喜。
虽然是短短的两周时间，但可以说是五味杂陈啊。
此刻面对自己的设计成果很感动，为自己的努力感动，也为自己最后的成绩感动。
不管结果如何，至少自己尝试了，努力了。
由于是第一次做课程设计，再加上正逢考试周，所以刚听说要课程设计的时候是既担心又害怕。
在经过一上午的动员会后，听了老师细心地讲解，虽然对课程设计有了初步的了解，但脑子仍是一片迷茫，不知所措。
第一天的时候，就是盯着屏幕拼命地想啊想，虽然能想到大概分那几步，或者说脑中知道要用到哪方面的知识，但毕竟以前都是书面上的理论知识，真正要拿到实际中来，我一时不知道该怎么把学的知识串联起来。
于是前几天就是上网查，上图书馆查，看别人做的类似的设计，看别人是怎样通过不同的电路实现各种功能的，然后也差了一些常用的电工电子设计电路。
在有了一定的电路图形积累之后，我再回到这两个题目上，就感觉明朗多了。
首先是做第一个有害气体检测与抽排电路设计的时候，我先想到了用一个电压比较器来作为灯泡、喇叭及直流电机的控制信号，但是如果一到指定浓度就灯亮，喇叭响，电机启动排气的话，显得有点不够人性化，而且这个一定浓度的标准不可调，在实际应用中会带来诸多不便。
于是我想到了用两个电压比较器，以及在电压比较器负端前接一个滑动变阻器，这样就可以通过调节滑动变阻器的大小来改变指定浓度的标准值。
还有在警笛报警装置的设计上，我最初只用了一个555定时器，由于只产生一个脉冲，所以发不出警笛声，在图书馆查阅了相关资料后，我改用两个555定时器产生不同频率的脉冲，于是产生了警笛声。
而在做第二个机器人行走电路的设计时，我一开始用的是74192的加计数功能，因为这样能更清楚地看出前进后退了多长时间，但是在实际设计过程中发现，若使用加计数，则不易归零，因为每次要求机器人前进的时间不同，所以每次需要归零的条件不同，于是我改为了减计数。
还有，我还通过询问其他同学，增加了在任意时刻使机器人换向的功能。
通过这两个星期的设计，使我对数电和模电的理论知识有了更深的理解，而且还学习了一些课外的知识，以前上课时自己实际掌握的很少，理解的不深刻，许多章节因为不是考试范围而没有看，例如555定时器的使用，运放及继电器的使用。
同时也接触了更多实际中经常用到的，而课本上没有讲到的元件，比如气敏传感器、稳压器等都是以前没有接触过的，通过自己查资料来了解它，增强了自主学习的能力。
其次，我对proteus的画图和仿真功能有了更深的认识，熟悉了各常用元件在元件库中的位置，掌握了一些实用的操作方法。
总之，这次的课程设计为我以后做课程设计积累了经验，并锻炼了我的自主学习和独立思考，融汇各学科知识的能力，也让我体会到了将来走上工作岗位工作的不容易，所以我一定要更加努力地学习理论知识，以及增强我的动手能力，为将来打下基础。
致谢
两周的课程设计结束了，在此，我要衷心感谢龚老师对我的指导和教诲，还有我的同学们对我的热心帮助。
没有你们的帮助，我不会这么快得理解和设计出电路，所以在此表示衷心的感谢。
参考文献
[1].新编实用电子电工手册编写组编.新编实用电子电工手册.北京：
科学普及出版社，1991
[2].吴钟珍.最新实用电子电工技术资料手册.香港：
徐氏基金会出版社，不详
[3].肖元恺.简明电子电工基础.长春：
吉林人民出版社，1981
[4].庄效桓,谢冠虹.电子电工学．第2册，电机技术.北京：
北京工业学出版社，1988
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