天然气跟烟雾泄漏报警装置.docx

1、天然气跟烟雾泄漏报警装置华北水利水电大学传感器原理 课程设计说明书 课 题 天然气泄露报警装置 学 院 机械学院 专 业 测控技术与仪器 姓 名 * * 学 号 2012094sd 同组人员 sddsaddsadsadeqew 指导老师 李恒灿 师树恒 2015年7月8日星期三 目录第1章 课程设计的目的和要求. 11.1课程设计的目的 11.2课程设计题目 11.3课程设计任务 11.4课程设计要求 1第2章 总体设计 . 2-32.1 方案1 . 22.2 方案2 . 22.3 方案3 . 32.4 方案比较 . 32.5 方案选择 . 3第3章 气敏传感器的选择 . . 4-73.1 M

2、Q-2 . 4-63.2 QM-N5 . 63.3 MC101 . 73.4 气敏传感器的选择 . 7第4章 单元电路设计 8-104.1 电源电路 84.2 气敏探测电路 . 84.3 555集成电路 8-94.4 555定时器无稳态音频振荡器原理 9-10第5章 设计总结 11参考文献 . 11附录1 设计电路原理图 . 12附录2 实物图 . 13第1章 课程设计的目的和要求1.1课程设计的目的传感器原理课程设计是传感器原理课程的一个重要的实践性教学环节，其目的在于：进一步巩固和加深学生所学的理论知识；培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对传感器的工作原理、设计理

3、论和应用有较完整、系统的概念；使学生掌握传感器的选用原则、总体电路设计及元器件的选择的方法；进一步提高学生的绘图、计算和使用技术资料的能力。是以培养学生综合运用所学知识的过程，是知识转化为能力和能力转化为工程素质的重要阶段。1.2课题设计题目 天然气泄漏报警装置，工作要求：利用气敏传感器设计一个天然气泄漏报警器，要求有 检测，报警输出。1.3课程设计任务（1）利用敏传感器测量某环境天然气浓度；（2）当浓度超过设定值时蜂鸣器报警，发光二极管发光；（3）能够根据需要设定上下限报警浓度；（4）利用Protel绘制电路图；（5）焊接电路板。（6）撰写说明书。1.4课程设计要求根据给定的设计任务，综合运

4、用所学知识，合理选择传感器类型，拟定总体电路设计方案，并对电路中的元器件进行选择和相关计算，绘制电路图，并焊接相应电路板。在课程设计过程中，学生应有效地结合本课程的基本理论和方法，广泛查阅传感器手册和相应技术资料，合理设计相应电路，完成任务要求。学生应在教师指导下独立完成设计任务。第2章 总体设计2.1 方案1该方案主要由电源电路、气敏探测电路、KD9001报警电路三部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供5V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号；报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。当气敏传感器接触到有害气体时，电阻减小，TL431的

5、R端的电位逐渐升高，当电位达到2.5V时，TL431内部导通，KD9001报警电路发出报警声。其原理框图如图2.1所示。 图2.1 方案一原理框图2.2 方案2该方案主要由电源电路、气敏探测电路、KD9561报警电路三部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供5V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号；报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。在纯洁空气中，气敏传感器的内阻很大，此时VT不导通，因此，KD9561无工作电流而不报警。当传感器接触到有害气体后，电阻减小，电位升高并向C2充电，当充电电位达到VT导通电位时，VT导通，驱动报警器KD9

6、561报警。图2.2 方案二原理框图2.3方案3该方案主要由电源电路、气敏探测电路、555时基电路的气体报警电路三部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供5V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号；报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警。当无气体时，气敏传感器电阻很大，由于电位器Rp滑动触点的输出电压小于0.7V，555集成电路的4脚被强行复位，振荡器处于不工作状态，报警器不发声响。当周围空气有气体时，气敏传感器的电阻减小，555集成电路4脚变为高电平，振荡器电路起振，蜂鸣器发出报警声。图2.3 方案三原理框图2.4方案比较上面三个方案都是

7、设计的天然气泄漏报警装置，本质上都相同，只是实现报警的方法上有些差别。方案一采用了报警电路KD9001报警电路。方案二采用了KD9561报警电路。方案三555振荡报警电路。三种方案的主要区别在于：方案一是由TL431精密电压比较器来使KD9001实现报警功能。方案二相对于方案一使用了U850的晶体管来实现报警功能。方案三相对于方案一来说主要区别在于使用了555定时器的多谐振荡来实现报警功能。2.5方案选择经过对三个方案从各方面的比较，我选择了第三种方案。原因是方案三相对其它两个方案更具实用价值。虽然三种电路都相对来说一样简单，但方案三的器件在市场上比较容易购买，而且性价比高。第3章 气敏传感器

8、的选择3.1 MQ-21.MQ-2 烟雾传感器的应用与优点1)可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。注意:更确切的说MQ-2 是一款可燃气体探测器。2)广泛的探测范围,高灵敏度/快速响应恢复,优异的稳定性/寿命长,简单的驱动电路。2.MQ-2 原理、特性与结构MQ-2 工作原理 MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N 型半导体。当处于200300C 温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，引起表

9、而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息,烟雾浓度越大,电导率越大输出电阻越低。MQ-2 的特性1) MQ-2 型传感器对天然气等有很高的灵敏度,尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性,可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息,。2) MQ-2 型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定,响应时间短,长时间工作性能好注意:【使用前必须先加热一段时间,否则其输出的电阻和电压不准确】。3) 其检测可燃气体与烟雾的范围是100-10000ppm4) 电路设计电压范围宽,24V 以下均可;加热电压50.2V 。3MQ-2 的计算公式MQ-2 的计算公式 阻值R 与空气中被测气体的

10、浓度C 的计算关系式(SNO2)敏感元件的阻值R 与空气中被测气体的浓度C 成对数关系变化可参考公式3-1: logR=mlogC+n(m、n 均为常数)(3-1) n 与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和气体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。另一方面,m 表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度(也称之为气体分离率)。对于可燃性气体来说,m 值多数介于1/2 至1/3 之间。传感器的电阻的计算参考MQ-2datasheet 可用下式3-2 计算: Rs=(Vc/V RL -1)R L (3-2)式中Vc 为回路电压,V RL 是传感器4 脚、6 脚输出的电压

11、即U shuchu ,R L 是负载电阻。更具上式即可即可算出传感器电阻Rs。MQ-2 传感器的输出电压MQ-2 传感器的输出电压计算: 根据MQ-2 的工作原理(其电导率随着气体浓度的增大而增大,其电阻是电导率的倒数,所以其电阻是减小的,其特性相当于一个滑动变阻器)并且参考图MQ-2 Datasheet 上的测试电路,在根据哥设计的实际电路如图3。可以得到下面的公式3-3: U shuchu =(R11/R11+Rs)*V c (3-3)Vc 为回路电压即电源电压,其加在MQ-2 传感器的1 脚、3 脚之间。U shuchu是传感器4 脚、6 脚输出的电压,Rs 为传感器的体电阻。其中若气体

12、浓度上升,必导致Rs 下降。而Rs 的下降则会导致,MQ-2 的4 脚、6 脚对地输出的电压增大。所以气体浓度增大,其输出的电压也会增大。4电阻式气敏器件MQ2参数A. 标准工作条件符号参数名称技术条件备注 Vc回路电压15VAC or DC VH加热电压5.0V0.2 VAC or DC RL负载电阻可调 RH加热电阻313室温 PH加热功耗900mW B. 环境条件符号参数名称技术条件备注 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C. 灵敏度特性符号参数名称 技术参数备注Rs敏感体表

13、面电阻 3K-30K (1000ppm 异丁烷 )探测浓度范围100ppm-10000ppm液化气和丙烷300ppm-5000ppm 丁烷5000ppm-20000ppm 甲烷300ppm-5000ppm 氢气100ppm-2000ppm 酒精 (3000/1000) 异丁烷浓度斜率 0.6标准工作条件 温度： 202 Vc:5.0V0.1V 相对湿度： 65%5% Vh: 5.0V0.1V预热时间 不超过1小时MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构 A or B), 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

14、供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。3.2 QM-N51.QM-N5特点QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。特点：1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）2、 灵敏度高3、 响应速度快4、 输出信号大5、 寿命长，工作稳定可靠2.QM-N5参数 加热电压（Vh） AC或DC 50.2V响应时间(trec)10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间(trec)30S 负载电阴（Rl）2K元件功耗0.7W清洁空气中电阻 （Ra）

15、 2000 K检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年3.3. MC1011.主要特点及应用桥路输出电压呈线性响应速度快具有良好的重复性，选择性元件工作稳定、可靠优异的抗H2S、有机硅中毒能力工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。可燃性气体泄漏报警器；可燃性气体探测器；气体浓度计。主要技术参数:产品型号MC101产品类型载体催化元件标准封装塑料封装工作电压(V)3.00.1工作电流(mA)11010灵敏度(mV)1%甲烷25501%丁烷30501%氢气2545线形度（%）5测量范

16、围（LEL）0100响应时间 (90%)小于10秒恢复时间 (90%)小于30秒使用环境-40+70低于95%RH储存环境-20+70低于95%RH外形尺寸（mm）12mm8mm3.4气敏传感器的选择MQ-2适用于甲烷，乙烷等天然气及气态烟雾的检测，而QM-N5较适用于液态的甲烷，煤制气的检测。相对来说MQ-2可检测的气体较多，而且检测范围比QM-N5合适，在市场上MQ-2价格低，便于购买，性价比高，MQ-2的公式计算也较方便查到，QM-N5的检测范围也没有MQ-2广，而MC101适用于甲烷、液化气、丙烷等可燃性气体，电压较低，测量范围也不如MQ-2，所以选择MQ-2来作为本次课程设计的气敏传

17、感器。第4章 单元电路设计4.1电源电路 采用USB供电，简化供电过程，而且使用安全，便于实现供电，符合所选气敏传感器的供电需求。4.2气敏探测电路气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP，电路结构图如图4-1所示。气敏元件预热数分钟后，在清洁的空气中，测量极A-A与B-B之间的电阻为一个稳定值，适当调节电位器RP，可使B-B端的电压接近为零（即RP为调零电位器），当气敏元件遇到煤气后，A-A与B-B之间的电阻相继下降，B-B端的电位则上升。利用B-B端的电位去控制555定时器的复位脚。 图4-1 4.3 555集成电路 报警电路由555时基电路NE555、发光二极管、蜂鸣器及阻容元件等组

18、成，蜂鸣器等组成音频振荡器，其电路结构图如4-2所示。 图4-24.4 555定时器无稳态音频振荡器原理 555 集成电路开始出现时是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但是后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可以用于调光、调温、调压、调速等多种控制以及计量检测等作用；还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，作为交流信号源以及完成电源变换、频率变换、脉冲调制等用途。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，因此目前被广泛用于各种小家电中。555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。它的

19、性能和参数要在非线性模拟集成电路手册中才能查到。 555 集成电路是 8 脚封装，其中 6 脚称阀值端（ TH ），是上比较器的输入。 2 脚称触发端（ ），是下比较器的输入。 3 脚是输出端（ V O ），它有 0 和 1 两种状态，它的状态是由输入端所加的电平决定的。 7 脚的放电端（ DIS ），它是内部放电管的输出，它也有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定的。 4 脚是复位端（ ），加上低电砰（ 0.3 伏）时可使输出成低电平。 5 脚称控制电压端（ V C ），可以用它改变上下触发电平值。 8 脚是电源， 1 脚为地端。 输入电压小于0.7V，4脚被强行复位，3脚没有信号输出

20、，当输入电压大于0.7V时，555定时器启动，输出方波，构成振荡器。 在这次课程设计中利用555时基电路构成无稳态音频振荡器，如图示4-3 图4-3第5章 设计总结这次做的是传感器课程设计，虽然以前已经做过传感器的一些实验，有了一定的经验，但是还是遇到了重重困难，我运用所学的课本知识，以及查阅相关的文献，对设计过程中、所遇到的问题都一一的攻破，经这次设计证明，将所学的知识和传感器设计方法相结合，大大的调动了我们学习的积极性，并有利于我们系统的科学地培养我们的实际动手能力，工程设计能力及创新设计能力，活耀了我们的思维，既符合由简到繁，循序渐进的教学规律，又能激发我们对传感器设计的兴趣。通过课程设

21、计，我们对所学的知识有了更深刻地了解，实现了从理论到实践再到理论的几个飞跃，也更加了解到科学知识应该以服务社会为目的，只有掌握了足够的知识才能更好的为社会贡献我们的力量。我们学会了利用所学知识以技术上的知识解决问题的能力。本次设计得道了老师和同学们的大力帮助，但由于本人知识水平有限，总有许多的不足之处，希望各位老师能够提出宝贵的建议和批评，以助于我以后能够完成更好的设计。同时我觉得课程设计的作用非常明显，不紧让我们了解到今后从事的道路，而且还让我们懂得了怎么去从一个题目做成一个成品。使我们今后的道路更为迈得踏实。 参考文献1.唐文彦.传感器.第四版.北京:机械工业出版社, 2008.2.袁希光.传感器技术手册.北京:国防工业出版社,1986.3.王煜东.传感器应用电路400例.北京:中国电力出版社，2009.4.梁福平.传感器原理及检测技术.武汉:华中科技大学出版社,2010.附录1设计电路原理图附录2 实物图