气体报警器的设计及制作 (5)

内江师范学院
课程设计报告
设计课题: 可燃气体报警器的设计
姓名: 吴秋宏罗琴柴良豪
学院: 工程技术学院
专业: 通信工程
班级: 2010级4班
学号: 20100343042 20100343049 20100343044 日期 2012年 3月30日—2012年6月30日
指导教师: 陈春兰
题目：可燃气体报警器的设计
一、设计题目及要求（根据题目填写）
1、设计题目
应用运放和分立元件设计一个可燃气体报警电路。

设计要求:
（1）基本要求
①用气敏元件（针对酒精）作传感器，用电路实现当酒精浓度达到一定值时，触发报
警电路发出报警信号，
②按要求做出样品电路，进行调试，写出课程设计报告书。

（2）提高要求
为保证电路可靠，12V电源延时供电。

指导教师签名：
2012年月日
二、指导教师评语
指导教师签名：
2012 年月日
三、成绩
验收盖章
2012年月日
摘要
本论文主要阐述一个基于气敏传感器的酒精浓度感应与自动报警器。

在气敏传感器感应到酒精浓度超标时，将电信号转变成音频信号输出。

并发出鸣响警示，从而确保安全。

关键词：酒精浓度；酒精传感器；声音报警器
目录
第1章设计目的及要求 (1)
1.1设计目的 (1)
1.2设计要求 (1)
1.3方案选择 (1)
2.2酒精气敏传感器电路设计 (3)
第1章设计目的及要求
1.1设计目的
今年来，随着我国经济的高速发展，人民生活水平迅速提高，越来越多的人有了自己的私家车，而酒后驾车造成的交通事故也频频发生。

酒后驾车引起的交通事故是由于司机的过量饮酒造成体内酒精浓度过高，麻痹神经，造成大脑反应迟缓，肢体不受控制等症状。

而人体酒精浓度低时就不会有那些症状，也就不会有危险。

因此，需要设计一个智能仪器能够监测驾驶员体内酒精含量。

目前全世界绝大多数国家都采用呼气酒精测试仪器对驾驶员进行现场检测，以确定被测者体内酒精含量的多少，以确保驾驶员和他人的生命财产安全。

此外，酒精测试仪也可以应用于食品加工，酿酒等需要监控空气中酒精浓度的场合。

由此可见，酒精测试仪具有巨大的潜在用户群，市场前景十分广阔。

1.2 设计要求
采用整流电路与稳压电路和振荡器的设计思路，运用传感器的基本知识，在对模拟电路基础理论和数字电路基础理论的理解上，设计一种酒精气体报警器。

（1）基本要求
①用气敏元件（针对酒精）作传感器，用电路实现当酒精浓度达到一定值时，触发报
警电路发出报警信号；
②按要求做出样品电路，进行调试，写出课程设计报告书。

（2）提高要求
为保证电路可靠，12V电源延时供电。

1.3 方案选择
1.3.1 设计思路
本题目要求设计一个酒精检测报警器。

当MQ-3酒精传感器检测到酒精
浓度超标后，电阻值急剧减小，输出端就会输出一定的高电平，通过单片
机的一系列控制，使报警器报警。

在整个设计中主要采用直流稳压电源给
酒精检测传感器提供连续且稳定的脉冲，酒精传感器发出模拟信号来控制
报警器报警。

大概设计流程如图1所示。

电源 气敏传感器
信号采集和处理
报警电路
图1 设计流程图
1.3.2方案选择
（1）二级远程报警电路设计
二级远程报警电路框图如图2所示。

这种设计采用二级设计[1] ，第一级为气敏开关电路，其作用是探测酒精气体的存在，报警并向远端接受装置发射报警信号。

第二级为接收报警电路，其作用是接收第一级信号并在远端发出报警。

酒精气体
气敏传感器
开关元件
喇叭
电流变化
无线电发射器
无线电接收器
远程报警
电压变化
第一级
第二级
（2）普通报警电路设计
这种电路设计定位于一定区域内的酒精气体报警，它由电源电路、稳压电路、气敏传感电路和触发报警电路组成。

电源 气敏传感器报警电路
图3 普通报警电路设计框图
通过选择比较，由于方案二级远程报警电路设计适合用于大范围的人流较多的公共场合。

这种设计思路的优点是监控范围广，可进行远程报警，对于监测人员来说比较方便，但从实施上来看线路繁多，设计复杂，成本较高。

而普通报警电路设计适合于一定区域内的酒精气体报警，如用于检测驾车者是否饮酒。

这种设计的优点是简单易行，设计简单，易于实现，而且成本低廉。

从设计要求来看，两种方案都达到了设计要求,但对于检测酒精气体来说,一般用于较小范围内的准确检测,故选择普通的酒精气体报警电路.
图2 二级远程报警电路设计框图
第2章电路设计
2.1电路原理图及电路工作原理
图4 可燃气体电路原理图
当通5V直流电后，酒精气敏传感器的1-3端的加热灯丝开始加热，气敏传感器的温度开始上升，一段时间之后气敏传感器达到正常工作的状态。

555定时器组成的多谐振荡报警电路,电源经电阻R和R对电容C进行充电，其电压u由0按指数规律上升。

当u≥V时,电压比较器G和G的输出分别为u=0,u=1，基本RS触发器被置0,=0,=1输出u跃到低电平U 。

与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R 和R 放电管V放电，电路进入暂稳态。

随着电容C的放电,u随之下降。

当u下降到u <V 时，则电压比较器G和G 的输出为u=1、u=0，基本RS触发器被置1,=1,=0,输出u 由低电平U 跃到高电平U 。

同时，因=0，放电管V 截止，电源又经电阻R 和R 对电容C进行充电，电路又回到前一个暂稳态。

这样，电容C上的电压在 V和 V之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。

适当调节电位器R1接入电路的阻值，使得当没有酒精气体时输入555定时器的4脚电压为低电平，当有酒精气体时，输入555定时器的4脚为高电平。

当有酒精气体时，1-3间阻值降低，使4脚电位上升，555起振，扬声器发出警告，达到实验目的。

2.2酒精气敏传感器电路设计
此单元电路的任务是探测酒精气体的存在，当有酒精气体时，1-3（A、B）间的阻值降低，调节后级电路电位上升。

本电路的主体元件是酒精气敏传感器。

其中，酒精气敏传感器的结构如下：
在电路图中，我们是把两个A 端和两个B 端合并为A 端和B 端。

酒精气敏传感器MQ-3的主要参数： 气体 酒精（乙醇） 探测范围 10～1000ppm 酒精 特征气体 125ppm 酒精
灵敏度 R in air/Rin typical gas ≥5 敏感体电阻 1～20K Ω in air 空气中 响应时间 ≤10s （70% Response ） 恢复时间
≤30s （70% Response ）
A
A B B
H H
图5 酒精气敏传感器内部结构
加热电阻31Ω±3Ω
加热电流≤180mA
加热电压 5.0V±0.2V
2.3报警电路设计
2.3.1 555介绍
2.3.2 报警电路
图6 报警电路设计图
此单元电路的主要任务是当有酒精气体时起到报警作用。

当有酒精气体时，4脚电位上升为高电平，使555起振，通过扬声器起到报警作用。

其核心元件是555组成的多谐振荡报警电路。

多谐振荡器[5]是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。

555多谐振荡电路结构图
由555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端D放电，使电路产生振荡。

电容C在2/3V和1/3V之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如下图：
由555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器的波形图
参数计算：
为使报警器在没有酒精气体时能继续报警一段时间，通过公式T= t +t ≈0.7（R +2R ）C可取电路中R2=1KΩ,R3=1KΩ,C=0.47μF.多谐振荡器的振荡周期为
T=t1 + t2 （1）t 为电容C上的电压由 V 上升到V所需要的时间，充电回路的时间常数为（R +R ）C.t 可用下式估算
t1=（R+R）Cln2≈0.7（R +R）C=0.658s （2）
t 为电容C上的电压由 V 下降到 V 所需要的时间，放电回路的时间常数为
R C. t 可用下式估算
t2=RCln2≈0.7RC=0.329s （3）
所以，多谐振荡器的振荡周期为
T= t +t ≈0.7（R +2R ）C=0.978s （4）
f=1.022Hz
所以，无酒精气体后维持报警的时间为0.978s.
2.4 制作与调试:
2.4.1 制作部分
首先,最开始的时候指导老师向我们讲述了一些焊接电路所必需的电烙铁的注意事项和详细的操作方法,如:用电烙铁时应该使焊接部分的连接点成圆锥状,且焊接的这段时间保持在1秒左右为好.由于我们之前没有焊接各元器件到电路板上的经验,对详细的操作不清楚,于是我们通过了练习焊接一些练习用的小元件来提升我们对电烙铁使用的熟练程度.通过一定时间的练习,我们初步掌握了焊接的技巧,于是我们着手开始制作我们自己的电路.首先,我们将各个元件按照电路图排在了电路板上,为了焊接方便,我们将所有元件的接地端都朝向同一面.在检查排列无误后,我们开始了焊接,由于之前的练习,在焊接我们的电路板时显得比较轻松,只有一个地方比较麻烦,就是在焊接555定时器的最后一个脚时不管怎样都会碰到其他线路,经过思考我们通过带绝缘层的导线代替了裸露的导线.至此,我们的报警电路制作完成.
2.4.2 调试部分
我们开始调试我们已经制作好了的报警器.我们将电源端接在了实验室里稳定的5V电源上,开始了我们的调试工作,一开始我们的气敏传感器一直发热,我们再将事先准备好了的酒精的瓶盖打开,然后放在气敏传感器旁边,但是蜂鸣器始终不响,后来我们用万用表检查了电路的各个部分,发现蜂鸣器已经坏了,拿去让老师换,结果被批评了,说我们在焊接蜂鸣器的时候就喊错了位置,可能把他的一根导线弄断了.在换上新的蜂鸣器后发现它还是不响,用万用表一测,发现555定时器的3端输出端电压很小.于是我们开始找原因,通过我们长达一周的时间检测与调试,终于发现其中原因有两个,第一就是原来酒精气敏传感器在正常工作后它的压降原来很小,导致介入555定时器4端的电压过小,不能将之触发,当然蜂鸣器就不会响了,于是我们将原来接在气敏传感器输出端的2K的电位器换成阻值范围较大的电位器后,通过不断的调试,最后蜂鸣器终于响了.其工作特点是:通电后蜂鸣器不响,过3分钟左右,让气敏传感器达到工作需要的温度后在将打开的酒精瓶口靠近传感器,蜂鸣器响了,然后拿开后蜂鸣器停止蜂鸣,实验成功.
第4章总结
该酒精气体报警电路设计达到了设计要求，线路简洁易懂，清晰流畅，易于实现。

方案的优点是用最简单的设计达到了设计指标，制作容易而且不需要很多的资金。

缺点是报警电路的误报率也许会不尽理想。

环境变化和气敏元件自身原因会对酒精气体参数产生一定影响。

可用于检测酒精气体浓度,可用于检测酒后驾车者,避免发生交通事故并对他人生命财产造成威胁.
经过这几周的课程设计,为了能作出电路图,我学会了基本的protel操作,还复习了数字电子技术中的相关知识，加深了我对这一门学科的兴趣,后来通过实际的焊接与调试,我学到了更多的东西,了解到调试是一个很辛苦的工作,知道了蜂鸣器应该接在哪两个端口,最开始因为焊接蜂鸣器的时候焊错了位置,到后来调适的时候才发现原来蜂鸣器已经被我们弄坏了,然后找老师换,还被批评了,但是通过这次的小插曲,我学会了不少东西,我很高兴.由于酒精气敏传感器灵敏度和其内在电阻变化程度的原因,我上网查阅了大量关于该气敏传感器的资料,再加上我们小组成员和指导老师不懈的努力,我们找到了该酒精气敏传感器外加电位器最佳的介入电阻阻值,发现原来的电位器组织太小,再换上合适的电位器后,经过实验测试,当我们把报警器的电源接好等候3分钟后,把装有酒精气体的瓶子打开靠近气敏传感器时,蜂鸣器响了,当移开酒精瓶子后一会,蜂鸣器没声音了,说明我们的努力得到了回报。

课程设计对增强我们的学习能力，拓宽我们的知识面起到了很重要的作用。

改进建议：
1.可以通过无线方式向远端多个地方发送报警信息,方便工作人员进行即时抢险工作。

2.可设置多个报警音响电路和灯光显示,这样更容易让人注意到,更可靠。

附件元器件清单
表1 元器件清单
序号元器件类型元器件规格及数量备注
1 电容 0.01μF(1个) 0.47μF(1个)
2 极性电容 220μF（1个)
3 电阻 50KΩ(1个) 1KΩ(2个)50KΩ的为可变电阻
4 酒精气敏传感器 QM-j3(1个)
5 集成电路IC555(1个)。