毕业设计毕业论文甲烷气体报警器设计

本科生毕业论文
甲烷气体报警器设计
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摘要
本文通过对社会上屡屡发生的危险气体爆炸性事件进行分析，觉得报警器的设计和广泛使用是很有意义的。

在气敏传感器的基础上设计一种小型危险气体报警器，广泛适用于家庭, 以便于减少家庭事故的发生。

这种危险气体监测报警系统通过集成运算放大电路实现其控制功能，主要包括传感器数据采集、控制、报警、电源供给等四个模块。

整个系统能对危险气体浓度进行实时监测采集，超过界限则进行声响报警。

可燃气体泄漏报警器适用于各种可燃气体（液化气、天然气、城市煤气）泄漏探测报警。

但是本文主要是针对家用天然气进行设计的一款简易而又实用的报警装置。

关键词：传感器；放大电路；报警器
ABSTRACT
Through analysis the explosion caused by dangerous gas, we found that it is very meaningful to design an alarm and widely used it. This kind of alarm monitoring system for danger gas is designed on the base of gas sensor,which can be widely used in families to reduce home accidents. This dangerous gas monitoring alarm system exerts its control functions through integrating operational amplifier circuit, which includes sensor data acquisition, control, alarm
and power supply. This system can monitor and collect the thickness of the gas every second, and it will give an alarm when the thickness of the gas is beyond the limits. Combustible gas leakage alarm is adapted to various flammable gases leak detection alarm (liquefied petroleum gas, natural gas, city gas). However,this paper focuses on the designation of a simple and practical alarm device aiming at natural gas in domestic.
Key words: Gas sensor ; Amplifier circuit ; Alarm
目录
1 绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 课题研究背景 (1)
1.3 本论文的主要内容与结构 (2)
2 危险气体报警器的来源和分类 (2)
2.1 可燃性气体爆炸极限概念的引入 (2)
2.2 可燃气体报警器的分类 (3)
3 危险气体报警器电路的选取 (3)
3.1 催化燃烧式可燃气体报警器的论证 (3)
3.2 利用集成运放完成的气体报警器的论证 (3)
4 报警器元器件的选择 (4)
4.1 传感器的选择 (4)
4.1.1 传感器的概念 (4)
4.1.2 传感器的组成 (4)
4.1.3 半导体气体传感器的工作原理 (4)
4.1.4 半导体气体传感器的类型 (5)
4.1.5 传感器的特性 (5)
4.1.6 传感器的选用要求 (6)
4.1.7 MQ4传感器的选取 (7)
4.2 NE555集成电路的简介和选取 (9)
4.2.1 NE555的概念和特点 (9)
4.2.2 NE555引脚介绍 (10)
4.3 三极管放大电路的选取 (11)
5 +5V电源的实现 (11)
5.1 5V电源的设计思路 (11)
5.2 电源设计器件的选取 (12)
5.2.1 稳压三极管选取 (12)
5.2.2 整流桥堆 (12)
5.2.3 变压器的选择 (13)
5.2.4 电容的选择 (13)
6 报警器工作过程及计算 (13)
7 报警器的安装、注意事项及维护 (16)
7.1 报警器的安装及注意事项 (16)
7.2 可燃气体报警器的维护 (16)
8 实物设计过程 (16)
8.1 手工焊接技巧 (16)
8.2 实物图及模拟报警方法 (17)
参考文献 (17)
致谢 (18)
1 绪论
1.1 引言
现代社会是21世纪的新时代，是快速发展的工业化社会，是提倡绿色经济.低碳生活的年代。

由于各种能源的开采和提炼使得各种气体燃料广泛被使用。

诸如城市煤气（主要成分是CO）、天然气（主要成分是CH4）、液化气（主要成分是烷烃和烯烃）等。

这些气体燃料的使用虽然在一定程度上方便了人们的日常生活，但是也在一定程度上给人们的人身和财产利益造成了严重的伤害和损失。

由于这些气体大都是可燃性气体，而且有的还是有毒性气体，所以，这些气体在不经意之间就给人们带来了意外的伤害。

比如新闻当中经常播报的煤矿中的瓦斯爆炸事件，以及日常生活中的液化气和天然气爆炸事件，更为常见的是家庭里面的煤气中毒事件，此等悲惨事件屡屡发生，不胜枚举。

人们当初也为这些事情而发愁，如何才能把事故消灭在萌芽状态呢？除了加强人们的自身安全防患意识和提高工艺设备的质量外，人们还发明了一种报警装置——危险气体报警器。

危险气体报警器的问世，不管是在生活还是在生产方面都给人们带来了极大的方便，除了把更多的隐患消灭在萌芽状态，它还可以使人们在第一时间清楚事故发生的场所和原因，及时采取有效措施进行补救。

当今，不管是在国内还是在国外，危险气体的研究已经达到了一个较高的水平，根据元器件的选择不同、危险气体工作原理不同、或者携带是否方便等可以分为多种。

比如固定式危险气体报警器，它们广泛应用于石油、化工、煤化、焦化、宾馆、制药、燃气等多个行业中，用于监测气体泄漏。

便携式危险气体报警器为操作人员随身携带，用于监测工作环境中的气体浓度，可以随时监测工作现场的每一点的气体浓度。

由于危险气体报警器在人们的日常生活中应用还不是很广泛，所以频频发生煤气中毒、天然气泄漏引起人员窒息、爆炸等事件。

因此，制作出一种家用危险气体报警器并推广这种危险气体报警器的使用才是我们当前最紧急的任务。

1.2 课题研究背景
关于报警器的设计在当今市场上已经有很多了，比如氢气报警器、乙炔报警器、柴油报警器、硫化氢报警器、臭氧报警器、二氧化硫报警器、二氧化碳报警仪等，但是我这篇论文主要设计的是天然气（甲烷）报警器。

天然气蕴藏在地下约3000—4000米之深的孔
隙岩层中，主要成分为甲烷，比重0.65，比空气轻，具有无色、无味、无毒之特性。

此外，根据不同的地质形成条件，尚含有不同数量的乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷等低碳烷烃以及二氧化碳、氮气、氢气、硫化物等非烃类物质，有的气体中还有氦气。

天然气公司皆遵照政府规定添加臭剂，以便用户嗅辨。

如果家里天然气漏气的话是很危险的，因为过多的甲烷弥漫在空气中会造成人员窒息，遇火还会引起规模不等的爆炸。

因此，设计一款比较适合家用的甲烷气体报警器对我们来说是意义重大的。

目前市场上也有多种甲烷报警器，诸如CA-2100A型甲烷报警器、甲烷报警器CA-2100D、CA-2100E 型甲烷报警器等，但这些报警器都不是那么完善，比如有的气体报警器除了报警功能外，还显示有气体浓度实时监控，有的还显示有时间，我认为这些额外的功能意义并不是很大。

另外也有CA-386D家用燃气报警器，虽然能感应多种气体，如人工煤气、天然气、液化石油气，但是由于采用了优质的日本进口传感器，故而价格惊人，不适合一般家庭使用。

为此，我想设计出一款既实用又便宜的家用甲烷气体报警器，既能减轻人们的经济负担，又能减少危险事故的发生。

1.3 本论文的主要内容与结构
本文主要讲述甲烷气体报警器的研究意义和设计。

通过对报警器这方面的简单介绍，进而设计出一款适用于家庭厨房的甲烷气体报警器。

第一章绪论通过引言引出论文话题，展开课题背景，进而拓宽研究领域。

第二章对危险气体报警器这一基本物件的来源和分类进行阐述，使大家对这一物件有清晰的认识。

第三章主要讲述报警器电路的选取。

第四章主要报警器元器件的选择方案。

第五章主要讲述+5v电源的实现。

第六章主要阐述危险气体报警器的工作过程及部分元器件的计算。

第七章主要介绍危险气体报警器的安装、维护及注意事项。

2 危险气体报警器的来源和分类
2.1 可燃性气体爆炸极限概念的引入
可燃性爆炸气体是指由两种或两种以上成分组成的爆炸性物质。

它主要由可燃物和助燃剂组成。

当二者混合到一定比例会发生爆炸，则这个爆炸范围就称为气体爆炸极限。

如果可燃气体与空气或氧气混合后，一旦达到它的爆炸极限，遇火源即发生爆炸。

一般来说不同的可燃气体有不同的爆炸极限。

爆炸极限浓度通常用可燃性气体的体积百分浓度表
示，如甲烷的爆炸下限为5％。

爆炸极限又分为爆炸上限和爆炸下限，爆炸下限通用“LEL”表示(Lower Explosive Limit)，爆炸上限用“UEL”表示(Upper Explosive Limit)。

可燃性气体在空气中的含量低于下限或高于上限都不会发生爆炸。

如果可燃性气体浓度小于爆炸下限即为过稀的混合物，它无爆炸危险，引燃时过稀的混合物很快地燃烧掉。

相反如果可燃性气体浓度高于爆炸上限，即混合物的浓度过大，氧的含量不足，也不能形成爆炸。

空气中甲烷的爆炸下限为5％，爆炸上限为15％，也就是说空气中甲烷浓度在5％——15％是最危险的，一旦遇火源即会引起爆炸。

根据可燃气体的这一特性，我们设计出各式各样的可燃气体报警器用来监测气体浓度，预防事故的发生，这也是气体报警器的最初来源。

2.2 可燃气体报警器的分类
根据当前国内外对气体报警器的研究发展状况来看，大致有以下的分类：
按照使用环境可以分为工业用气体报警器和家用燃气报警器；按自身形态可分为固定式可燃气体报警器和便携式可燃气体报警器；按传感器原理可以分为催化燃烧式可燃气体报警、红外式可燃气体报警器、半导体式可燃气体报警器、热导式可燃气体报警器。

而本文报警器就属于家用半导体式可燃气体报警器。

3 危险气体报警器电路的选取
3.1 催化燃烧式可燃气体报警器的论证
催化燃烧式可燃气体报警器探测器由一对催化燃烧式检测元件组成。

其中一个元件对可燃气体非常敏感(该元件上涂有多层催化剂)，因为外观呈黑褐色，又称为黑元件；另一个元件不敏感，因为外观呈现白色，又称为白元件，该元件用于补偿环境变化。

这一对催化燃烧式检测元件与电路板上一对电阻构成惠斯通电桥，当周围环境存在可燃气体时，在催化剂的作用下敏感元件上发生催化燃烧(这种燃烧是阴燃，不会引爆外界可燃气体)，使其温度升高(可高达500℃)，从而使其电阻增大。

这样，电桥失去平衡，探测器产生与气体浓度成正比的电信号，经电路部分放大后，由控制器报警。

缺点是成本高，不容易扩展，安装调试复杂，受外界影响较大，所以不采用。

3.2 利用集成运放完成的气体报警器的论证
利用集成运放和少量外围元件便可完成对气体传感器采集到的信号放大、处理、控制，
完成报警功能，工作简单、方便、容易实现，能进行电路扩展，可以单独使用，也能组网使用。

由于这里只是想设计简单的报警器，故而使用这种电路性价比比较高些，所以本文甲烷气体报警器设计选用此方案。

4 报警器元器件的选择
4.1 传感器的选择
4.1.1 传感器的概念
现代化生产与自动控制系统是以计算机为核心，以传感器为基础组成的。

传感器是实现自动化检测和自动控制的首要环节，没有好的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。

我国国家标准GB7665-1987规定：传感器sensor是能感受规定的测量量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。

传感器的输入和输出信号应该是具有明确的对应关系，并且保证一定的精度。

4.1.2 传感器的组成
一个完整的传感器通常由敏感元件、转换元件及测量电路（转换器）组成，有时候还加上辅助电源。

敏感元件是指传感器中能直接接受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

敏感元件是传感器的核心，也是研究，设计和制作传感器的关键。

转换元件是指传感器中能将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号的部分。

某些敏感元件的输出响应本来就是电量，不用转换就能传到别处，例如铂电阻的阻值、应变半导体的电阻值、热电偶的电动势等，这样的传感器就没必要再设置转换元件。

测量电路又称转换电路或信号调理电路，它的作用是将转换元件输出的电信号进行近一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。

4.1.3 半导体气体传感器的工作原理
本文所用到的半导体气体传感器工作原理是：半导体气体传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致元件物理参数变化而制成的。

当气体接触半导体表面而被吸附
时，被吸附的分子在半导体表面扩散，一部分分子产生热分解而吸附。

当半导体分子的亲和力小于吸附分子的亲和力时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，称待测气体为氧化型气体。

如果半导体的亲和力大于吸附分子的亲和力，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附，称该气体为还原型气体。

例如，O2为氧化型气体，H2、CO、CH4为还原型气体。

当氧化型气体吸附到N型半导体上时（或还原型气体吸附到P型半导体上），半导体载流子减少，电阻值增大。

当还原型气体吸附到N型半导体上时（或氧化型气体吸附到P 型半导体上），则载流子增多，半导体电阻下降。

而且，当气体浓度发生变化，其阻值也将变化。

4.1.4 半导体气体传感器的类型
半导体气体传感器可以分为电阻式和非电阻式两大类。

电阻式又分为表面电阻控制型和体电阻控制型。

非电阻式又分为利用表面电位的、二极管整流特性的和晶体管特性的三种。

表面电阻控制型气体传感器是利用待测气体与半导体表面接触时，半导体表面的电导率发生变化来检测气体的，其内部化学组成不变；体电阻控制型气体传感器是半导体内部组成发生变化，而使电导率变化来检测气体的。

非电阻型半导体气体元件是利用其他参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压变化来检测被测气体的。

4.1.5 传感器的特性
静态特性：
对传感器静态特性的基本要求是输入为0时，输出也应为0，或输出相对于输入应保持一定的对应关系。

（1）灵敏度与S/N（信/噪比）。

灵敏度是传感器选用时首先要考虑的。

如果达不到测量时所必须的灵敏度，这种传感器就不能用。

但传感器的灵敏度不是越高越好，因为灵敏度越高，就越容易受环境噪声的干扰，反而得不到理想的测量效果。

传感器输出中的信号与噪声分量的平方平均值之比称为信噪比。

信噪比小，信号与噪声就难以分清。

若信噪比等于1，就完全分辨不出信号与噪声，因此在实际应用中，信噪比的值至少要大于10。

（2）线性。

线性是指传感器的输入与输出成固定的比例关系。

然而，拥有理想线性
关系的传感器很少，多数传感器的输入与输出呈现非线性关系。

其原因除了来自传感器自身外，补偿电路、放大器、运算电路等都会引起非线性，所以，在这方面也没有必要要求过分苛刻。

（3）时滞。

时滞也叫回差。

这种特性会造成传感器的输入与输出不是一一对应关系。

因此，在选用时要尽可能选时滞小的传感器。

（4）精度。

精度分为准确度与精密度。

所谓准确度是指测量值与真实值的偏离程度。

为修正这种偏差需要进行校正，完全校正是一件非常麻烦也不容易做到的事，所以使用时应尽可能减小误差。

所谓精密度是指离散偏差。

即测量相同对象时，每次测量得到的值不一样。

（5）稳定性。

理想的传感器是加相同大小的输入量时，输出量总是一致的。

然而，实际情况是输出量常会变化。

传感器在连续工作时，即使输入量恒定，其输出量也会朝着一个方向发生偏移，通常把这种现象叫做温漂。

需要注意的是，除传感器本身存在温漂外，电子电路也会出现温漂。

（6）环境特性。

目前，许多传感器材料采用灵敏度高的半导体，而半导体对温度非常敏感，这种现象将导致传感器的性能变差。

所以，环境对传感器的影响不可小视，而这种来自环境的影响中，又以温度的影响最为严重。

除温度外，气压、湿度、震动、电源电压及频率等都会造成对传感器的影响。

动态特性：
动态特性也是传感器的重要特性，它主要是指传感器的响应快慢。

传感器要检测的信号随时间而变化，传感器自身也应具有跟上这种变化的特性，这样才可以获得准确的输出信号。

4.1.6 传感器的选用要求
各种传感器在原理与结构上差别很大，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器是在进行测量前首要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败在很大程度上取决于传感器的选取是否合理。

传感器的选用主要从以下六个方面来考虑：
（1）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
（2）选择合适的灵敏度
（3）频率响应特性要符合要求
（4）有足够宽的线性范围
（5）根据环境来选择稳定性
（6）精度适可而止
4.1.7 MQ4传感器的选取
根据以上对传感器知识的介绍和将要设计的这款报警器的功能，我将会选取MQ4这种传感器作为电路的重要元件之一。

下面对MQ4作一下详细介绍。

MQ4是由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层、测量电极和加热器构成的敏感元件，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

它具有以下特点：（1）对甲烷，天然气有很高的灵敏度
（2）对乙醇，烟雾的灵敏度很低
（3）快速的响应恢复特性
（4）长期的使用寿命和可靠的稳定性
规格. 标准工作条件如下：
表4-1 电压与电阻
表4-2 环境条件
表4-3 灵敏度特性
图4-1 灵敏度特性曲线
上图给出了MQ4型气敏元件的灵敏度特性。

其中：温度：20℃相对湿度：65% 氧气浓度：21%
图4-2 MQ4型元件温湿度特性
上图给出了MQ4型气敏元件的温湿度特性。

Ro：20℃，33%RH条件下，1000ppm甲烷中元件电阻。

Rs：不同温度，湿度下，1000ppm甲烷中元件电阻。

灵敏度调整：
MQ4型气敏元件对不同种类，不同浓度的气体有不同的电阻值。

因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。

我们建议用5000ppm甲烷校准传感器。

当精确测量时，报警点的设定应考虑温湿度的影响。

4.2 NE555集成电路的简介和选取
4.2.1 NE555的概念和特点
NE555 (Timer IC)大约在1971年由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC。

在往后的30年里普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年来CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大量使用，但原规格的NE555依然在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部分改善，但其脚位功能并没变化，所以到目前都可直接地代用。

NE555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少量的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波信号。

NE555具有以下特点：
（1）只需要简单的电阻器、电容器、即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

（2）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

（3）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

4.2.2 NE555引脚介绍
NE555为8脚时基集成电路，各脚（引脚如图4-3）主要功能如下：
1接地2触发
3输出4复位
5控制电压6门限(阈值)
7放电8电源电压Vcc
图4-3 NE555引脚图
Pin 1（接地）——地线，通常被连接到电路共同接地。

Pin 2（触发点）——这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须小于1/3 VCC 。

Pin 3（输出）——当时间周期开始555的输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期结束后，输出回到0伏左右的低电位，在高电位时的最大输出电流大约200 mA。

Pin 4（重置）——一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5（控制）——VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

Pin 6（重置锁定）—— Pin 6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

Pin7（放电）——这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

Pin 8（V+）——这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

参数功能特性：
●供应电压4.5-16V
●供应电流3-6 mA
●输出电流200 mA (max)
●上升/下降时间10s
4.3 三极管放大电路的选取
根据该电路的考虑，我选择了S8050型号TO92封装的三极管。

性能参数：耗散功率为0.625W；集电极电流0.5A；集电极—基极电压40v ；集电极—发射极击穿电压25v；集电极—发射极饱和电压0.6v。

引脚排列为EBC，放大倍数为100倍。

5 +5V电源的实现
5.1 5V电源的设计思路
5V电源参数：容量1.2W 输入电压220V 输出电压5V 输出电流0.24A。

稳定直流电源设计的一般思路是让输入电压先通过电压变压器，再通过整流网络，然后经过滤波网络最后经过稳压网络。

我们用全波整流电路作为整流网络，以极性电容作为滤波网络，采用固定式三端集成稳压电路7805得到+5v直流稳压电源。

如图5-2所示，220V（幅值311V）50Hz市电经变压器220:6输出独立的6V交流，经桥堆整流、大电容滤波后经过集成稳压块L7805得到+5V的直流输出。

稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，如图5-1所示。

图5-1 直流电源系统方框图
电源变压器：将电网提供的220V交流电压转换为各种电路设备所需的交流电压。

整流电路：利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电路。

滤波电路：利用储能元件（电容）把脉动直流电转换成比较平坦的直流电。

稳压电路：利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。

具体电路如下图：
T R1 T
220V
图5-2 5v电源设计原理图
5.2 电源设计器件的选取
5.2.1 稳压三极管选取
主要特点：
LM7805固定式三端稳压器输出电流可达1A，输出电压为+5V，过热保护，过流保护，输出晶体管SOL保护。

V I——输入电压7.2V V O——输出电压5V 。

5.2.2 整流桥堆
整流桥堆产品是由四只整流硅芯片作桥式连接，外用绝缘朔料封装而成，大功率整流桥在绝缘层外添加锌金属壳包封，增强散热。

最大整流电流从0.5A到100A，最高反向峰值电压从25V到1600V。

整流二极管VD1-VD4组成单相桥式整流电路，将交流电压u2变成脉动的直流电压，再经滤波电容C1清除波纹，输出直流电压U i。

U i与交流电压U2的关系为：
U i=(1.1 –1.2) U2 （5-1）此处取1.2倍。

式中，U2为交流电压u2的有效值，此处
u2=6 2 V U2=6 V U i=7.2 V。