家用瓦斯报警器系统设计

自动测试与检测技术课程设计姓名：指导教师：专业名称：所在系部：2011年5月摘要家庭使用液化气、煤气作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。

针对这种情况我们需要设计一个能够自动检测有害气体的装置，要求这种装置，在检测到煤气泄漏或其他有害气体意外排放时，能产生报警，以达到保障人民生命财产安全。

我们这次将介绍QM-N10传感器在检测天然气、煤气、液化石油气等有毒及易燃易爆气体泄漏中的具体应用。

关键字：有毒易燃气体检测，QM—N10气敏传感器AbstractHousehold use LPG, town gas, more and more, but these harmful gases, explosive, hidden accidents, such as gas leakage detection and treatment can not be timely, family and neighbors would bring disastrous harm. For this we need to design a device that automatically detects harmful gases, requiring such a device detects gas leaks or other accidental releases of harmful gases, can produce alarm, to achieve the protection of people's lives and property.This time we will introduce QM-N10 sensor detects natural gas, coal gas, liquefied petroleum gas and other toxic and flammable and explosive gas leakage inthe specific applicationKey Words:Toxic and flammable gas detection, QM-N10 gas sensor目录一气敏传感器的基本介绍和实用电路1.1 气敏传感器的基本介绍1.2几种常见气敏传感器和所构成的实用电路二电路设计方案及流程2.1 设计要求2.2 电路原理图2.3 设计流程三毒气检测电路的工作原理3.1 QM—N10气敏传感器3.2电路工作过程分析四电路中的其他元件4.1 二极管、三极管、电容、电阻、电位器4.2驱动芯片U257BG五电路的调试与元件报价5.1 问题与发现5.2 原件清单及报价六课程设计总结七参考文献一气敏传感器的基本介绍和实用电路1.1气敏传感器的基本介绍1.1.1所谓气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测待定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。

早在20世纪30年代就已经发现氧化亚铜的导电率随水蒸汽的吸附而发生改变。

其后又发现许多其他金属氧化物也都具有气敏效应。

这些金属氧化物都是利用陶瓷工艺制成的具有半导体特性的材料，因此称之为半导体陶瓷，简称半导瓷。

由于半导瓷与半导体单晶相比具有工艺简单、价格低廉等优点，因此已经用它制作了多种具有实用价值的敏感元件。

气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。

用半导体气敏元件组成的气敏传感器主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。

半导体气敏传感器的种类如表1所示。

表1 半导体气体传感器的分类主要物理特性传感器举例工作温度典型被测气体电阻式电阻表面控制型氧化银、氧化锌室温~450℃可燃气体体控制型氧化钛、氧化钴、氧化镁、氧化锡700℃以上酒精、氧气可燃性气体非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温~200℃氢气、一氧化碳、酒精晶体管特性铂栅MOS场效应晶体管150℃氢气、硫化氢1.1.2气敏电阻的工作原理气敏电阻的材料是金属氧化物，在合成材料时，通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成，金属氧化物半导体分N型半导体，如氧化锡、氧化铁、氧化锌、氧化钨等；P型半导体，如氧化钴、氧化铅、氧化铜、氧化镍等。

为了提高某种气敏元件对某些气体成分的选择性和灵敏度，合成材料有时还渗入了催化剂，如钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)等。

金属氧化物在常温下是绝缘的，制成半导体后却显示气敏特性。

通常器件工作在空气中，空气中的氧和NO2这样的电子兼容性大的气体，接受来自半导体材料的电子而吸附负电荷，结果使N型半导体材料的表面空间电荷层区域的传导电子减少，使表面电导减小，从而使器件处于高阻状态。

一旦元件与被测还原性气体接触，就会与吸附的氧起反应，将被氧束缚的电子释放出来，敏感膜表面电导增加，使元件电阻减小。

该类气敏元件通常工作在高温状态(200～450℃)，目的是为了加速上述的氧化还原反应。

例如，用氧化锡制成的气敏元件，在常温下吸附某种气体后，其电导率变化不大，若保持这种气体浓度不变，该器件的电导率随器件本身温度的升高而增加，尤其在l00~300℃范围内电导率变化很大。

显然，半导体电导率的增加是由于多数载流子浓度增加的结果。

气敏元件的基本测量电路，如图1所示，图中E H为加热电源，E c 为测量电源，电路中气敏电阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压(信号电压)由电阻R O上取出。

气敏元件在低浓度下灵敏度高，在高浓度下趋于稳定值。

因此，常用来检查可燃性气体泄漏并报警等。

由上述分析可以看出，气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多。

因此，气敏元件结构上，有电阻丝加热器，1和2是加热电极，3和4是气敏电阻的一对电极。

氧化锡，氧化锌材料气敏元件输出电压与温度的关系如图2所示。

图1气敏元件的基本测量电路图2气敏元件输出电压与温度的关系1.2几种常见气敏传感器和所构成的实用电路1.2.1．气敏电阻元件的种类气敏电阻元件种类很多，按制造工艺上分烧结型、薄膜型、厚膜型。

1）烧结型气敏元件将元件的电极和加热器均埋在金属氧化物气敏材料中，经加热成型后低温烧结而成。

目前最常用的是氧化锡(SnO2)烧结型气敏元件，用来测量还原性气体。

它的加热温度较低，一般在200~300℃，SnO2气敏半导体对许多可燃性气体，如氢、一氧化碳、甲烷、丙烷、乙醇等都有较高的灵敏度。

图3是MQN型气敏电阻的结构及测量转换电路简图。

a) b) c)图3 MQN型气敏电阻结构及测量电路a) 气敏烧结体b)气敏电阻c) 基本测量电路1－引脚2－塑料底座3－烧结体4－不锈钢网罩5－加热电极6－工作电极7－加热回路电源8－测量回路电源2）薄膜型气敏元件采用真空镀膜或溅射方法，在石英或陶瓷基片上制成金属氧化物薄膜(厚度0.1μm以下)，构成薄膜型气敏元件。

氧化锌(ZnO2)薄膜型气敏元件以石英玻璃或陶瓷作为绝缘基片，通过真空镀膜在基片上蒸镀锌金属，用铂或钯膜作引出电极，最后将基片上的锌氧化。

氧化锌敏感材料是N型半导体，当添加铂作催化剂时，对丁烷、丙烷、乙烷等烷烃气体有较高的灵敏度，而对H2、CO等气体灵敏度很低。

若用钯作催化剂时，对H2、CO有较高的灵敏度，而对烷烃类气体灵敏度低。

因此，这种元件有良好的选择性，工作温度在400~500℃的较高温度。

3）厚膜型气敏元件将气敏材料(如SnO2、ZnO)与一定比例的硅凝胶混制成能印刷的厚膜胶，把厚膜胶用丝网印刷到事先安装有铂电极的氧化铝(A12O3)基片上，在400~800℃的温度下烧结1～2小时便制成厚膜型气敏元件。

用厚膜工艺制成的器件一致性较好，机械强度高，适于批量生产。

以上三种气敏器件都附有加热器，在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾、尘埃等烧掉，同时加速气体氧化还原反应，从而提高器件的灵敏度和响应速度。

1.2.4．家用有毒气体探测报警器一氧化碳、液化气、甲烷、丙烷都是有毒可燃气体，当空气中达到一定浓度时，将危及人的健康与安全。

图5所示电路为家用有毒气体探测报警电路，本电路线路虽然简单，但具有很高的灵敏度，对探测上述有毒气体是非常有效的。

图5 有毒气体探测报警电路该探测报警电路用QM-N10气敏传感器作为探测头。

当空气不含有毒气体时，A、K两点间的电阻很大，流过RP的电流很小，K点为低电位，达林顿管U850不导通；当空气中含有还原性气体时(如上述有毒气体)，A、K两点间的电阻迅速下降，通过RP的电流增大，K点电位升高，向C2充电直至达到U850导通电位(约1．4V)时，U850导通，驱动发声集成片KD9561发声。

当空气中有毒气体浓度下降至使A、K两点间恢复高阻时，K点电位低于1.4V，U850截止，报警解除。

二 电路设计方案及流程简述：经过小组成员的探讨和实际所学的理论知识，我们组决定设计一款由气敏传感器QM —N10构成的可燃性气体检测及报警电路，如下是电路的设计方案和流程 2.1设计要求：1.该装置能够自动检测有害气体，具有灵敏度高、抗干扰能力强等特点，要求在检测到煤气泄漏或其他有害气体意外排放时，电路能产生报警。

2．元件价格合理、项目可实施条件好、产品实用性强。

2.2 电路原理图：2.3 设计流程：设计流程方框图电源电路部分自动检测部分显示电路部分 信号放大部分1）电源电路部分电源由电池、DW、C1等组成，电池选用12V叠成电池，经开关SA提供12V电压，同时DW提供6V电压，为检测与放大电路提供电源。

如图所示为电源电路部分2）自动检测部分这是该电路的主体部分，检测元件为低功耗、高灵敏度的QM-N10型气敏传感器。

如图所示为自动检测部分电路和该类传感器的电路图和实物图。

电路图实物图3）信号放大部分由晶体管9014构成的放大电路，用来放大检测到的信号。

如图所示为信号放大部分电路和三极管9014的实物图。

4）显示电路部分显示电路选用LED条形驱动器集成块U257B，额定工作电压为8V到25V,输入电压最大5V，输入电流0.5MA，功耗690MW。

下图为显示电路的电路结构图。

三毒气检测电路的工作原理3.1 QM—N10气敏传感器3.1.1 QM系列气敏元件QM系列气敏元件是采用金属氧化物半导体做敏感材料的N型半导体气敏元件,该元件接触气体时电导率就增加,适宜在气体报警器,检环保和家庭等领域。

测仪器上作气敏传感器,广泛应用于防火,保安,QM系列基本电路传感器基本外形结构3.1.2 QM—N10气敏传感器QM-N10气敏传感器用于可燃性气体检测,监控报警装置等,可检测CH4,H2,C4H10等可燃性气体,有机液蒸汽和烟雾等,具有灵敏度高,反应快的特点.QM－N10气体传感器在洁净空气中的阻值大约有几十kΩ，接触到有害气体时，电导率增大，电阻值急剧下降，下降幅度与瓦斯浓度在0.5%以下成正比。