煤气报警器设计

目录
摘要 (1)
一、概述 (1)
1.1 课题研究背景、目的 (1)
1.2 方案构想 (2)
二、方案设计 (2)
2.1 基于单片机的实现方案 (2)
2.2 基于电源电路的实现方案 (2)
2.3 方案选择 (3)
三、电路设计 (3)
3.1电源电路 (3)
3.2气体传感器电路 (3)
3.3报警电路 (5)
3.4电路分析 (6)
四、元器件的选择 (6)
五、系统调试 (8)
六、结束语 (8)
参考文献 (8)
摘要
近年来，全国燃气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。

城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。

但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄漏所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。

为了使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄漏而引发的爆炸及火灾事故，各燃气使用单位及居民用户选择一种适合的煤气报警器实为必要之举。

本次课程设计的题目是煤气泄漏报警器，煤气泄漏报警器是用于当煤气泄漏达到一定危害浓度时就立即发出报警,它在实际生活中有着十分广泛的应用。

本论文针对家庭燃气主要类型与成分而设计的燃气泄露报警系统，以气敏传感器和为核心器件。

该燃气报警器是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格廉价的报警器，它具有很强的实用性。

当这些气体在室内达到一定要求浓度（安全值）时，该装置能够发出声光报警，提醒人们注意有燃气气泄漏，及时采取措施。

另外，该装置还具备显示室内温度的功能。

关键词：报警电路气敏探测
一、概述
1.1 课题研究背景、目的
人的生存离不开空气，人的一生大约有80%的时间是在室内度过的，室内环境质量的好坏影响着人们的身心健康。

室内的有害气体来源有来自装修不当造成的甲醛、氨气、氡气、苯、放射性物质的释放，而这些气体在装修时加以注意，完全可以减少其排放量，从而不至于影响人的健康状况。

室内存在的有害气体的另一主要来源为可燃性气体的泄漏，主要可分为天然气泄漏、液化气泄漏和煤气泄漏。

煤气泄漏的主要成分是一氧化碳与氢气，一氧化碳中毒原因是一氧化碳进入人体后会和血液中的血红蛋白结合，从而出现缺氧。

常见于家庭居室内通风差得情况下，煤炉产生的煤气或液化气管道泄漏气中的一氧化碳吸入会导致一氧化碳中毒。

液化气泄漏危害也不易小视，液化石油气是石油产品之一。

英文名称liquefied petroleum gas，简称LPG。

是由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。

由炼厂气所得的液化石油气，主要成分为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同时含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物杂质。

由天然气所得的液化气的成分基本不含烯烃。

液化石油气主要用作石油化工原料，用于烃类裂解制乙烯或蒸气转化制合成气，可作为工业、民用、内燃机燃料。

其主要质量控制指标为蒸发残余物和硫含量等，有时也控制烯烃含量。

液化石油气是一种易燃物质，空气中含量达到一定浓度范围时，遇明火即爆炸。

天然气主要成分是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。

人所赖以生存的空气中有大约20%的氧气，如果人的生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，
导致窒息、昏迷，有心脑血管疾病的人将会危及生命。

室内天然气泄漏会使室内空气中的氧气相对稀薄，由于天然气是无色无味，人很难察觉到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气的泄漏就更加危险，甚至会使人窒息。

天然气的另一危险是当空气中的天然气含量达到一定含量时，遇到明火就会产生爆炸，危及人的生命 。

1.2 方案构想
系统设计：
查找资料，确定家用天然气和液化气报警系统的设计方案，画出系统的总框图，对框图的进行分析，确定系统的总体设计模块。

系统模块构成包括报警电路模块、气体检测处理模块、电源模块、单片机主控制模块、温度检测模块、显示模块等几大模块。

根据系统各个模块所要完成的功能分别去进行独立的分析与设计，使设计工作细化，从于达到逐步求精。

在系统设计完后，对该系统进行进一步分析调整，整体出完整的思路方案。

硬件设计：
根据设计好的系统方案，选择出最适合本系统的各个环节的芯片、气体传感器等；根据元件实际情况，选择最好的布局，布局要求合理，美观，实用。

待一切准备就绪，做出实物。

二、方案设计
2.1 基于单片机的实现方案
基于8051单片机实现的煤气报警器的具体方案。

该方案主要包括了可燃气体传感器、A/D 转换器、键盘控制电路、8051单片机电路、晶振、蜂鸣器以及LED 显示电路。

可燃气体传感器输出为模拟量，需要利用A/D 转换器将模拟量转换成数字量送给8051单片机；晶振和键盘控制作为8051单片机的外围输入电路，蜂鸣器作为报警用的8051单片机的外围输出电路；显示电路采用了LED 显示，由8051单片机控制实现显示。

2.2 基于电源电路的实现方案
该方案主要由电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器气等四部分组成。

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，并将采集到的信号传给信号放大器；信号放大器主要负责将接收到的信号放大，并分别传输给报警器和自动关闭煤气装置电路；报警器主要负责当煤气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警度。

其原理框图如图2.2所示。

图2.2方案原理图
2.3 方案选择
本实验选择基于电源电路的实现方案。

三、电路设计
3.1电源电路
图中变压器T和BR,U1,C1,C2组成电源电路，输出5V稳定的直流电压供整机用电。

3.2 气体传感器电路
采用MQ-2可燃气体检测用半导体气敏元件。

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

特点：
1、在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度
2、对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高
3、长寿命、低成本
4、简单的驱动电路即可
应用：
1、家庭用气体泄漏报警器
2、工业用可燃气体报警器
3、便携式气体检测器
1、必须避免的情况
（1）暴露于有机硅蒸气中
如果传感器的表面吸附了有机硅蒸气，传感器的敏感材料会被包裹住，抑制传感器的敏感性，并且不可恢复。

传感器要避免暴露其在硅粘接剂、发胶、硅橡胶、腻子或其它含硅塑料添加剂可能存在的地方。

（2）高腐蚀性的环境
传感器暴露在高浓度的腐蚀性气体（如H2S，SOX，Cl2，HCl 等）中，不仅会引起加热材料及传感器引线的腐蚀或破坏，并会引起敏感材料性能发生不可逆的改变。

（3）碱、碱金属盐、卤素的污染传感器被碱金属尤其是盐水喷雾污染后，及暴露在卤素如氟中也会引起性能劣变。

（4）接触到水
溅上水或浸到水中会造成敏感特性下降。

（5）结冰
水在敏感元件表面结冰会导致敏感材料碎裂而丧失敏感特性。

（6）施加电压过高
如果给敏感元件或加热器施加的电压高于规定值，即使传感器没有受到物理损坏或破坏，也会造成引线和/或加热器损坏，并引起传感器敏感特性下降。

图3.2气敏探测电路
3.3报警电路
该电路的报警器是由三个与非门构成的高频振荡器，电路图如下：
图3.4报警器
图3.5煤气泄漏报警器
3.4 电路分析
在正常情况下，当气敏元件QM不接触有害气体时，其A,B电极间电导率很低，呈现高阻抗，使得电位器R2的滑动端为低电平，与非门U3:A的输入端1，2脚为低电平，输出端3脚为高电平，经U3:B反相，输出端4脚为低电平，与非门U3：C和U3:D组成的高频振荡器停振，扬声器SP无声，同时安全指示灯VD2点亮发光。

当室内有害气体泄漏时，气敏元件QM感受到一定浓度的有害气体，其内部的电导率将急剧增高而呈现低阻抗，这时A,B两电极间电阻很小，使得R2的滑动端为高电平，经U3:A和U3:B两级反向输出高电平，音频振荡器U3.C 的8脚为高电平而起振，U3:D的11脚输出的音频信号经R5注入VT4基极放大后的音频信号使扬声器SP发出响亮的“嘟~~~~~~~”连续报警声，同时报警指示灯VD点亮发光。

电位器R2可用来调节报警起控灵敏度。

为了克服环境温度变化造成的误报警，本电路在R2下面串联了一只硅二极管VD1，除了用做温度补偿外还可以把B点的最低电压限制在0.7V左右。

四、元器件选择
图4.1 78L105电路连接图
图4.2 78L12电路连接图
图4.3 1N4001极限值及温度特性
图4.5 CD4011 2芯片功能图
U1和U2分别采用78L12和78L05三端固定稳压集成电路；U3用CD40112输入与非门COMS集成电路；BR可用5个普通1N4001型硅整流二极管，也可用专用整流桥电路，从图中可以分析出最大承受电压为50V。

VT4可用9013型NPN 三极管。

（9013结构：NPN集电极-发射极电压25V；集电极-基电压45V；射极-基极电压5V；集电极电流0.5A；耗散功率0.625W；结温150℃；最小特怔频150M；放大倍数：D64-91、E78-112、F96-135、G122-166、H144-220、I190-300）
要求：
β>100；VD2,VD3用Φ（直径）5MM圆形绿色和红色发光二极管；R2最好采用WSW型5.1k有机实心微调电阻器；R3选用82K，R4选用1.2K，R5选用10K，均为RJ-1\4W型金属膜电阻器；R1选用10лRTX-1/2W型金属膜电阻器；C1选用220uF,C2选用100uF，均为CD11-25V型电解电容器；C3选用0.1uF，C4,C5选用0.01uF，均为瓷介电容器；T选用220V输入，14~18V输出电源变压器；SP 可用8Л小型电动扬声器，如YD57-2型等。

五、系统调试
装配在印制电路板上后，对R2的阻值进行调整，调试时必须通电预热后方可调试工作，气敏元件的安装要根据需要监视的可燃性气体的比重确定安装位置的高度。

如果使用一般煤气，可将气敏元件装在高处通风口处，不要将气敏元件安装在油烟和灰尘较多的地方，使用一段时间要进行灵敏度测试进行校准。

六、结束语
这次课程设计硬件全部展示的是自己的DIY成果，虽然电路简单，但是自己还是要求很细心的去做，每焊接好一小部分就用万用表仔细检查电路的通短情况，不过焊接和测试中还是遇到很多的麻烦，例如走锡、飞线的干扰、电源和地的分配和扩张、焊接防止烧坏器件等。

但通过顾老师和同学的帮助和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，将所学的知识和电子设计方法相结合，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，又能激发我们对模拟电子线路设计的兴趣。

通过课程设计，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。

通过本次课程设计我不但学到了很多新的知识，而且巩固了原来学过的知识，我们把所学的东西贯通起来，学会在调试过程中遇到问题的解决方法，验证电路的可行性，对自己以后的学习和工作有很大的好处。

是对所学知识的巩固和深化，理论知识和实践知识相结合，学以致用，使我们学会了提出问题，分析问题，解决问题的能力。

这对我们以后的工作和人生将产生深远的影响。

参考文献：
[1] 张金.电子设计与制作100例.电子工业出版社.2003
[2] 高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2002.
[3] 谢自美.电子线路设计、实验、测试.华中理工大学出版社.2003.
[4] 赵志杰.集成电路应用识图方法.机械工业出版社.2003.
[5] 张庆双.电子元器件的选用与检测.机械工业出版社.2003.。