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智能
摘要
随着时代的进步和发展,智能仪表已经普及到我们生活、工作、科研、各个领域,已经成为一种比较成熟的技术,本文主要介绍了一个基于555定时器的的报警系统,本设计以电阻式燃气传感器和模拟电子技术为核心并与其他电子技术相结合,设计出一种技术水平较好的燃气泄露报警器。
其中选用HQ-2型气敏燃气传感器实现燃气浓度的检测,具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点,而且价格低廉,使用寿命长。
以HQ-2型半导体电阻式燃气浓度传感器为核心设计的燃气泄露报警器可实现声光报警等功能,是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的燃气泄露报警器且具有一定的实用价值。
关键词:
燃气泄露报警器;555时钟电路;传感器
目录
1绪论1
1.1智能仪器仪表简介1
1.2智能仪器仪表的作用1
1.3本课题的背景和意义1
2系统设计简介3
2.1气体报警器简介3
2.2设计要求3
2.3设计方案论证3
2.4电源设计电路4
3系统软件设计5
3.1整流电路5
3.2电容滤波电路6
3.3稳压电路7
3.4检测电路9
4设计电路及软件设计10
4.1报警集成电路555的介绍10
4.2Multisim软件介绍11
5系统的调试及仿真13
5.1电路原理图13
5.2电路仿真图14
5.3电源仿真图15
结论16
参考文献17
1绪论
1.1智能仪器仪表简介
智能仪器是计算机技术与测量仪器相结合的产物,是含有微计算机或微处理器的测量(或检测)仪器,它拥有对数据的存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能,具有一定智能的作用。
1.2智能仪器仪表的作用
智能仪器仪表产业作为国家检测标准的基础设备,同时是国民经济的基础性、战略性产业,应用范围广泛,覆盖了工业、农业、电力、交通、科技、环保、国防、文教卫生等各方面。
智能仪器仪表作为现代化大型重点成套装备的重要组成部分,其作用不可小觑。
1.3本课题的背景和意义
随着石油化学工业的发展,易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都有所增加。
液化石油气、天然气、煤气等这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、苯类以及一氧化碳、氢等成分,是易燃、易爆、有毒、有害的气体。
它们易流动、易燃烧,在生产、输送、贮存和使用这些气体的过程中,如违反操作规程或设备密封质量不好,都有可能发生可燃气体泄漏的现象。
当与空气混合后的混合物达到一定的浓度时,就是一种爆炸性混合物,遇火就会发生剧烈的化合反应,产生大量的热,会燃起大火,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产造成损失。
国内外均有不少这方面的报道,其教训是非常深刻的。
为了防患于未然,只有采用先进、可靠的安全监测仪表,严密监测环境中的可燃性气体的浓度,及早发现事故隐患,采取有效措施,将事故消灭在酿成事故之前,才能确保安全生产,居民的人身财产安全才能有保证。
可燃性气体报警控制器属于《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》中第46项,它归类于物理化学计量器具。
《建筑设计防火规范》(GBJ16-87)第10.3.2条明确规定:
“散发可燃气体、可燃蒸汽的甲类场所,应设置可燃性气体浓度检测报警装置”。
但现在国内使用的报警控制器,许多产品使用时间过长,产品老化严重,技术指标达不到标准,报警器的性能也不稳定。
有些是保养不当,如电池流水腐蚀仪器,或蓄电池损坏使报警器不能工作;有些是因使用不当而造成故障,因此不能进行准确,安全的报警和控制。
2003年12月,国家执行新的可燃性气体探测器标准(GB15322-2003)《可燃气体探测器》。
在2004年10月国家颁布《可燃气体检测报警器规程JJG693-2004》。
一部分不合规定的可燃性气体报警控制器将停止使用。
因此,研制一种新型,性能稳定、准确监测可燃性气体,并且合乎国家相关规定的报警控制器势在必行。
2系统设计简介
2.1气体报警器简介
气体报警器就是气体泄露检测报警仪器。
当工业环境中可燃或有毒气体泄露,气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时,报警器就会发出报警信号,以提醒工作采取安全措施,并驱动排风、切断、喷淋系统,防止发生爆炸、火灾、中毒事故,从而保障安全生产。
工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成,控制器可放置于值班室内,主要对各监测点进行控制,探测器安装于气体最易泄露的地点,其核心部件为内置的气体传感器,传感器检测空气中气体的浓度。
2.2设计要求
将220V、50HZ的交流电经降压、整流、滤波、稳压得到电路所需的5V左右的直流电源,蜂鸣器发声。
2.3设计方案论证
基于日常安全,结构简单,性能稳定,使用方便,设计了一款报警器,它可以准确的检测到燃气,并且立刻报警,以免发生事故。
接通电源后,当检测电路检测到空气中有易燃气体时报警电路实现报警,其组成框图如图2.3所示。
图2.3结构框图
电源电路:
将220V、50HZ的交流电经降压、整流、滤波、稳压得到电路所需的5V直流电源。
检测电路:
检测电路是由气敏传感器HQ-2构成,它利用气体在金属氧化物半导体表面的氧化和还原反应,及时检测到可燃气体。
详细检测原理是声表面波器件之波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。
气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜,当该气敏薄膜与待测气体相互作用(化学作用或生物作用,或者是物理吸附),使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时,引起压电晶体的声表面波频率发生漂移;气体浓度不同,膜层质量和导电率变化程度亦不同,即引起声表面波频率的变化也不同。
报警电路:
当气敏元件HQ-2接触到空气中气体时,输出电信号推动扬声器B发出报警声,从而使人们知道气体泄漏。
2.4电源设计电路
将220V交流电压经降压、整流、滤波、稳压后得到5V的直流电压,为检测电路和报警电路提供电源,其直流电源的组成框图和原理图如图2.4.1、2.4.2所示。
图2.4.1直流电源的组成框图
图2.4.2直流电源原理图
3.系统软件设计
3.1整流电路
桥式整流电路的工作原理可分析如下,在u2的正半周,电流从变压器副边线圈的上端流出,只能经过二极管VD1流向RL,再由二极管VD3流回变压器,所以VD1、VD3正向导通,VD2、VD4反偏截止;在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压,其电流通路可用图3.1.1(a)中虚线箭头表示,在u2的负半周,其极性与图示相反,电流从变压器副边线圈的下端流出,只能经过二极管VD2流向RL,再由二极管VD4流回变压器,所以VD1、VD3反偏截止,VD2、VD4正向导通,电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负,与正半周时相同,其电流通路如图3.1.1(b)中虚线箭头所示。
图3.1.1桥式整流电路
根据上述分析,可得桥式整流电路的工作波形如图3.1.2所示,通过负载RL的电流IL以及电压UL波形都是单方向的全波脉动波形。
桥式整流电路的优点是输出电压高,纹波电压较小,管子所承受的最大反向电压较低,同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载,电源变压器得到了充分的利用,效率较高。
图3.1.2二极管桥式整流电路波形
3.2电容滤波电路
电容滤波电路简单,输出电压平均值高,适用于负载电流较小且其变化也较小的场合。
电容滤波电路,滤波电容容量大,因此一般采用电解电容,在接线时要注意电解电容的正、负极。
电容滤波电路利用电容的充、放电作用,使输出电压趋于平滑。
滤波原理:
当u2为正半周uC<u2时,二极管V1和V3管导通,V2和V4管截止,电流一路流经负载电阻RL,另一路对电容C充电。
当uC>u2,导致V1和V3管反向偏置而截止,电容通过负载电阻RL放电,uC按指数规律缓慢下降。
图3.2.1电源电路
图3.2.2单相桥式整流电容滤波电路及稳态时的波形
分析当u2为负半周幅值变化到恰好大于uC时,V2和V4因加正向电压变为导通状态,u2再次对C充电,uC上升到u2的峰值后又开始下降;下降到一定数值时V2和V4变为截止,C对RL放电,uC按指数规律下降;放电到一定数值时V1和V3变为导通,重复上述过程。
RL、C对充放电的影响:
电容充电时间常数为rDC,充电速度快;RLC为放电时间常数,放电速度慢。
电容C愈大,负载电阻RL愈大,滤波后输出电压愈平滑,并且其平均值愈大。
电容滤波电路的参数计算及滤波电容的选择:
单向桥式整流电容滤波电路的输出电压如下
UO(AV)
1.2U2
在滤波电路中若负载电阻开路,滤波电容按下式选取
=RLC
(3
5)T/2
滤波电容数值一般在几十微法到几千微法,视负载电流大小而定,其耐压值应大于输出电压值,一般取1.5倍左右,且通常采用有极性的电解电容。
3.3稳压电路
三端稳压集成电路LM7805:
最大输出电流1A、输出电压5V引脚功能如表3.3.2所示。
稳压器7805的结构图及引脚图如图3.3.1所示。
图3.3.1稳压器7805结构图及引脚图
表3.3.2LM7805集成电路的引脚功能及数据
引脚
功能
电压
在路电阻(kΩ)
开路电阻(kΩ)
红笔测量
黑笔测量
红笔测量
黑笔测量
①
输入
8.6
∞
充电
2
25
③
输出
5
0.4
0.4
2.7
5.6
②
地
0
0
0
0
0
集成稳压器是指将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。
由于集成稳压器具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点,在各种电源电路中得到了普遍的应用。
LM7805为三端正稳压器电路TO-220F封装,能提供多种固定的输出电压,应用范围广。
内含过流、过热和过载保护电路、带散热片时,输出电流可达1A。
虽然是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。
7805集成稳压器为三端器件:
1脚为输入端,2脚为接地端,3脚为输出端,使用十分方便。
稳压电路原理图:
经过整流、滤波后的直流电压加入三端稳压器LM7805后得到稳定的5V直流电源。
电路如图3.3.4所示。
图3.3.4稳压电路原理图
3.4检测电路
检测电路如图3.4所示,其中C2起滤波作用,传感器HQ-2检测空气中易燃气体的信号,电位器RP1调节传感器的灵敏度。
图3.4检测电路原理图
4设计电路及软件介绍
4.1报警集成电路555的介绍
555集成电路是作定时器,所以叫555时基电路。
555可以组成脉冲振荡、单稳态、双稳态和脉冲调制电路,用于交流信号源、电源变换、脉冲调制等。
555集成电路内部有几十个元器件,有分压器、比较器基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等,是模拟电路和数字电路的混合体,如图4.1.1所示。
图4.1.1555集成电路内部结构图
555时基电路用途及的组成管脚:
555集成电路是8脚封装,双列直插型,如图4.1.2(a)所示,按输入输出的排列可看成如图4.1.2(b)所示。
其中6脚称阈值端(TH),是上比较器的输入;2脚称触发端(TR),是下比较器的输入;3脚是输出端(Vo),它有0和1两种状态,由输入端所加的电平决定;7脚是放电端(DIS),它是内部放电管的输出,有悬空和接地两种状态,也是由输入端的状态决定;4脚是复位端(MR),加上低电平时可使输出为低电平;5脚是控制电压端(Vc)可用它改变上下触发电平值;8脚是电源端,1脚是地端。
(a)
(b)
图4.1.2555集成电路引脚图及封装图
4.2Multisim软件介绍
Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
特点:
⑴可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器;
⑵所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;
⑶所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。
Multisim10组成
⒈――构建仿真电路
⒉――仿真电路环境
⒊――multimcu(单片机仿真)
⒋――FPGA、PLD,CPLD等仿真
⒌――通信系统分析与设计的模块
⒍――PCB设计模块:
直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图
⒎――自动布线模块
仿真的内容
⒈器件建模及仿真;
⒉电路的构建及仿真;
⒊系统的组成及仿真;
⒋仪表仪器原理及制造仿真。
器件建模及仿真:
可以建模及仿真的器件:
模拟器件(二极管,三极管,功率管等);
数字器件(74系列,COMS系列,PLD,CPLD等);
FPGA器件
电路的构建及仿真
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。
系统的组成及仿真:
Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。
它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程,难度适合从一般介绍到高级。
使学生学的更快并且掌握的更多。
Commsim含有200多个通用通信和数学模块,包含工业中的大部分编码器,调制器,滤波器,信号源,信道等,Commsim中的模块和通常通信技术中的很一致,这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。
要观察仿真的结果,你可以有多种选择:
时域,频域,XY图,对数坐标,比特误码率,眼图和功率谱。
仪表仪器的原理及制造仿真:
可以任意制造出属于自己虚拟仪器、仪表,并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。
PCB的设计及制作:
产品级版图的设计及制作。
美国NI公司提出的理念
“把实验室装进PC机中”
“软件就是仪器”
5系统的仿真
5.1电路原理图
电路工作原理如下:
该报警器经过降压、整流、滤波与稳压电路、气敏传感元件和触发报警电路等组成。
电源部分将220V市电经变压器T降至9V,经VD1~VD4桥氏整流并经C1滤波成直流,三端稳压器LM7805供给灯丝加热电压。
检测电路采用半导体气敏元件HQ-2型,其适用于空气中有煤气,液化石油气等燃气成分的报警,其要求加热电压稳定,故采用7805对灯丝电压进行稳压,且要求开机预热3分钟。
在在正常情况下,气敏元件的A-B极间呈高阻态,RP1输出低电平(小于0.4V),555时基电路被强制复位,扬声器B无声。
当空气中有煤气,液化石油等燃气成分时,气敏器件的导电率增加,RP1输出电平增高,当燃气浓度达到规定值(如1%)时,RP1输出电平大于0.4V,时基电路强制复位被解除,扬声器B输出响亮的断续报警声。
当用户闻讯后就可立即关闭气门,并采取开窗通风等必要的紧急措施。
如图5.1所示:
图5.1电路原理图
电路主要技术指标:
气敏传感器需要10V、5V直流电压,555时基电路需要5V电压。
若采用单相桥式整流电路,电源变压器次级电压U2,并选择整流二极管。
变压器次级电压:
V(4-1)
整流电压:
V(4-2)
滤波电压:
V(4-3)
振荡频率:
HZ(4-4)
5.2电路仿真图
为了电路安全和设计结果准确,对已设计的电路在(Multisim10绿色汉化版)仿真软件中进行仿真,本电路由电源、检测、报警电路三大部分组成,仿真原理图如图5.2.1所示。
这是电路在工作时的仿真图,图中的LED2亮说明电路进入工作状态。
图5.2电路仿真图
5.3电源仿真图
图5.3电源仿真图
结论
智能仪器仪表在科学技术领域、工农业生产及日常生活发挥着非常重要的作用。
人类社会对智能仪器仪表提出越来越高的要求是智能仪器仪表发展的强大动力,而现代科学技术的突飞猛进则为其发展提供了坚强后盾。
本次设计在搜集资料的过程中,我去学校的图书馆查阅了一些相关知识,上网搜索了很多的设计方案,尽量使我设计前的准备做到充分和完美,通过这次设计我掌握了一些筛选资料的方法,设计的过程中遇到了一些不懂的知识,我会与同学交流讨论。
气体传感器的发展趋势集中表现为:
一是提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是气体传感器一直追求的目标。
HQ-2型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体其名元件,当元件接触还原性气体时,其导电率随气体浓度的增加而迅速升高。
通常器件工作在空气中,由于氧化作用,空气中的氧被半导体(N型半导体)材料的电子吸附负电荷,结果半导体材料的传导电子减少,电阻增加,使器件处于高阻状态。
当气敏元件与被测气体接触时,会与吸附的氧发生反应,将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。
本次设计对我来说,收益颇丰,电路的仿真及调试,使我进一步掌握了软件Multisim的使用方法,更深层次的了解电路在设计的过程中应该注意的一些事情。
参考文献
[1]陈有卿.报警集成电路和报警器制作实例.北京:
人民邮电出版社.2001.
[2]王昊.通用电子元器件的选用与检测.北京:
电子工业出版社.2005.
[3]陈有卿.555时基电路原理、设计与应用.北京:
电子工业出版社.2007.
[4]周正新.电子设计自动化实践与训练.北京:
中国民航出版社.1998.
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