家庭煤氣泄漏報警裝置的設計

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1、 傳感器課程設計 題 目： 家庭煤氣泄漏報警裝置的設計 學 院： 機電工程學院 年 級： 2009 級 專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 姓 名： 李恒 學 號： 20090310110229 指導教師： 曹青松 周繼惠 2012 年

2、 06 月 28 日 目錄 一． 目錄 3 二 . 設計任務書 4 三． 元器件介紹 5 1. 電阻 5 2. 蜂鳴器 6 3. 電位器 6 4. 氣敏傳感器 MQ-2 7 5.NE555 時基集成電路 8 四．電路圖分析及調(diào)試 11 五．心得體會 12 六．參考文獻 13 七．作品展示 14

3、 二. 設計任務書 1.總要求 能夠獨立進行小型檢測模塊系統(tǒng)方案的設計及論證，選擇合理的傳感器、設計必要的接口電路等，以及合理選擇有關(guān)元器件及正確使用相關(guān)工具與儀器設備等，并且能結(jié)合實際調(diào)試與實驗進行有關(guān)精度分析與討論。 2.總?cè)蝿? 針對總要求進行原理及方案論證、模塊設計、接口電路設計、焊接或插接與調(diào)試、精度分析以及撰寫報告等工作。 3.設計題目 家庭煤氣泄漏報警裝置的設計 4.設計內(nèi)容 煤氣泄漏報警 5. 設計進度或計劃 1、 準備及查閱資料 一天 2、 方案設計及論證（總體方案） 二

4、天 3、 硬件電路設計、畫圖（ PROTEL） 三天 4、 實驗室調(diào)試及結(jié)果分析 二天 5、 整理報告及準備答辯 二天 6. 設計說明書包括的主要內(nèi)容1、 封面 2、 目錄 3、 設計任務書 4、 正文（可按下列內(nèi)容撰寫、僅供參考） 1） 序言 可包括系統(tǒng)工作原理的介紹等。 2） 方案設計及論證 可按模塊進行方案設計與論證； 各模塊設計中應包括適當?shù)木确治黾斑x型等。 3） 實驗或系統(tǒng)調(diào)試 可包括實驗調(diào)試工具儀器、實驗結(jié)果及適當?shù)姆治龅取? 4） 心得體會 5） 主要

5、參考文獻 另：說明書的撰寫格式應符合一定的要求，可參照華東交通大學本科生畢業(yè)論文撰寫規(guī)范進行。 7. 考核方法 考核可根據(jù)學生平時學習態(tài)度（含出勤率） 20%、設計完成情況（樣機） 40%、圖紙及說明書質(zhì)量（含答辯） 40%確定。 三．元器件介紹 1.電阻 電阻是阻礙電流流過的物理量。因為物質(zhì)對電流產(chǎn)生的阻礙作用，所以稱其該作用下的電阻物質(zhì)。電阻將會導致電子流通量的變化，電阻越小，電子流通量越大，反之亦然。沒有電阻或電阻很小的物質(zhì)稱其為電導體，簡稱導體。不能形成電流傳輸?shù)奈镔|(zhì)稱為電絕緣導體

6、，簡稱絕緣體。 本次使用的多為色環(huán)電阻， 所謂色環(huán)電阻， 是在電阻封裝上（即電阻表面）涂上一定顏色的色環(huán)，來代表這個電阻的阻值。即可通過顏色來判斷這個電 阻的阻值。 色環(huán)電阻是電子電路中最常用的電子元件，采用色環(huán)來代表顏色和誤差，可以保證電阻無論按什么方向安裝都可以方便、清楚地看見色環(huán)。色環(huán)電阻 的基本單位是：歐姆（ Ω）、千歐（ KΩ）、兆歐（ MΩ ）。1000 歐（ Ω）=1 千歐（ KΩ），1000 千歐（ KΩ）=1 兆歐（ MΩ ）。 色環(huán)電阻用色環(huán)來表示電阻的阻值和誤差，普通的為四色環(huán)，高精密的用五色環(huán)表示，另外還有六色環(huán)表示的（此種產(chǎn)品只用于高科技

7、產(chǎn)品且價格十分昂貴）。下表為色環(huán)電阻對照關(guān)系，其識別方法如下： 色環(huán)電阻的對照關(guān)系 倍乘 誤差 溫度關(guān)系 /（ 10 顏色 數(shù)值 （ % 數(shù) / ℃） ） 棕 ■ 1 10 1 100 紅 ■ 2 100 50 2 橙 ■ 3 1k — 15 黃 ■ 4 10k — 25 綠 ■ 5 100k 0.5 藍 ■ 6 1M 0.2 10 5

8、 紫 ■ 7 10M 0.1 5 灰 ■ 8 0.0 5 白 ■ 9 — 1 黑 ■ 0 1 — — 金 ■ — 0.1 5 — 銀 ■ — 0.01 — 10 無色 ■ 20 2.蜂鳴器 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的

9、壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。 3. 電位器 電位器是具有三個引出端、阻值可按某種變化規(guī)律調(diào)節(jié)的電阻元件。電位器通常由電阻體和可移動的電刷組成。當電刷沿電阻體移動時，在輸出端即 獲得與位移量成一定關(guān)系的電阻值或電壓。電位器既可作三端元件使用也可作二端元件使用。后者可視作一可變電阻器 電位器的結(jié)構(gòu)特點——電位

10、器的電阻體有兩個固定端，通過手動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸或滑柄，改變動觸點在電阻體上的位置，則改變了動觸點與任一個固定端之間的電阻值，從而改變了電壓與電流的大小。 電位器是一種可調(diào)的電子元件。 它是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關(guān)系的電壓。它大多是用作分壓器，這時電位器是一個四端元件。電位器基本上就是滑動變阻器，有幾種樣式，一般用在音箱音量開關(guān)和激光頭功率大小調(diào)節(jié)電位器是一種可調(diào)的電子元件 。 4.氣敏傳感器 MQ-2 MQ-2氣敏

11、傳感器所使用的氣敏材料是清潔空氣中電導率較低的二氧化錫，當傳感器所在環(huán)境存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中的可燃氣體的 on孤獨的增大而增大，使用簡單的驅(qū)動電路即可把電導率的變化轉(zhuǎn)化為響應的輸出信號。 MQ-2對丙烷，氫氣液化氣的靈敏度高，對天然氣和其他可燃氣體的靈敏度也還行。它可以檢測出多款可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本傳感器。 MQ-2氣敏傳感器在較寬的濃度范圍內(nèi)對可燃氣體有良好的靈敏度， 壽命長，成本低，只需簡單的驅(qū)動電路即可。 MQ-2工作電壓應小于 15V，加熱電壓控制在 5V左右，經(jīng)測量其加熱電 阻為 50Ω， 相應的使用溫度，儲存溫度，相對濕

12、度也有重要影響。 經(jīng)測量，本次使用的氣敏傳感器加熱絲的阻值約為 50歐姆， A,B間的電阻 阻值為 10兆歐左右。加熱后，再噴以氣體，其阻值降到幾百歐。 5.NE555 時基集成電路 NE555是屬于 555系列的計時 IC 的其中的一種型

13、號， 555系列 IC 的接腳功能及運用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可 產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同； 而 555是一個用途很廣且相當普遍的計時 IC ，只需少數(shù)的電阻和電容， 便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈波訊 號。 NE555 的特點有： 1. 只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。 2. 它的操作電源范圍極大，可與 TTL，CMOS等邏輯閘配合，也就是它的輸出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3. 其輸出端的供給電流大，可直接推動

14、多種自動控制的負載。 4. 它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。 Pin 1 ( 接地 ) - 地線 ( 或共同接地 ) ，通常被連接到電路共同接地。 Pin 2 ( 觸發(fā)點 ) - 這個腳位是觸發(fā) NE555使其啟動它的時間周期。觸 發(fā)信號上緣電壓須大于 2/3 VCC ，下緣須低于 1/3 VCC 。 Pin 3 ( 輸出 ) - 當時間周期開始 555 的輸出輸出腳位，移至比電源電 壓少 1.7 伏的高

15、電位。周期的結(jié)束輸出回到 0 伏左右的低電位。于高電位 時的最大輸出電流大約 200 mA 。 Pin 4 ( 重置 ) - 一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸 出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。 Pin 5 ( 控制 ) - 這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當計 時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下 , 這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 Pin 6 ( 重置鎖定 ) - Pin 6 重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從 1/3 VCC 電壓以下移至 2/3 VCC 以上時啟動這個動作。 Pin 7 ( 放電 )

16、- 這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力， 當輸出為 ON 時為 LOW ，對地為低阻抗，當輸出為 OFF 時為 HIGH ，對地為高阻抗。 Pin 8 (V +) - 這是 555 個計時器 IC 的正電源電壓端。供應電壓的范 圍是 +4.5 伏特 ( 最小值 ) 至 +16 伏特 ( 最大值 ) 。 NE555引腳圖介紹如下 1地 2觸發(fā) 3輸出 4復位 5控制電壓 6門限 ( 閾值） 7放電 8電源電壓 Vcc 6.萬用表的使用 萬用表又叫多用表、三用表、復用表，萬用表分為指針式萬用表和數(shù)字萬用表引。是一種多功能、多

17、量程的測量儀表，一般萬用表可測量直流電流、直流電壓、交流電流、交流電壓、電阻和音頻電平等，有的還可以測交流電流、電容量、電感量及半導體的一些參數(shù) 表筆分為紅、黑二只。使用時應將紅色表筆插入標有“ +”號的插孔，黑色表筆插入標有“－”號的插孔。測量電壓時，要選擇好量程，如果用小量 程去測量大電壓，則會有燒表的危險；如果用大量程去測量小電壓，那么指 針偏轉(zhuǎn)太小，無法讀數(shù)。量程的選擇應盡量使指針偏轉(zhuǎn)到滿刻度的 2/3 左右。如果事先不清楚被測電壓的大小時，應先選擇最高量程檔，然后逐漸減小到合適的量程。 測量直流電流時，將萬用表的一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于直流電流檔，另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)置于

18、50uA到500mA的合適量程上，電流的量程選擇和讀數(shù)方法與電壓一樣。測量時必須先斷開電路，然后按照電流從“ +”到“ - ”的方向，將萬用表串聯(lián)到被測電路中，即電流從紅表筆流入，從黑表筆流出。如果誤將萬用表與負載并聯(lián)，則因表頭的內(nèi)阻很小，會造成短路燒毀儀表。 用萬用表測量電阻時，應按下列方法操作： a機械調(diào)零。在使用之前，應該先調(diào)節(jié)指針定位螺絲使電流示數(shù)為零，避免不必要的誤差。 b選擇合適的倍率檔。萬用表歐姆檔的刻度線是不均勻的，所以倍率檔的選擇應使指針停留在刻度線較稀的部分為宜，且指針越接近刻度尺的中間，讀數(shù)越準確。一般情況下，應使指針指在刻度尺的 1/3~2/3 間。

19、 c歐姆調(diào)零。測量電阻之前，應將 2個表筆短接，同時調(diào)節(jié)“歐姆（電氣）調(diào)零旋鈕”，使指針剛好指在歐姆刻度線右邊的零位。 如果指針不能調(diào)到零位，說明電池電壓不足或儀表內(nèi)部有問題。并且每換一次倍率檔，都要再次進行歐姆調(diào)零，以保證測量準確。 d讀數(shù)：表頭的讀數(shù)乘以倍率，就是所測電阻的電阻值。 四．電路圖分析及調(diào)試 1. 前言： 長期以來，煤氣中毒事件頻頻發(fā)生，由于以前人們只能簡單地通過氣味來判別煤氣泄漏，這不僅給生產(chǎn)生活帶來了不安全因素，也為事故的發(fā)生埋下隱患。煤氣泄漏報警器通過實時檢測空氣中的煤氣情況，及時發(fā)出報警聲

20、，以提醒人們煤氣泄漏情況，保障人民的生命財產(chǎn)安全。這對于現(xiàn)實生活具有重要的意義。 2. 電路圖分析及調(diào)試 電路圖 1. 電路原理：接通電源，給 555 時基集成電路提供約 10V 的直流電壓；另外經(jīng) R?分壓后給氣敏傳感器 QM-2 提供約 5V 的直流加熱電壓。 正常狀態(tài)時，無泄漏氣體，氣敏傳感器 QM 的 A,B 之間的電導率很小，電 阻很大（在圖中等效于 R3), 55

21、5 時基集成電路的 4 腳為低電平（ <0.7V) （調(diào) 節(jié)電位器 RP6 決定），多諧振蕩器不工作，揚聲器不發(fā)聲。當可燃氣體達到一 定濃度時，氣體傳感器 QM-2 的 A,B 之間的電導率迅速增大 （電阻很?。?，555 時基集成電路的 4 腳變?yōu)楦唠娖?，多諧振蕩器工作，揚聲器發(fā)出報警聲。 2. 調(diào)試：接通電源，測量氣敏元件加熱電阻絲兩端電壓，應有 5V 左右直 流電壓，氣敏元件的加熱電阻絲應預熱數(shù)分鐘。調(diào)節(jié) RP6，使 555 時基集成電路的 4 腳電壓小于 0.7v，這時報警器不工作，揚聲器不發(fā)聲。再將少量待測氣體噴在氣敏傳感器 QM 附近，調(diào)

22、節(jié) RP1 使揚聲器報警。調(diào)節(jié) RP1，可改變裝置靈敏度，調(diào)節(jié) RP2，可改變報警聲調(diào)。 簡單的就是這些， 具體調(diào)試還是遇到很多問題， 開始時，電阻絲直接接 10V 的電壓上加熱，而加熱的標準電壓是 5V，一開始想到用 7805 穩(wěn)壓器實現(xiàn)，試 了下效果不理想，后來才想到辦法，測量了下加熱絲的電阻為 50 歐姆，于是果斷想到串聯(lián)了一個同阻值的電阻進行分壓，但找遍了實驗室也沒找到這樣的電阻，空耗了大量的時間，后來看到了滑線變阻器有了靈感，就用電位器 代替了電阻，分壓問題得到解決。 QM-2在圖上是 4 個引腳，而實物有 6 個引腳，導致無法識別，通過用萬能表檢測每兩個腳之間的導

23、通情況，發(fā)現(xiàn)有兩 對腳是導通的，還有兩對腳之間的阻值大小是差不多的，十幾兆歐，還有一隊是幾十歐，初步判別這個阻值為幾十歐的對腳為加熱絲。通過查閱資料知原來實際的氣敏傳感器 A,B 對腳有兩對，作為備用的，這才正確地把氣敏傳感器接入電路。經(jīng)過檢查實物連接無誤，導通情況正常后接下電源，過五分鐘后加酒精，毫無反應，于是對電路產(chǎn)生重大懷疑，全部拆了重新接了一遍，再認真看了書上的電路圖，原來我是用的不是電解電容，重新?lián)Q了電解電容再試，終于有反應了，感覺到自己的努力沒白費。成功之后，再對電路進行了一些改善，以提高裝置的靈敏度。 五．心得體會 作

24、為大學生涯中的第二次電子類課程設計，還是有很多感想的，第一天開會大家選題目，最終確定為家庭煤氣泄漏報警裝置的設計，接著去圖書館查閱了相關(guān)資料，并在網(wǎng)上找相關(guān)電路圖，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)上還是挺少的，就把目標鎖定在書本上，書本上的電路圖還是挺多的，大部分電路圖比較簡單，元器件相對比減少，于是挑選了一個電路圖，由于實驗室有直流穩(wěn)壓電源，所以略去 7812 集成穩(wěn)壓器不用，也帶來了不少方便，通過簡單地分析電路圖，主要有 NE555時基集成電路構(gòu)成，在查閱了大量的 555 相關(guān)資料后，基本看懂了電路圖，接著就開始畫電路圖仿真，畫電路圖還是遇到一些問題，不過在同 學們的幫助下都一一解決了，仿真時暫時用 LED

25、發(fā)光二極管代替蜂鳴器，通過對電路圖的分析，仿真成功了，這花了不少時間，這主要得益了團隊的力量，要不是多問同學，一個小小的問題都可能阻礙你半天。仿真成功后，就 開始連接實物圖了，連接實物圖錢，先對氣敏元件 MQ-2 的相關(guān)參數(shù)進行檢測，如加熱絲的電阻， A,B 間的電阻，這都是重要參數(shù)，電路圖連好后，就接上電源進行測試，在測試的過程出現(xiàn)了好多意外情況，電阻還出現(xiàn)負數(shù)，開始以為是萬用表的問題，后來請同學分析知原來我是開著電源測量電阻的，這樣會受到萬用表內(nèi)部電路的影響，測量結(jié)果肯定不準確，于是便采用了正確的測量方式。實物測試也經(jīng)歷了不少失敗，電路也重新連接了好幾次，不知道是氣敏

26、元件不敏感還是電路調(diào)節(jié)不當，當把氣體弄上去時，沒有第一時間報警，然后在接電源的情況下，通過測量各點的電壓，總算找到一些錯誤，通過對電路的不斷分析，檢測和完善，總算達到了預期的結(jié)果。 為期兩周的傳感器課程設計真的讓我體驗到了好多東西，也學到了好多，其中最重要的是團隊的力量是強大的，當你遇到問題時，你可能執(zhí)迷不悟好長時間，當你想過之后再去問同學，則能收獲很多你想不到的結(jié)果。同時也感謝老師對我們的督促，每天發(fā)言，可以說出自己設計過程中遇到的麻煩，然后當面解決他。課程設計這個過程及其思想是非常重要的，也許結(jié)果并不是最重要的，你探索這個結(jié)果的過程是我們應該重視的。 六．參考文獻 傳感器技術(shù)大全，張宏潤 北京航空航天大學出版社 傳感器技術(shù)及應用 樊尚春 北京航空航天大學出版社 七．作品展示