内容摘要………………………………………………………… 2 第1章
课程设计的目的和要求……………………………3 1.1 课程设计目的……………………………………3 1.2 课程设计题目和任务…………………………… 3 1.3 课程设计要求…………………………………… 4 第2章
总体设计………………………………………4
2.1 方案1…………………………………………… 4 2.2 方案2 …………………………………………… 5 2.3 方案3…………………………………………… 6 2.4 方案比较………………………………………… 7 2.5 方案选择………………………………………… 7 第3章气敏传感器的选择…………………………… 8 3.1 MC101……………………………………………… 8 3.2 QM-N5……………………………………………… 9 3.3 MQ-2………………………………………………… 10 3.4 气敏传感器的选择……………………………… 14 第4章单元电路设计…………………………………… 14 4.1 电源电路………………………………………… 14 4.2 气敏探测电路……………………………………… 14 4.3 555集成电路……………………………………… 15 4.4 555定时器无稳态音频振荡电路…………………… 16 第5章设计总结…………………………………………… 18 参考文献………………………………………………20 附录一设计电路原理图……………………………21 附录二实物图…………………………………………… 22
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天然气泄漏报警装置说明书
内容摘要
关键词：气敏传感器 报警电路
第1章课程设计的目的和要求
1.1 课程设计目的
传感器原理课程设计是《传感器原理》课程的一个重要的实践性教学环节，其目的在于：进一步巩固和加深学生所学的理论知识；培养学生运用理论知识独立解决有关本课程实际问题的能力，使学生对传感器的工作原理、设计理论和应用有较完整、系统的概念；使学生掌握传感器的选用原则、总体电路设计及元器件的选择的方法；进一步提高学生的绘图、计算和使用技术资料的能力。
此次我们做的设计题目是天然气泄漏报警装置，关于天然气我们可能都有所了解，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
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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，危及人的生命安全。由此我们这次课设的目的成在天然气达到一定浓度时装置发出警报，以使人们能及早的发现天然气的泄露，做出应对措施，是安全隐患及时消除。 1.2课题设计题目和任务
天然气泄漏报警装置，工作要求：利用气敏传感器设计一个天然气泄漏报警器，要求有 检测，报警输出。需完成的任务有：
（1）敏传感器测量某环境天然气浓度；
（2）当浓度超过设定值时蜂鸣器报警，发光二极管发光； （3）能够根据需要设定上下限报警浓度； （4）利用Protel绘制电路图； （5）焊接电路板。 1.3课程设计要求
根据给定的设计任务，综合运用所学知识，合理选择传感器类型，拟定总体电路设计方案，并对电路中的元器件进行选择和相关计算，绘制电路图，并焊接相应电路板。在课程设计过程中，学生应有效地结合本课程的基本理论和方法，广泛查阅传感器手册和相应技术资料，合理设计相应电路，完成任务要求。学生应在教师指导下独立完成设计任务。
第2章 总体设计
2.1 方案1
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该方案主要由电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭天然气装置电路等五部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测天然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天然气装置电路；报警器主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警；自动关闭天然气装置电路负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即关闭煤气装置，使其停止工作。其原理框图如图2.2所示。
电源 电路 气敏 探测 电路 信号放大器 报警器 自动关闭煤气装置电路
图2.1 方案1原理框图
2.2 方案2
该方案主要由电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V的直流稳压电源；气敏探测电路负责探测天然
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气浓度及将其转化为电信号，并将采集到的信号传给单片机部分；单片机部分主要负责处理接收到的信号，并将处理后的信号分别传输给报警器和自动关闭天然气装置电路；报警器主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即发出报警；自动关闭天然气装置电路负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立即关闭天然气装置，使其停止工作。其原理框图如图2.3所示。
电源 电路 气敏 探测 电路 单片机部分 报警器 自动关闭煤气装置电路
图2.2 方案2原理框图
2.3 方案3
该方案主要由电源电路、气敏探测电路、555时基电路的气体报警电路三部分组成。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；报警电路主要负责当天然气浓度达到一定的危害程度时立
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即发出报警。当无气体时，气敏传感器电阻很大，由于电位器Rp滑动触点的输出电压小于0.7V，555集成电路的4脚被强行复位，振荡器处于不工作状态，报警器不发声响。当周围空气有气体时，气敏传感器的电阻减小，555集成电路4脚变为高电平，振荡器电路起振，蜂鸣器发出报警声。
电源 电路 气敏 探测 电路 555振荡报警电路
图2.5 方案3原理框图
2.4方案比较
上面三个方案都是设计的煤气报警器，本质上都相同，只是实现方法上有些差别。方案一采用了电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功能。方案二采用了电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功能。方案三采用简单定的电源电路、气敏探测电路、555时基电路的气体报警电路实现检测报警装置。三种方案的主要区别在于：方案一相对于方案一来说主要区别在于缺少了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之的是自动关闭煤气装置电路，现在只具有关闭煤气的功能，缺少了处理泄漏煤气的环节，同时在处理采集到的信号时采用了信号放大
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器，通过对信号的放大来实现信号的高效传输。方案二相对于方案一来说主要区别在于缺少了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之的是自动关闭煤气装置电路，现在只具有关闭煤气的功能，缺少了处理泄漏煤气的环节，同时在处理采集到的信号时采用了单片机，通过单片机的高集成性来处理采集到的信号。方案三使了气
敏探测电路和555定时器的多谐振荡来实现报警功能
2.5 方案选择
经过对三个方案从各方面的比较，我选择了第三种方案，原因是方案一和方案二虽然都能实现煤气检测及报警功能，而且实现起来也比较简单，但是与三比较起来，还是方案三比较容易实现，材料容易买到，555定时器灵敏度高，功能灵活，在电子电路中应用也比较广泛。
第3章 气敏传感器的选择
3.1 MC101 1.主要特点及应用 ·桥路输出电压呈线性
·响应速度
快 ·具有良好的重复性，选择
性 ·元件工作稳定、可靠
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·优异的抗H2S、有机硅中毒能力
·工业现场的天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽的浓度检测。
·可燃性气体泄漏报警器；可燃性气体探测器；气体浓度计。 ∮主要技术参数: 产品型号 产品类型 标准封装 工作电压(V) 工作电流(mA) 灵敏度(mV) 1%甲烷 1%丁烷 1%氢气 MC101 载体催化元件 塑料封装 3.0±0.1 110±10 25~50 30~50 25~45 ≤5 0~100 小于10秒 小于30秒 -40－+70℃ 低于95%RH -20—+70℃ 低于95%RH Φ12mm×8mm 线形度（%） 测量范围（％LEL） 响应时间 (90%) 恢复时间 (90%) 使用环境 储存环境 外形尺寸（mm） 3.2 QM-N5 1.QM-N5特点
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QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
特点： 1、 2、 3、 4、 5、 3.3 MQ-2
1.MQ-2 烟雾传感器的应用与优点
1)可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。注意:更确切的说MQ-2 是一款可燃气体探测器。
2)广泛的探测范围,高灵敏度/快速响应恢复,优异的稳定性/寿命长,简单的驱动电路。
2.MQ-2 原理、特性与结构 MQ-2 工作原理
MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N 型半
导体。当处于200~300°C 温度时,二氧化锡吸附空气中的氧,形成氧的负离子吸附,使半导体中的电子密度减少,从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时,如果晶粒间界处的势垒受到该烟雾的调制而变化，引
用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等） 灵敏度高 响应速度快 输出信号大
寿命长，工作稳定可靠
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起表而电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息,烟雾浓度越大,电导率越大输出电阻越低。 MQ-2 的特性
1) MQ-2 型传感器对天然气等有很高的灵敏度,尤其对烷类烟雾更为敏感具有良好的抗干扰性,可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息,。
2) MQ-2 型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定,响应时间短,长时间工作性能好注意:【使用前必须先加热一段时间,否则其输出的电阻和电压不准确】。 3) 其检测可燃气体与烟雾的范围是100-10000ppm 4) 电路设计电压范围宽,24V 以下均可;加热电压5±0.2V 。 3．MQ-2 的计算公式 MQ-2 的计算公式
阻值R 与空气中被测气体的浓度C 的计算关系式(SNO2)敏感元件的阻值R 与空气中被测气体的浓度C 成对数关系变化可参考公式3-1: logR=mlogC+n(m、n 均为常数)(3-1)
n 与气体检测灵敏度有关,除了随传感器材料和气体种类不同而变化外,还会由于测量温度和激活剂的不同而发生大幅度的变化。另一方面,m 表示随气体浓度而变化的传感器的灵敏度(也称之为气体分离率)。对于可燃性气体来说, m 值多数介于1/2 至1/3 之间。
传感器的电阻的计算
参考MQ-2datasheet 可用下式3-2 计算: Rs=(Vc/V RL -1)×R L (3-2)
式中Vc为回路电压,V RL 是传感器4 脚、6 脚输出的电压即U
shuchu ,R L 是负载电阻。更具上式即可即可算出传感器电阻Rs。 MQ-2 传感器的输出电压 MQ-2 传感器的输出电压计算:
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根据MQ-2 的工作原理(其电导率随着气体浓度的增大而增大,其电阻是电
导率的倒数,所以其电阻是减小的,其特性相当于一个滑动变阻器)并且参考图
MQ-2 Datasheet 上的测试电路,在根据哥设计的实际电路如图3。可以得到下 面的公式3-3:
U shuchu=(R11/R11+Rs)*V c (3-3)
Vc为回路电压即电源电压,其加在MQ-2 传感器的1 脚、3 脚之间。U shuchu
是传感器4 脚、6 脚输出的电压,Rs为传感器的体电阻。其中若气体浓度上升,
必导致Rs下降。而Rs的下降则会导致,MQ-2 的4 脚、6 脚对地输出的电压
增大。所以气体浓度增大,其输出的电压也会增大。
4．电阻式气敏器件MQ－2参数 A. 标准工作条件 符号 Vc VH
参数名称 回路电压 加热电压 负载电阻 加热电阻 加热功耗
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技术条件 ≤15V 5.0V±0.2 V 可调 31Ω±3Ω ≤900mW
备注 AC or DC AC or DC
RL RH PH
室温
B. 环境条件 符号 Tao Tas RH O2
参数名称 使用温度 储存温度 相对湿度 氧气浓度
技术条件 -10℃-50℃ -20℃-70℃ 小于 95%RH
21%(标准条件) 最小值大于氧气浓度会影响灵敏度特性
C. 灵敏度特性 符号 Rs
参数名称 技术参数 敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ (1000ppm 异丁烷 )
α浓度斜率 (3000/1
≤0.6
000) 异丁烷
备注 探测浓度范围 100ppm-10000ppm 液化气和丙烷 300ppm-5000ppm 丁烷 5000ppm-20000ppm 甲烷
300ppm-5000ppm 氢气 100ppm-2000ppm 酒精
标准工
温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V±
作条件 0.1V
相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V±0.1V
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备注
２％
预热时间
不超过1小时
MQ-2气敏元件的结构和外形如图所示(结构 A or B), 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固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，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。
3.4气敏传感器的选择
MQ-2适用于甲烷，乙烷等天然气及气态烟雾的检测，而QM-N5较适用于液态的甲烷，煤制气的检测。相对来说MQ-2可检测的气体较多，而且检测范围比QM-N5合适，在市场上MQ-2价格低，便于购买，性价比高，MQ-2的公式计算也较方便查到，QM-N5的检测范围也没有MQ-2广，而MC101适用于甲烷、液化气、丙烷等可燃性气体，电压较低，测量范围也不如MQ-2，所以选择MQ-2来作为本次课程设计的气敏传感器。
第4章 单元电路设计
4.1电源电路
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采用USB供电，简化供电过程，而且使用安全，便于实现供电，符合所选气敏传感器的供电需求。
4.2气敏探测电路
气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP，电路结构图如图4-1所示。气敏元件预热数分钟后，在清洁的空气中，测量极A-A与B-B之间的电阻为一个稳定值，适当调节电位器RP，可使B-B端的电压接近为零（即RP为调零电位器），当气敏元件遇到煤气后，A-A与B-B之间的电阻相继下降，B-B端的电位则上升。利用B-B端的电位去控制555定时器的复位脚。
图4-1
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4.3 555集成电路
报警电路由555时基电路NE555、发光二极管、蜂鸣器及阻容元件等组成，蜂鸣器等组成音频振荡器，其电路结构图如4-2所示。
图4-2
4.4 555定时器无稳态音频振荡器原理
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555 集成电路开始出现时是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但是后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可以用于调光、调温、调压、调速等多种控制以及计量检测等作用；还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，作为交流信号源以及完成电源变换、频率变换、脉冲调制等用途。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，因此目前被广泛用于各种小家电中。
555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体。它的性能和参数要在非线性模拟集成电路手册中才能查到。 555 集成电路是 8 脚封装，其中 6 脚称阀值端（ TH ），是上比较器的输入。 2 脚称触发端（
），是下比较器的输入。 3 脚是
输出端（ V O ），它有 0 和 1 两种状态，它的状态是由输入端所加的电平决定的。 7 脚的放电端（ DIS ），它是内部放电管的输出，它也有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定的。 4 脚是复位端（
），加上低电砰（＜ 0.3 伏）时可使输出成低电
平。 5 脚称控制电压端（ V C ），可以用它改变上下触发电平值。 8 脚是电源， 1 脚为地端。输入电压小于0.7V，4脚被强行复位，3脚没有信号输出，当输入电压大于0.7V时，555定时器启动，输出方波，构成振荡器。
在这次课程设计中利用555时基电路构成无稳态音频振荡器，如图示4-3
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图4-3
第5章 设计总结
经过两周的课程设计，我们基本完成了目标要求，在这个过程中我们遇到了很多的困难，我们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，将所学的知识和传感器电路设计方法相结合，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，又能激发我们对传感器使用的兴趣。
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在这次课设中，通过我们遇到的各种问题，解决问题，加深了我所学知识的理解，锻炼了我在有限的时间里处理相应任务的能力。另外，本课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，通过这次课程设计，我深深体会到与人合作的重要性，我在做课程设计是，一直都是与小组人员合作，大家共同讨论遇到的难题，在解决了一个个问题后，虽然我们的设计基本达到预期的效果，但是经过画图，测试和调试之后，对本专业的知识我们也有了更新的认识。 从这次的课程设计中，我们真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，学习传感器更是如此，只有在认真去思考怎用去应用了的过程中才能提高。感谢李恒灿，师树恒两位老师的指导和帮助，才有了我们这次课设的顺利完成。
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参考文献
1.唐文彦.传感器.第四版.北京:机械工业出版社, 2008. 2.袁希光.传感器技术手册.北京:国防工业出版社,1986.
3.王煜东.传感器应用电路400例.北京:中国电力出版社，2009. 4.梁福平.传感器原理及检测技术.武汉:华中科技大学出版社,2010. 5.张洪润.传感器应用设计300例.北京：北京航空航天大学出版社 2008.
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附录1
设计电路原理图
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附录2 实物图
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