厨房天然气泄漏报警系统

目录

1 课程设计目的 (1)

2 课程设计题目 (1)

3 课程设计内容及要求 (1)

3.1设计内容 (1)

3.2设计要求 (1)

4 总设计方案 (1)

4.1传感器的选择 (1)

4.2放大电路的选择 (3)

4.3单频音报警系统的选择 (4)

4.4控制电路的选择 (5)

5 电路设计 (5)

6 系统原理 (5)

结论 (6)

参考文献 (7)

1 课程设计目的

天然气锅灶的普遍给我们的生活带来了很大的便利，在日常生活中占据着很重要的地位。但是由于管道设备的老化，地理、气候条件等等各种因素的影响以及人为的破坏，经常会造成泄漏事故。天然气一旦泄漏，不仅会带来经济上的损失和环境污染，还会发生火灾和爆炸，造成财产损失和人员伤亡事故。因此，日常生活中对天然气泄漏的监测十分必要。本次的课程设计，就是要设计出一种能够检测天然气浓度在达到一定高度时自动报警和打开抽烟机的传感器系统设备。

2 课程设计题目

厨房天然气泄漏报警系统

3 课程设计内容及要求

3.1设计内容

采用电阻式气敏传感器，通过电压比较器控制电路通断以及放大电路放大信号、555定时器电路控制蜂鸣器的运转以及接触器，来实现当厨房中天然气（CH4）浓度大于1000ppm时，用蜂鸣器报警并发出控制信号，启动抽油烟机。

3.2设计要求

1.掌握传感器的工作原理及相应的辅助电路设计方法。

2.独立设计原理图及相应的硬件电路。

3.设计说明书格式规范，层次合理，重点突出。并附上详细的原理图。

4 总设计方案

4.1传感器的选择

气敏传感器实现检测气体的机理有多种。可利用待检测气体的物理吸附作用，如湿度传感器利用吸附水的传导作用引起表面电导率变化，获得电信号；或是由吸附水引起电容变化，由静电电容的变化取得电信号；利用待测气体的化学吸附与反应引起表面附近的电子或空穴浓度变化而使表面电导率变化，这类敏感元件有Zn、SnO2等，用于检测可燃气、CO2、N2类等;利用气体成分的反应性如催化燃烧式可燃性气体传感器利用可燃性气体在元件表面催化燃烧是因升温而引起的铂丝电阻变化，测出可燃性气体的浓度，利用待测气体对固体的分配平衡，如半导体氧敏元件和体电导体半导体可燃性气敏元件，属于这类的有TiO、CoO等，可用于氧气、煤气、液化气、酒精等的检测；还可利用气体成分的选择性透过，如固体电解氧敏元件，当元件两侧的氧浓度不同时，形成浓差电池电动势也不同，这就是可用来检测氧浓度的变化，这类有ZrO2-CaO、ZrO2-Y2O3、ZrO2-MgO、TrO2-Y2O3等。

以氧化物半导体为基质材料的气敏元件，已发展为包括烧结型、厚模型、薄膜型、集成型等多种气敏元件。除半导体表面吸附气体发生电子传递的表面型气敏半导体外，还发现了半导体吸附气体后与体内发生电子传递的体电导气敏半导体和气体分子在金属半导体接触面上产生电子传递的结型气敏半导体。

在本次设计中，从检测对象来看，天然气的主要成份是CH4，所以设计时选择电阻式气敏传感器QM-N10来检测气体。电阻式气敏电阻传感器的敏感

原件多采用半导体材料如SnO2，当这种半导体材料表面某些气体时，其电导率将随气体浓度的变化而变化。

SnO2是由许多晶粒组成的N型多晶体，其内部电阻值可以等效为三种：晶粒与晶粒之间的晶间电阻Rn，单个晶粒的表面电阻Rs和单个晶粒的体电阻Rb，三类等效电阻串联连接；其中体电阻不受吸附气体影响，而表面电阻Rs 和晶间电阻Rn的阻值则随吸附气体的浓度变化。又由于Rn≥Rs，故晶体电阻以晶间电阻Rn等效。它适合检测天然气，煤气，液化石油气，氢气，一氧化碳，烷类气体，烯类气体，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨类蒸汽，醚蒸汽及烟雾等。它具有以下几个特点：1、用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）；2 灵敏度高；3、响应速度快；4、输出信号大；5、寿命长，工作稳定可靠。

QM-N10型气敏传感器的参数

4.2放大电路的选择

本设计放大电路采用高精度、低温漂的运放ICL7650。ICL7650采用14脚双列直插式和8脚金属壳两种封装形式.图2.3所示是最常用的14脚双列直插式封装的引脚排列图。引脚功能说明:

CEXTB:外接电容；CEXTA:外接电容；-IN:反相输入端；+IN:同相输入端；

V-:负电源端；

CRETN:CEXTA和CEXTB的公共端；

OUT CLAMP:箝位端；

OUTPU:输出端；

V+:正电源端；

INT CLKOUT:时钟输出端；

NT/EXT:时钟端；

EXT CLKIN:时钟输入端。

可通过该端选择使用内部时钟或外部时钟.当选择外部时钟时.该端接负电源端V- ,并在时钟输入端(EXT CLKIN)引入外部时钟信号.当该端开路或接V+ 时.电路将使用内部时钟去控制其它电路的工作。

4.3单频音报警系统的选择

实现单频音报警的接口电路比较简单，其发音元件可采用压电蜂鸣器，这种蜂鸣器只需在其两引线上加3~5V的直流电压，约需10mA的驱动电流，就能产生3KHZ左右的蜂鸣震荡音响，比电研式蜂鸣结构简单，耗电少，适宜结构简单的报警电路。

4.4控制电路的选择

本系统的控制电路采用电压比较器电路，通过电压的正负来确定输出的电压是正还是负流经单向导通的二极管来控制电路的通断。以及555定时器电路，该电路四个引脚都输入正电压时，定时器工作，输出正向电压。

5 电路设计

天然气泄漏报警系统的总电路图：

6 系统原理

按如上电路图连接电路。接通220V的家用电路电源，先通过降压电路获得所需要的低压，然后再通过桥式整流电路，获得直流电压电源。再经过一个7808分压，给电阻式气敏传感器输入一个8V的直流工作电压。

调节滑动变阻器R2，使电压比较器的负极参数为当甲烷浓度为1000ppm 时的电压。在正常空气中，QM-N10两电阻之间的电阻高达几千欧姆，所以流经R1的电流很小。流过IC3负极的电压大于流过它正极的电压，所以电压比较器的输出端输出的是负电压，在单向导通的LED管中是不能导通的，所以555定时器电路不能导通工作。

当空气中甲烷浓度上升时，QM-N10两电阻之间的阻值急速下降，流过的电流急速增加。当甲烷浓度大于1000ppm时，电压比较器正极的电压大于负极的电压，所以输出正电压。此时接到555定时器四角的电压皆为正电压，所以555定时器工作，输出端导通，输出正向电压，LED灯亮，蜂鸣器鸣叫报警。

与此同时，接触器正向导通，接触器线圈的得电，常开触点闭合，而该常开触点串联在抽油烟机的回路中充当开关，此时该触点闭合，抽油烟机接通，自动开始工作。至此，该系统就完成了当厨房空气中甲烷浓度大于1000ppm 时，警报器发出警报，同时打开抽油烟机排出易燃易爆气体的全部要求。

结论

本次课程设计是要设计一个天然气泄漏报警系统，并自带打开抽油烟机开关的功能。该课题的第一个难题是信息采集。因为被测对象是气体，具体的

说，是天然气，一种易燃易爆的危险气体。要测量它的浓度，不是一般的传感器能做到的，所以我们想到了气敏传感器。而气敏传感器有很多种，本次课程设计需要检测的是天然气，其主要成分是CH4，所以就用所以选用QM-N10气敏传感器。QM-N10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。它适合检测天然气，煤气，液化石油气，氢气，一氧化碳，烷类气体，烯类气体，汽油，煤油，柴油，乙炔，氨类蒸汽，醚蒸汽及烟雾等。选好气敏传感器后信息采集就得到了解决。

第二个问题是，系统中的主要电气原件几乎是低压驱动，不能直接接在220V的家用电源上，所以首先还需要设置一个降压电路。

遇到的第三个难题是555电路那边，设置的参数需要计算。因为我电工电子没有学好，计算那个参数真的是十分困难。后来在同组同学的帮助下，再加上去翻阅相关资料，终于算出了设置参数。

第四个问题是，在甲烷浓度达到1000ppm时，除了报警还需要自动打开抽油烟机的开关，要完成这个要求可能需要用到单片机，但是我们确定制作这个系统没有单片机程序，所以最终想到了用接触器，利用接触器线圈得电触点工作的原理。将接触器的常开触点串在抽油烟机回路上，充当开关。当浓度达1000ppm时接触器线圈得电常开触点闭合，启动抽油烟机。

参考文献

1 李巍.基于检测甲烷气敏传感器的制备和研究[D].福建福州:福州大学，2006

2 吴旗. 传感器及应用[M].北京: 高等教育出版社，2010

3 陈裕泉,葛文勋.现代传感器及其应用[M].北京:科学出版社,2007

4 孙余凯,吴鸣山,项绮明.传感器应用电路300例[M].北京:电子工业出版社，2008

5 秦曾煌,姜三勇.电工学.下册,电子技术[M].北京:高等教育出版社,2011