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1、电子技术应用与产品制作电子技术应用与产品制作张伟敏（实验二）有害气体报警电路的设计（实验二）有害气体报警电路的设计第一讲第一讲 设计思路及工作原理设计思路及工作原理v一、实验目的一、实验目的 通过有害气体报警电路的设计、安装和调试，要求学会：通过有害气体报警电路的设计、安装和调试，要求学会： （1 1）选择变压器、整流二极管、传感器、电阻、电容、运算放大器、选择变压器、整流二极管、传感器、电阻、电容、运算放大器、555定时器、继电器及集成稳压器来设计有害气体报警电路；定时器、继电器及集成稳压器来设计有害气体报警电路； （2 2）掌握有害气体报警电路的工作原理及测试方法。掌握有害气体报警电路的工
2、作原理及测试方法。v二、设计任务要求二、设计任务要求 1 1、设计任务、设计任务 设计一个有害气体的检测电路，能检测到室内或相应环境的有害气体浓度设计一个有害气体的检测电路，能检测到室内或相应环境的有害气体浓度超标现象，并进行及时报警，同时安装有排气通风装置，能及时排出室内有超标现象，并进行及时报警，同时安装有排气通风装置，能及时排出室内有害气体。害气体。 2 2、设计要求、设计要求 本课题主要完成以下几个部分的设计：本课题主要完成以下几个部分的设计： 直流电源部分：为系统各部分提供稳定、可靠的直流电。直流电源部分：为系统各部分提供稳定、可靠的直流电。 信号采集及处理电路：由气敏传感器及附属电
3、路组成。传感器将空气中的信号采集及处理电路：由气敏传感器及附属电路组成。传感器将空气中的有害气体浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。有害气体浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。 声光报警电路：在有害气体浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，声光报警电路：在有害气体浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号，提醒人们空气中的有害气体浓度已超出允许范同时驱动扬声器产生音频信号，提醒人们空气中的有害气体浓度已超出允许范围，应及时撤离现场；在空气洁净时，电路应以不同的灯光提示，表明安全。围，应及时撤离现场；在空气洁净时，电路应以不同的灯
4、光提示，表明安全。 排气通风装置：在有害气体浓度超标时，设计对应的电路驱动通风装置排气通风装置：在有害气体浓度超标时，设计对应的电路驱动通风装置（如排气扇）工作，以迅速降低有害气体浓度。（如排气扇）工作，以迅速降低有害气体浓度。v三、基本原理三、基本原理 1 1、电路框图、电路框图 2 2、电路原理图、电路原理图 3 3、工作原理、工作原理（1 1）直流电源）直流电源 直流电源由电源变压器、桥式整流电路、滤波器、稳压电路等四个组成部分直流电源由电源变压器、桥式整流电路、滤波器、稳压电路等四个组成部分组成。组成。 本系统所需的是本系统所需的是12V12V和和5V5V的直流电，因此要利用变压器将的
5、直流电，因此要利用变压器将220V220V的市电先降至合适的交流电压（本电路需先降至的市电先降至合适的交流电压（本电路需先降至15V15V交流电压），交流电压），然后再将变压器次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所然后再将变压器次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。需要的直流电压幅值。 桥式整流电路将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电桥式整流电路将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。压。 滤波电路由电容元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电滤波电路由电容元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。压中交
6、流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。 稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。电源稳压常采用三端集成稳压或负载电流发生变化时保持稳定。电源稳压常采用三端集成稳压器，本设计可以采用三端集成稳压器压器，本设计可以采用三端集成稳压器W7812W7812和和W7805W7805，它具有体，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本廉，只有三个引出端子，分别接输入
7、端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，使用方便、安全。路，使用方便、安全。 W7812 W7812电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。上保护电路和启动电路。 信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，路需要用气体传感器，将被检
8、测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。以利于后面的信号处理电路进行处理。 气敏传感器气敏传感器 按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型又分为电阻型和非电阻型两类。又分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件电阻型半导体气敏元件是用氧化锡、氧化锌等金是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。非电阻式半导体气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特
9、性变化对气体进行直接或间气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。接检测。 （2 2）信号采集及处理电路）信号采集及处理电路主要物理主要物理特性特性类型型气敏元件气敏元件检测气体气体电阻阻型型电阻阻表面控制型表面控制型SnOSnO2 2、ZnOZnO等的等的烧结体、薄膜、体、薄膜、厚膜厚膜可燃性气体可燃性气体体控制型体控制型LaLa1-x1-xSrCoOSrCoO3 3、T-FeT-Fe2 2O O3 3、氧化、氧化钛酒精、可燃性气体、酒精、可燃性气体、氧气氧气非非电阻阻型型二极管整二极管整流特性流特性表面控制型表面控制型铂- -硫化硫化镉、铂- -氧化氧化
10、钛（金属（金属- -半半导体体结型二极管）型二极管）氢气、一氧化碳、酒气、一氧化碳、酒精精晶体管特性晶体管特性铂栅、钯栅M0sM0s场效效应管管 氢气、硫化气、硫化氢 电阻型半导体气敏元件的工作原理：电阻型半导体气敏元件的工作原理： 电阻型半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表电阻型半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体（主要是金属氧化物）表面接触时的电导率等物性的变化来检测气体。电阻型半导体气敏器件被加热到稳面接触时的电导率等物性的变化来检测气体。电阻型半导体气敏器件被加热到稳定状态下，当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散定状态下，当气体接触器件表
11、面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解（物理吸附），失去其运动能量，其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和而固定吸附处（化学吸附）。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体力，则吸附分子从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体有有O O2 2和和NONO2 2，称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件的功函数大于吸附分子，称为氧化性气体或电子接收性气体。如果器件
12、的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有附倾向的气体有H H2 2、COCO、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给气体。、碳氢化合物和酒类等，称为还原性气体或电子供给气体。 当氧化性气体吸附到当氧化性气体吸附到N N型半导体上，还原性气体吸附到型半导体上，还原性气体吸附到P P型半导体上时，将使型半导体上时，将使载流子减少，而使电阻增大；相反当还原性气体吸附到载流子减少，而使电阻增大；相反当还原性气体吸附到N型半导体上，氧化性气体型半导体上，氧化性气体吸
13、附到吸附到P型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。型半导体上时，将使载流子增多，使电阻下降。 空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧气的吸附也是恒定的，气敏器件的空气中的氧成分大体上是恒定的，因而氧气的吸附也是恒定的，气敏器件的阻值大致保持不变。如果被测气体流入这气氛中，器件表面将产生吸附作用，器阻值大致保持不变。如果被测气体流入这气氛中，器件表面将产生吸附作用，器件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系，即可得知被测气体的件的阻值将随气体浓度而变化，从浓度与阻值的变化关系，即可得知被测气体的浓度。浓度。 电压比较电路电压比较电路 电压比较电路用电压比较器实现。电压比较器是由运算放
14、大器发展而来的，电压比较电路用电压比较器实现。电压比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 电压比较器是对两个模拟电压比较大小（也有两个数字电压比较的，这里电压比较器是对两个模拟电压比较大小（也有两个数字电压比较的，这里不介绍），并判断出其中哪个电压高。不介绍），并判断出其中哪个电压高。 （3 3）触发电路）触发电路 触发电路作用就是用触发电路作用就是用555555组成双稳态触发电路，由其
15、输入状态改变输出状态，组成双稳态触发电路，由其输入状态改变输出状态，触发后续的执行电路。触发后续的执行电路。 555 555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-SR-S触发器、触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定
16、时器及施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压电压- -频率变换电路等，用途十分广泛。频率变换电路等，用途十分广泛。 555555芯片逻辑功能表芯片逻辑功能表脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚0 0X XX X0 0导通（通（0 0）1 11 11 10 0导通（通（0 0）1 10 00 01 1截止（截止（1 1）1 10 01 1原原态原原态1 11 10 0不定（禁止）不定（禁止）不定（禁止）不定（禁止）应用应用LM555LM555组成双稳态触发电路如下：组成双稳态触发电路如下： 2 2、电路原理图、电路原理图 当空气洁净时，因气敏传感器电阻大，当空气洁净时，因气敏
17、传感器电阻大，R1R1和和R6R6分压小，比较器的输出为低分压小，比较器的输出为低电平，即电平，即V2V2和和V6V6都为低电平，由功能表可知：都为低电平，由功能表可知：V3V3为高电平，即为高电平，即NE555NE555置位，此时置位，此时继电器和继电器和D2(LEDD2(LED，红）均不工作；同时，红）均不工作；同时 为低电平，放电管为低电平，放电管V V截止，相当断开，截止，相当断开，此时此时D1D1（LEDLED，绿）通过电阻，绿）通过电阻R4R4导通而发光。导通而发光。 当空气中存在有害气体时，因气敏传感器电阻变小（约为当空气中存在有害气体时，因气敏传感器电阻变小（约为466 466
18、 ）而使）而使R1R1和和R6R6分压值增大，比较器同相输入端电压高于反相输入端，故分压值增大，比较器同相输入端电压高于反相输入端，故V2V2和和V6V6同时为高电同时为高电平，且复位端电压平，且复位端电压V4V4也为高电平，由功能表可知：也为高电平，由功能表可知：V3V3为低电平（为低电平（V3V3相当接近相当接近0V0V）,D2,D2（LEDLED，红）导通发光，又，红）导通发光，又 为高电平，放电管为高电平，放电管V V导通放电，将导通放电，将D1D1（LEDLED，绿）短路。同时继电器动作，使其常开两触点接通，从而驱动声光报警电路，绿）短路。同时继电器动作，使其常开两触点接通，从而驱动
19、声光报警电路及排气通风装置工作。及排气通风装置工作。（4 4）声光报警电路）声光报警电路 该报警电路包括光报警电路、声音报警电路两个报警电路，下面简单介该报警电路包括光报警电路、声音报警电路两个报警电路，下面简单介绍这两个报警电路的组成部分。绍这两个报警电路的组成部分。 光报警电路部分光报警电路部分 该电路部分由两个发光二极管（绿、红）及其附属电路组成。该电路部分由两个发光二极管（绿、红）及其附属电路组成。 声音报警电路部分声音报警电路部分 该电路部分由四声集成芯片该电路部分由四声集成芯片KD153KD153、扬声器及其附属电路组成。具体电路、扬声器及其附属电路组成。具体电路如下所示：如下所示
20、：其中继电器是一组触头开关，一个是常开触点，一个是常闭触点。其中继电器是一组触头开关，一个是常开触点，一个是常闭触点。使用条件如下：使用条件如下： 环境温度：环境温度：55558585； 相对温度：相对温度：4040时，达时，达98%98%； 大气压力：达大气压力：达4400Pa4400Pa； 振动：振动：1010500Hz500Hz，加速度达，加速度达49m/s49m/s2 2 ； 离心加速度：达离心加速度：达245m/s245m/s2 2； 工作电压：工作电压：12V12V； 线圈电阻：线圈电阻：5010%5010%； 吸合电压吸合电压9V9V； 释放电压释放电压2V2V； 工作位置：任意
21、。工作位置：任意。 电磁继电器是一种利用电磁力来切换触点的开关型电器。电磁继电器是一种利用电磁力来切换触点的开关型电器。 电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称MERMER。它在电路中的文字符号为。它在电路中的文字符号为“K”“K”或或“KA”“KA”、“KR”(“KR”(旧标准为旧标准为“J”)“J”)。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的线圈线圈J J、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在线圈未通电时，触点、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在线圈未通电时，触点1 1、2 2是闭合的，是闭合的，称常闭触点。称常闭触点。1
22、1、3 3触点是断开的，称常开触点。线圈得电后则触点是断开的，称常开触点。线圈得电后则1 1、3 3接通，接通，1 1、2 2断开。断开。1 1、2 2、3 3三个触点为一组，继电器可以带多达三个触点为一组，继电器可以带多达7 7组触点。下图为电磁继电器图形符号组触点。下图为电磁继电器图形符号及触点的图形符号。及触点的图形符号。 常开触头开关中接的是音乐片常开触头开关中接的是音乐片KD153KD153或或KD9561KD9561，放大管及扬声器。由于在设，放大管及扬声器。由于在设计时不用音乐片也可以，但扬声器发出的声音比较烦躁，若发生紧急情况将会给计时不用音乐片也可以，但扬声器发出的声音比较烦
23、躁，若发生紧急情况将会给人们的心理上增加负担，所以采用音乐片以提高悦耳感。人们的心理上增加负担，所以采用音乐片以提高悦耳感。 当发现有害气体超标时，继电器发生动作，常开触点闭合，常闭触点断开，当发现有害气体超标时，继电器发生动作，常开触点闭合，常闭触点断开，音乐片工作，通过三极管的放大作用推动扬声器工作，发出声音报警。音乐片工作，通过三极管的放大作用推动扬声器工作，发出声音报警。 在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为瞬间高压提供一个泄放回路，在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为瞬间高压提供一个泄放回路，以保护电路。继电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或以保护电路。继
24、电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或闭合，当继电器正常通电时，闭合，当继电器正常通电时，D1D1截止，当继电器在断电时，线圈会产生感应电动截止，当继电器在断电时，线圈会产生感应电动势，极性为上势，极性为上下下，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此时电，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此时电路中的电流极大，若无二极管的保护，电流会向前一级流动，则发生灌电流损坏路中的电流极大，若无二极管的保护，电流会向前一级流动，则发生灌电流损坏电路。二极管就是恰好构成了冲击电流的泄放回路，不至于发生灌电流现象。电路。二极管就是恰好构成了冲击电流的泄放回路，不至于发生灌电流现象。 （5 5）排气通风装置）排气通风装置 具体电路如下：具体电路如下： 当空气中有害气体超标时，继电器动作，常开触点接通，驱动风扇工作，当空气中有害气体超标时，继电器动作，常开触点接通，驱动风扇工作，降低空气中有害气体的浓度，以确保室内人员的生命安全。降低空气中有害气体的浓度，以确保室内人员的生命安全。 当空气中有害气体不超标时，继电器不动作，常闭触点接通，排气通风装当空气中有害气体不超标时，继电器不动作，常闭触点接通，排气通风装置不工作。置不工作。设计电路原理图如下：
