基於傳感器的低成本可燃性氣體泄漏報警器設計

作者 ：admin  來源 ：本站  發表時間 ：2012/10/12 12:33:20  點擊 ：5278

基於傳感器的低成本可燃性氣體泄漏報警器設計

    關鍵字 ：傳感器 報警

    液化石油氣 、煤氣等可燃氣作為燃料常因產生泄漏而造成中毒和火災等事故 。已有的可燃氣體泄漏報警器種類繁多 ，重要用於工業廠礦 ，體積大，價格高 ，難以推廣到家用 。雖然也有一些簡易報警器 ，但也是結構複雜 ，價格偏高 ，推廣到家用比較閑難 。為此研究了用一個簡略的數字和模仿集成電路相聯合的技巧解決了裝置成本高的問題 。研製出了小巧的可燃氣體泄漏報警器 ，它結構簡略 ，成本低廉(主電路元件費隻有3元左右 ，含外殼和電源的全部材料費隻有十幾元) ，且報警敏銳度在傳感器的性能領域內任意可調 。試用成果表明 ，該裝置應用方便 ，效果非常好 ，且隻需簡略改良即可增長把持功效 ，可方便實現主動把持開啟風扇等裝置 。該可燃性氣體泄漏報警器不僅適於家庭 ，也適於工礦企業等利用 ，且其報警敏銳度、報警提示功效、可靠性等優於目前已有產品 。

    1 係統設計優化比較

    目前可燃性氣體泄漏報警器的實現技術分為兩大類 ，一類是以單片機為核心的智能型報警器 ，包括信號調理 、A/D采樣和輸入輸出電路等 ，相對複雜 。另一類完全用硬件實現 ，電路非常複雜 。這兩類技術都采用較複雜的電路解決可燃氣傳感器的初始報警問題 。而初始報警的原因是由於傳感器在開始加電時 ，其電導率尚未達穩態值 ，從而導致誤報警 ，約3 min後 ，傳感器的電導率達穩態值 ，報警才停止 。

    為了解決初始報警問題 ，可采用以下兩種方案 ：

    1)采用二次報警方案 ，該方案是將傳感器的初始電導率的當量可燃氣濃度作為第一階段報警濃度 ，這一階段隻讓報警燈亮 ，喇叭不響 。第二階段報警是當可燃氣泄露濃度達到一個臨界危險濃度時再開啟聲音報警 。這類方案需要較複雜的兩階段比較報警電路 ，提醒力不強且不可靠 ，報警靈敏度不可調;

    2)采用比較或反饋延時的報警方案 ，但電路非常複雜 ，成本較高 。因此 ，采用硬件設計降低成本是關鍵 。這裏提出一種采用數字和模擬集成電路相結合的設計方案 ，解決報警和二次報警的問題 ，並取得很好效果 。

    2 器件選擇與工作原理

    氣敏傳感器種類繁多 ，性能各異 。這裏選用MQ-KC型傳感器 ，它是一種新型的電阻型氣敏型元件 ，可用於天然氣 、煤氣 、石油氣等檢漏報警 。具有靈敏度高 ，長期穩定性好 ，壽命長 ，價格低 ，功耗小，可方便使用電池等特點 。MQ-KC型傳感器原理 ：將該傳感器接至規定負載 ，在加電的初始階段 ，傳感器的電導率呈現一個較高的值 ，約3 min左右達到穩態值 。若將其置於具有一定濃度的可燃氣體中 ，其電導率將升高 ，在一定範圍內 ，可燃氣體濃度越高 ，傳感器電導率也越高 ，如果將傳感器與負載串聯 ，負載即引起電壓變化 ，讀取這一變化電壓 ，經比較 、放大即可實現報警與控製等功能 。

    3 硬件電路設計

    3.1 基本報警電路

    MQ-KC型傳感器額定電源電壓為9 V ，要求連接一隻負載電阻 。信號取出與比較電路如果用分立元件設計 ，元件數量多 ，成本高 ，且效果不好 。為此 ，選用一片單電源9 V供電，具有一定驅動能力的集成雙運放來實現 。圖1為該基本報警電路 。

    圖1 基本報警電路

    圖l中 ，R1是傳感器要求的負載電阻 ，阻值為120 Ω ，Vcc為9 V電源電壓;A 、B為LM358雙運放 ，A為跟隨器 ，起緩衝隔離作用 ，以便將R1上的電壓VR1基本上全部施加到比較器B的同相輸入端 。RW為報警靈敏度調整電位器 。穩態時 ，調整RW使得加到比較器反相輸入端的電壓V-略高於穩態時R1上的電壓VR1這個電壓越高 ，報警靈敏度就越低。加電並使傳感器達到穩態後 ，MQ-KC為較穩定的固定阻值 ，當Vcc不變時 ，VR1基本為一固定值，保持不變 。當有可燃性氣體泄露時 ，傳感器接觸到可燃氣，使其電導率上升 ，電阻下降 ，使VR1上升 ，當VR1高於V-時 ，比較器輸出一個大於7 V的電壓 ，從而使蜂鳴器HA發出滴 、滴的報警聲 。若用該電壓控製一個繼電器 ，即可實現控製功能 。為了提高抗幹擾能力 ，可分別在R1和B的V-端並聯一隻濾波電容 。

    R1 、R2和RW的取值不宜過小 ，以降低電源供電電流 。其值可由式(1)估算 ，在估算時 ，RW可暫不考慮 。

    令V-=VR1 ，取R3=2 kΩ ，已知Vcc=9 V ，即可求出R2 。本裝置R2=10 kΩ ，RW=lO kΩ 。

    3.2 初始報警電路

    圖1所示的基本報警電路的不足 ：一開始加電時 ，傳感器尚未達到穩態 ，其電阻值較小 ，VR1較大 ，導致蜂鳴器HA誤報警 。為了解決這一問題 ，采用一個數字信號控製的模擬開關 ，其控製信號采用簡單的電容充電延時電路 ，原理圖如圖2所示 。圖1中比較器B的輸出V0加到模擬開關4066的輸入端 ，開關的輸出端接蜂鳴器HA 。初始加電時 ，電容C上的電壓VC為0 ，4066不導通 ，無論V0值為多高 ，HA都不會報警 。隨著電容充電 ，VC不斷升高 ，當達到4066的控製門限閾值時 ，4066才導通 ，即能進入報警狀態 。電容充電使其電壓達到4066的控製門限閾值時間即為延時時間 。電容C和電阻R的取值可根據延時要求確定 。為可靠起見 ，取RC=1/2T ，T為傳感器初始穩定時間 。本裝置取R=l MΩ ，C=100μF ，即能實現可靠的延時 。

    3.3 整機硬件電路設計及調試

    將上述兩個電路合起來即構成了整機電路 ，如圖3所示 。為了使V-穩定不變 ，R1 、R2應采用精密金屬膜電阻 。裝置開機預熱3 min後 ，用萬用表測R1上的電壓VR1 ，測得為1.7 V 。若要想讓裝置的報警濃度為x% ，有條件時 ，可將傳感器置於濃度為x%的可燃氣體中(可用氣體成分分析儀監測) ，lO s後再測R1上的電壓得到VR1 。調整RW ，將V-調到略小於VR1 。正常使用時 ，當可燃氣體泄漏濃度達到標定濃度x%時 ，裝置就會報警 ，若增加了控製裝置 ，可控製開啟風扇或關閉閥門等 。在沒有條件時 ，調整RW ，將V-調到略大於VE1 ，保證在正常空氣環境不報警 。再將裝置於可燃氣灶具旁 ，打開灶具開關 ，吹熄火焰 ，有少量可燃氣體泄漏 ，裝置應報警 。若要提高報警濃度 ，可調RW加大V- ，反之應減小V- 。

    3.4 電源設計

    本裝置的電源供電總電流小於20 mA ，因此可使用9 V的電池供電 。樣機選用交流220 V供電 ，使用一個7809三端穩壓器穩壓 。

    4 試用實驗及結果

    4.1 試用結果

    將該裝置置於廚房 ，開機預熱3 min ，裝置無初始報警 。關閉廚房門 ，放出適量煤氣 ，幾秒鍾後裝置開始報警 ，再將裝置移離現場到，約30 s後報警停止。在正常空氣的廚房中 ，將裝置開機預熱3min後置於可燃氣灶邊 ，打開灶具開關 ，吹熄火焰 ，幾秒鍾後裝置開始報警 ，當廚房中仍散有煤氣時 ，它將持續報警 ，將它置於窗外 ，它才能較快恢複並停止報警 。

    4.2 應用與安裝

    本裝置不僅可用於工礦企業的可燃氣泄漏報警 ，由於其成本特低 ，因此 ，也可推廣到普通家庭 ，作為燃氣洗澡裝置和廚房可燃氣的泄漏報警器 。隻要將其安裝在燃氣裝置附近(相距1 m以內效果最好)即可實現自動泄漏報警 。安裝時 ，應注意不要將裝置安放在通風口處 。

    5 結束語

    本裝置采用一塊數字控製的集成模擬開關和阻容充電電路解決了可燃性氣體報警裝置的初始誤報警問題 ，用一個單電源供電的雙集成運放實現信號取出 、比較和報警驅動 ，並使裝置報警靈敏度在傳感器性能範圍內任意可調 。實現如下性能 ：功耗小於0.3W;靈敏度V1/V0>2;響應時間小於lO s ：恢複時間小於30 s 。該可燃性氣體報警裝置采用數字和模擬集成電路相結合的技術 ，大大減少了元器件數量，從而提高了裝置的穩定性和可靠性 ，且使得主電路的元件成本不到3元 。使其具有較高的性價比 ，還可以根據用戶需要和具體情況進一步改進該報警裝置 。加一級控製電路 ，隻要在比較器B的輸出加一級繼電器驅動即可實現 。

轉載請注明：工業自動化 中國工控網