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／Dcaiyangheshurushuchudianludeng


，xiangduifuza。lingyileiwanquanyongyingjianshixian
，dianlufeichangfuza。zheliangleijishudoucaiyongjiaofuzadedianlujiejuekeranqichuanganqidechushibaojingwenti。erchushibaojingdeyuanyinshiyouyuchuanganqizaikaishijiadianshi

，qidiandaolvshangweidawentaizhi
，congerdaozhiwubaojing，yue3 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(cai)用(yong)二(er)次(ci)報(bao)警(jing)方(fang)案(an)

，該(gai)方(fang)案(an)是(shi)將(jiang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)初(chu)始(shi)電(dian)導(dao)率(lv)的(de)當(dang)量(liang)可(ke)燃(ran)氣(qi)濃(nong)度(du)作(zuo)為(wei)第(di)一(yi)階(jie)段(duan)報(bao)警(jing)濃(nong)度(du)，這(zhe)一(yi)階(jie)段(duan)隻(zhi)讓(rang)報(bao)警(jing)燈(deng)亮(liang)，喇(la)叭(ba)不(bu)響(xiang)。第(di)二(er)階(jie)段(duan)報(bao)警(jing)是(shi)當(dang)可(ke)燃(ran)氣(qi)泄(xie)露(lu)濃(nong)度(du)達(da)到(dao)一(yi)個(ge)臨(lin)界(jie)危(wei)險(xian)濃(nong)度(du)時(shi)再(zai)開(kai)啟(qi)聲(sheng)音(yin)報(bao)警(jing)。這(zhe)類(lei)方(fang)案(an)需(xu)要(yao)較(jiao)複(fu)雜(za)的(de)兩(liang)階(jie)段(duan)比(bi)較(jiao)報(bao)警(jing)電(dian)路(lu)

，提(ti)醒(xing)力(li)不(bu)強(qiang)且(qie)不(bu)可(ke)靠(kao)
，報(bao)警(jing)靈(ling)敏(min)度(du)不(bu)可(ke)調(tiao)；2)采(cai)用(yong)比(bi)較(jiao)或(huo)反(fan)饋(kui)延(yan)時(shi)的(de)報(bao)警(jing)方(fang)案(an)，但(dan)電(dian)路(lu)非(fei)常(chang)複(fu)雜(za)
，成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)。因(yin)此(ci)
，采(cai)用(yong)硬(ying)件(jian)設(she)計(ji)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)是(shi)關(guan)鍵(jian)。這(zhe)裏(li)提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)采(cai)用(yong)數(shu)字(zi)和(he)模(mo)擬(ni)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)相(xiang)結(jie)合(he)的(de)設(she)計(ji)方(fang)案(an)，解(jie)決(jue)報(bao)警(jing)和(he)二(er)次(ci)報(bao)警(jing)的(de)問(wen)題(ti)，並(bing)取(qu)得(de)很(hen)好(hao)效(xiao)果(guo)。

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zuo右you達da到dao穩wen態tai值zhi。若ruo將jiang其qi置zhi於yu具ju有you一yi定ding濃nong度du的de可ke燃ran氣qi體ti中zhong，其qi電dian導dao率lv將jiang升sheng高gao
，在zai一yi定ding範fan圍wei內nei，可ke燃ran氣qi體ti濃nong度du越yue高gao，傳chuan感gan器qi電dian導dao率lv也ye越yue高gao
，如ru果guo將jiang傳chuan感gan器qi與yu負fu載zai串chuan聯lian，負fu載zai即ji引yin起qi電dian壓ya變bian化hua，讀du取qu這zhe一yi變bian化hua電dian壓ya，經jing比bi較jiao、放大即可實現報警與控製等功能。

硬件電路設計

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。

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。

 
圖2：延時電路

 
圖3：整機電路

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(bao)證(zheng)在(zai)正(zheng)常(chang)空(kong)氣(qi)環(huan)境(jing)不(bu)報(bao)警(jing)。再(zai)將(jiang)裝(zhuang)置(zhi)於(yu)可(ke)燃(ran)氣(qi)灶(zao)具(ju)旁(pang)，打(da)開(kai)灶(zao)具(ju)開(kai)關(guan)，吹(chui)熄(xi)火(huo)焰(yan)，有(you)少(shao)量(liang)可(ke)燃(ran)氣(qi)體(ti)泄(xie)漏(lou)

，裝(zhuang)置(zhi)應(ying)報(bao)警(jing)。若(ruo)要(yao)提(ti)高(gao)報(bao)警(jing)濃(nong)度(du)，可(ke)調(tiao)RW加大V-，反之應減小V-。

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。

試用實驗及結果

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(hou)置(zhi)於(yu)可(ke)燃(ran)氣(qi)灶(zao)邊(bian)
，打(da)開(kai)灶(zao)具(ju)開(kai)關(guan)
，吹(chui)熄(xi)火(huo)焰(yan)，幾(ji)秒(miao)鍾(zhong)後(hou)裝(zhuang)置(zhi)開(kai)始(shi)報(bao)警(jing)
，當(dang)廚(chu)房(fang)中(zhong)仍(reng)散(san)有(you)煤(mei)氣(qi)時(shi)，它(ta)將(jiang)持(chi)續(xu)報(bao)警(jing)，將(jiang)它(ta)置(zhi)於(yu)窗(chuang)外(wai)

，它(ta)才(cai)能(neng)較(jiao)快(kuai)恢(hui)複(fu)並(bing)停(ting)止(zhi)報(bao)警(jing)。

應用與安裝

本(ben)裝(zhuang)置(zhi)不(bu)僅(jin)可(ke)用(yong)於(yu)工(gong)礦(kuang)企(qi)業(ye)的(de)可(ke)燃(ran)氣(qi)泄(xie)漏(lou)報(bao)警(jing)
，由(you)於(yu)其(qi)成(cheng)本(ben)特(te)低(di)，因(yin)此(ci)，也(ye)可(ke)推(tui)廣(guang)到(dao)普(pu)通(tong)家(jia)庭(ting)，作(zuo)為(wei)燃(ran)氣(qi)洗(xi)澡(zao)裝(zhuang)置(zhi)和(he)廚(chu)房(fang)可(ke)燃(ran)氣(qi)的(de)泄(xie)漏(lou)報(bao)警(jing)器(qi)。隻(zhi)要(yao)將(jiang)其(qi)安(an)裝(zhuang)在(zai)燃(ran)氣(qi)裝(zhuang)置(zhi)附(fu)近(jin)(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。

結束語

本(ben)裝(zhuang)置(zhi)采(cai)用(yong)一(yi)塊(kuai)數(shu)字(zi)控(kong)製(zhi)的(de)集(ji)成(cheng)模(mo)擬(ni)開(kai)關(guan)和(he)阻(zu)容(rong)充(chong)電(dian)電(dian)路(lu)解(jie)決(jue)了(le)可(ke)燃(ran)性(xing)氣(qi)體(ti)報(bao)警(jing)裝(zhuang)置(zhi)的(de)初(chu)始(shi)誤(wu)報(bao)警(jing)問(wen)題(ti)
，用(yong)一(yi)個(ge)單(dan)電(dian)源(yuan)供(gong)電(dian)的(de)雙(shuang)集(ji)成(cheng)運(yun)放(fang)實(shi)現(xian)信(xin)號(hao)取(qu)出(chu)
、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gai可ke燃ran性xing氣qi體ti報bao警jing裝zhuang置zhi采cai用yong數shu字zi和he模mo擬ni集ji成cheng電dian路lu相xiang結jie合he的de技ji術shu，大da大da減jian少shao了le元yuan器qi件jian數shu量liang
，從cong而er提ti高gao了le裝zhuang置zhi的de穩wen定ding性xing和he可ke靠kao性xing，且qie使shi得de主zhu電dian路lu的de元yuan件jian成cheng本ben不bu到dao3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。