基于TGS813的家用可燃氣體泄漏報警裝置的設(shè)計

摘要：提出基于氣敏傳感器TGS813的家用可燃氣體泄漏報警通風裝置的設(shè)計方案。該設(shè)計的系統(tǒng)利用TGS813對可燃性氣體進行監(jiān)測，當氣體濃度超標時，傳感器輸出的電壓信號將大于設(shè)定電壓，比較器比較之后正向輸出，經(jīng)過功率放大，最后驅(qū)動音響報警電路及排氣裝置。該設(shè)計具有線路簡單、成本低、操作方便等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞：氣敏傳感器；電源電路；檢測電路；報警音響電路

0 引 言
    燃氣(人工煤氣、天然氣、液化石油氣)的普及，提高了生產(chǎn)效率、市民的生活質(zhì)量，但在使用燃氣的過程中，因燃氣泄漏、廢氣等原因造成的燃氣爆炸、中毒等意外事故時有發(fā)生，給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來了嚴重的威脅，因此安全使用燃氣一直是燃氣主管部門工作的重中之重。燃氣泄漏報警器能有效監(jiān)測環(huán)境中可燃氣體或毒性氣體(如CO)的濃度，一旦其濃度超出報警限定值，就能發(fā)出聲光報警信號，并且能自動開啟排風扇把燃氣排出室外，甚至能通過聯(lián)動裝置自動切斷燃氣供應防止燃氣繼續(xù)泄漏，起到安全防范的作用。但報警器選用得是否合理，直接關(guān)系到其功能的充分發(fā)揮。該設(shè)計所研究的可燃性氣體報警器正是應這種要求而開發(fā)的。
    該設(shè)計所研究的可燃性氣體報警系統(tǒng)是利用傳感器對可燃氣體濃度信號進行監(jiān)測并且轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后與設(shè)定的電壓信號進行比較，當氣體濃度超過設(shè)定值時實現(xiàn)智能報警并能打開風扇進行換氣。目前市場上家用可燃性氣體報警器的價格一直居高不下，并且需要定期更換傳感器，更讓人們進一步加大了投資，使得普通用戶難以承受。該設(shè)計的燃氣報警裝置的線路簡單，各種器件的價格相對低廉，這使得整體成本大大降低。相信在科技飛速發(fā)展的今天，燃氣報警裝置的價格逐步降低是必然趨勢，燃氣報警裝置將廣泛地被人們認可并普及使用，為人們的人身財產(chǎn)安全樹立一道可靠的屏障。該設(shè)計采用氣敏傳感器TGS813對可燃性氣體濃度進行監(jiān)測，正常工作時氣敏傳感器輸出電壓信號與設(shè)定的電壓值通過比較器進行比較。當氣體濃度超標時，氣敏傳感器輸出的電壓值超過正常時的電壓值，從而使比較器正向輸出；然后通過三極管放大后，輸出驅(qū)動音響裝置發(fā)出聲音并且驅(qū)動繼電器線圈使風扇自動打開，從而實現(xiàn)音響報警及自動換氣功能。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計
    該設(shè)計的可燃性氣體報警通風裝置，采取單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成。它的電路結(jié)構(gòu)簡單，使用元件相對較少，使其制作成本大大降低，經(jīng)濟實用，適應了燃氣報警器價格逐步降低的趨勢，具有較高的性價比。圖1即為可燃性氣體報警系統(tǒng)設(shè)計的方案框圖，其主要組成電路為：電源電路、穩(wěn)壓電路、傳感器及設(shè)定電壓、比較電路、放大電路、風扇控制及報警電路。
    具體方案的工作流程分析：電源電路經(jīng)過降壓變壓器向電路提供12 V的直流電源，經(jīng)過穩(wěn)壓電路的三端穩(wěn)壓管后輸出8 V穩(wěn)定的電壓，然后通過傳感器后和設(shè)定電壓進行比較。當可燃性氣體濃度不超標的時候，傳感器的輸出電壓比設(shè)定電壓小，從而使比較電路中電壓比較器反相端輸出低電平，故不能驅(qū)動風扇報警電路工作。而當可燃性氣體濃度超標時，傳感器的輸出電壓將大于設(shè)定的電壓值，從而使比較電路中電壓比較器同相端輸出高電平，經(jīng)過放大電路進行信號放大，然后輸出驅(qū)動風扇控制的繼電器線圈使風扇自動打開和音響報警電路發(fā)出連續(xù)聲音報警信號。

2 硬件電路的設(shè)計
2．1 電源模塊的設(shè)計
    穩(wěn)定的電源是各種電子電路的動力源，被人譽為電路的心臟。眾所皆知，所有用電設(shè)備，包括電子儀表、家用電器等對供電電壓都有一定的要求。該設(shè)計的電源電路的主要包括兩個部分：電源變壓器和三端穩(wěn)壓管的選擇。電源模塊設(shè)計的基本思想是：采用AC220 V／ACl2 V的降壓變壓器得到一個交流的12 V電壓。然后經(jīng)過單相橋式整流電路把交流電流變成直流電流．再經(jīng)過濾波電容濾波之后，接到三端穩(wěn)壓管7808后，輸出即為穩(wěn)定的直流8 V電壓。
    雖然整流濾波電路能將正弦波變換成較為平滑的直流電壓，但是一方面由于電壓平均值取決于變壓器副邊電壓有效值，所以當電網(wǎng)電壓波動時，輸出電壓平均值將隨之產(chǎn)生相應的波動；另一方面由于整流濾波電路內(nèi)阻的存在，當負載變化時，內(nèi)阻上的電壓將發(fā)生變化，于是輸出電壓平均值也隨之產(chǎn)生相反的變化。因此，整流濾波電路輸出電壓會隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動。隨著負載電阻的變化而變化，為了獲得良好的直流電壓，必須采取穩(wěn)壓措施。即在電源電路中加入了三端集成穩(wěn)壓器LM7808進行穩(wěn)壓。
    三端穩(wěn)壓管是指只有三條引腳輸出的集成電路，用78系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。一般三端集成穩(wěn)壓電路的最小輸入／輸出電壓差約為2 V，否則不能輸出穩(wěn)定的電壓。一般應使電壓差保持在4～5 V，即經(jīng)變壓器變壓，晶閘管整流，電容器濾波后的電壓應比穩(wěn)壓值高一些。因電路需要的電壓為8 V，而經(jīng)變壓器及整流裝置輸出的電壓為12 V左右，故該設(shè)計選用IC7808型三端穩(wěn)壓管，輸出8 V的穩(wěn)定電壓。
    具體的電源模塊及三端穩(wěn)壓管連接圖如圖2所示。

2．2 氣敏傳感器的選擇
    隨著微電腦和微電子技術(shù)的日益普及和應用，對傳感器的性能、數(shù)量及用途提出了新的需求，這就使人們更加重視對新型傳感器的開發(fā)。
    傳感器電路設(shè)計的基本思想：電路通過三端穩(wěn)壓管IC7808輸出8 V的恒定電壓，供給傳感器的加熱電路和檢測電路。加熱電路需要5 V的電壓才能正常工作，所以在傳感器的加熱電路上串聯(lián)一個電阻使加熱電路能夠得到5 V的正常工作電壓。檢測電路由氣敏傳感器TGS813，R1和滑動變阻器R1組成，輸出電壓進入電壓比較器的同相輸入端，它是R1和RL電阻兩端的壓降輸出。可燃性氣體與傳感器相接觸并且濃度超標時，檢測電路的輸出電壓將會超過設(shè)定的基準電壓，這時比較器同相端輸出高電平，使后面的三極管起到作用．從而驅(qū)動喇叭和繼電器線圈進行工作。
    氣敏傳感器種類繁多。這里的通風裝置所用的氣敏傳感器TGS813屬N型半導體類氣體傳感器，其主要成分是二氧化錫燒結(jié)體。當吸附還原性氣體(例如液化氣、天然氣、氫氣、一氧化碳、有機溶劑蒸氣等)時，電導率上升。當恢復到清潔空氣中時，電導率恢復。TGS傳感器就是將這種電導率變化，以輸出電壓的方式取出，從而檢測出氣體的濃度。
    TGS傳感器最大優(yōu)點是壽命長，TGS傳感器的靈敏度特性只隨四季的溫濕度變化而呈周期性變化，并沒有單調(diào)變化的趨勢，說明SnO2半導體氣體傳感器有極長的壽命。因設(shè)計是針對家用可燃性氣體的，故選擇針對天然氣、液化氣的TGS813型氣敏傳感器對氣體進行監(jiān)測。TGS813氣敏傳感器的主要參數(shù)：加熱電壓為DC／AC(5 V土O．2 V)，著火溫度537℃，爆炸極限為5％～15％，溫度為200℃<T≤300℃。傳感器設(shè)定的警告報警濃度應該為LEL(爆炸下限)的10％，危險報警濃度應該為LEL(爆炸下限)的20％，而TGS813型氣敏傳感器的爆炸極限是5％(空氣中的百分比)，也就是50 000 ppm，故報警濃度應為5 000～10 000 ppm。
    為了補償溫度和濕度對傳感器特性的影響，同時為了獲得更高的精度，故使用熱敏電阻或濕敏傳感器對電路進行補償。該設(shè)計的傳感器電路及溫度補償電路如圖3所示。

2．3 信號比較放大回路的設(shè)計
    信號比較放大電路的作用：當氣體濃度超標時，傳感器將輸出比設(shè)定電壓更大的電壓信號。該信號經(jīng)過電壓比較器后正向輸出，然后在經(jīng)過放大三極管進行放大，從而有足夠的電流去驅(qū)動繼電器線圈和音響報警裝置。信號比較放大的基本電路圖如圖4所示。

2．4 報警通風裝置電路的設(shè)計
    報警電路是系統(tǒng)的重要組成部分之一。要求設(shè)計的報警裝置能夠連續(xù)報警，故不能夠直接在電路中接蜂鳴器和喇叭裝置，必須在電路中接有能夠連續(xù)產(chǎn)生脈沖信號的裝置。多諧振蕩器是一種自激振蕩器，在接通電源以后，不需要外加觸發(fā)信號，便能自動地產(chǎn)生矩形脈沖，由于矩形波中含有豐富的高次諧波分量，所以習慣上又把矩形波振蕩器叫作多諧振蕩器。
    555定時器是一種多用途的數(shù)／?；旌霞呻娐?，利用它能極方便地構(gòu)成多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等裝置。它使用靈活、方便，所以555定時器在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應用。故該設(shè)計選擇NE555構(gòu)成的多諧振蕩器作為脈沖信號源。在NE555多諧振蕩器的輸出引腳接一個起放大作用的三極管，從而保證電路有足夠大的電流去驅(qū)動揚聲器。風扇控制電路也是系統(tǒng)的組成部分之一。該設(shè)計的風扇控制采用了繼電器控制的方式。繼電器是一種根據(jù)外界輸入的一定信號(電的或非電的)來控制電路中電流“通”與“斷”的自動切換電器。它主要用來反映各種控制信號，其觸點通常接在控制電路中。報警通風裝置電路如圖5所示。

3 結(jié) 語
    該設(shè)計的家用可燃性氣體泄露報警及通風裝置，采取了單獨利用硬件的開發(fā)方式，充分利用了氣敏傳感器及其他元件的特性，使其相輔相成，從而該設(shè)計的燃氣報警裝置有較高的性價比。該智能可燃性氣體報警器具有較好的性能，并且價格低廉，適應市場上可燃性氣體報警器發(fā)展的方向，所以其應用前景廣闊。