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[導(dǎo)讀]  1 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化比較  目前可燃性氣體泄漏報警器的實現(xiàn)技術(shù)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(diào)理、A/D采樣和輸入輸出電路等,相對復(fù)雜。另一類完全用硬件實現(xiàn),電路非常復(fù)雜。這兩類技

  1 系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化比較

  目前可燃性氣體泄漏報警器的實現(xiàn)技術(shù)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(diào)理、A/D采樣和輸入輸出電路等,相對復(fù)雜。另一類完全用硬件實現(xiàn),電路非常復(fù)雜。這兩類技術(shù)都采用較復(fù)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于傳感器在開始加電時,其電導(dǎo)率尚未達穩(wěn)態(tài)值,從而導(dǎo)致誤報警,約3 min后,傳感器的電導(dǎo)率達穩(wěn)態(tài)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(dǎo)率的當(dāng)量可燃氣濃度作為第一階段報警濃度,這一階段只讓報警燈亮,喇叭不響。第二階段報警是當(dāng)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。這類方案需要較復(fù)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(diào);

2)采用比較或反饋延時的報警方案,但電路非常復(fù)雜,成本較高。因此,采用硬件設(shè)計降低成本是關(guān)鍵。這里提出一種采用數(shù)字和模擬集成電路相結(jié)合的設(shè)計方案,解決報警和二次報警的問題,并取得很好效果。

  2 器件選擇與工作原理

  氣敏傳感器種類繁多,性能各異。這里選用MQ-KC型傳感器,它是一種新型的電阻型氣敏型元件,可用于天然氣、煤氣、石油氣等檢漏報警。具有靈敏度高,長期穩(wěn)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(guī)定負載,在加電的初始階段,傳感器的電導(dǎo)率呈現(xiàn)一個較高的值,約3 min左右達到穩(wěn)態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃氣體中,其電導(dǎo)率將升高,在一定范圍內(nèi),可燃氣體濃度越高,傳感器電導(dǎo)率也越高,如果將傳感器與負載串聯(lián),負載即引起電壓變化,讀取這一變化電壓,經(jīng)比較、放大即可實現(xiàn)報警與控制等功能。

  3 硬件電路設(shè)計

  3.1 基本報警電路

  MQ-KC型傳感器額定電源電壓為9 V,要求連接一只負載電阻。信號取出與比較電路如果用分立元件設(shè)計,元件數(shù)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(qū)動能力的集成雙運放來實現(xiàn)。圖1為該基本報警電路。

  


 

  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,起緩沖隔離作用,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(diào)整電位器。穩(wěn)態(tài)時,調(diào)整RW使得加到比較器反相輸入端的電壓V-略高于穩(wěn)態(tài)時R1上的電壓VR1這個電壓越高,報警靈敏度就越低。加電并使傳感器達到穩(wěn)態(tài)后,MQ-KC為較穩(wěn)定的固定阻值,當(dāng)Vcc不變時,VR1基本為一固定值,保持不變。當(dāng)有可燃性氣體泄露時,傳感器接觸到可燃氣,使其電導(dǎo)率上升,電阻下降,使VR1上升,當(dāng)VR1高于V-時,比較器輸出一個大于7 V的電壓,從而使蜂鳴器HA發(fā)出滴、滴的報警聲。若用該電壓控制一個繼電器,即可實現(xiàn)控制功能。為了提高抗干擾能力,可分別在R1和B的V-端并聯(lián)一只濾波電容。

  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(wěn)態(tài),其電阻值較小,VR1較大,導(dǎo)致蜂鳴器HA誤報警。為了解決這一問題,采用一個數(shù)字信號控制的模擬開關(guān),其控制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(guān)4066的輸入端,開關(guān)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(dǎo)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(dāng)達到4066的控制門限閾值時,4066才導(dǎo)通,即能進入報警狀態(tài)。電容充電使其電壓達到4066的控制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(jù)延時要求確定。為可靠起見,取RC=1/2T,T為傳感器初始穩(wěn)定時間。本裝置取R=l MΩ,C=100μF,即能實現(xiàn)可靠的延時。

  

 

  3.3 整機硬件電路設(shè)計及調(diào)試

  將上述兩個電路合起來即構(gòu)成了整機電路,如圖3所示。為了使V-穩(wěn)定不變,R1、R2應(yīng)采用精密金屬膜電阻。裝置開機預(yù)熱3 min后,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,可將傳感器置于濃度為x%的可燃氣體中(可用氣體成分分析儀監(jiān)測),lO s后再測R1上的電壓得到VR1。調(diào)整RW,將V-調(diào)到略小于VR1。正常使用時,當(dāng)可燃氣體泄漏濃度達到標定濃度x%時,裝置就會報警,若增加了控制裝置,可控制開啟風(fēng)扇或關(guān)閉閥門等。在沒有條件時,調(diào)整RW,將V-調(diào)到略大于VE1,保證在正常空氣環(huán)境不報警。再將裝置于可燃氣灶具旁,打開灶具開關(guān),吹熄火焰,有少量可燃氣體泄漏,裝置應(yīng)報警。若要提高報警濃度,可調(diào)RW加大V-,反之應(yīng)減小V-。

  

 

  3.4 電源設(shè)計

  本裝置的電源供電總電流小于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(wěn)壓器穩(wěn)壓。

  4 試用實驗及結(jié)果

  4.1 試用結(jié)果

  將該裝置置于廚房,開機預(yù)熱3 min,裝置無初始報警。關(guān)閉廚房門,放出適量煤氣,幾秒鐘后裝置開始報警,再將裝置移離現(xiàn)場到,約30 s后報警停止。在正??諝獾膹N房中,將裝置開機預(yù)熱3min后置于可燃氣灶邊,打開灶具開關(guān),吹熄火焰,幾秒鐘后裝置開始報警,當(dāng)廚房中仍散有煤氣時,它將持續(xù)報警,將它置于窗外,它才能較快恢復(fù)并停止報警。

  4.2 應(yīng)用與安裝

  本裝置不僅可用于工礦企業(yè)的可燃氣泄漏報警,由于其成本特低,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。只要將其安裝在燃氣裝置附近(相距1 m以內(nèi)效果最好)即可實現(xiàn)自動泄漏報警。安裝時,應(yīng)注意不要將裝置安放在通風(fēng)口處。

  5 結(jié)束語

  本裝置采用一塊數(shù)字控制的集成模擬開關(guān)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(xiàn)信號取出、比較和報警驅(qū)動,并使裝置報警靈敏度在傳感器性能范圍內(nèi)任意可調(diào)。實現(xiàn)如下性能:功耗小于0.3W;靈敏度V1/V0>2;響應(yīng)時間小于lO s:恢復(fù)時間小于30 s。該可燃性氣體報警裝置采用數(shù)字和模擬集成電路相結(jié)合的技術(shù),大大減少了元器件數(shù)量,從而提高了裝置的穩(wěn)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(jù)用戶需要和具體情況進一步改進該報警裝置。加一級控制電路,只要在比較器B的輸出加一級繼電器驅(qū)動即可實現(xiàn)。

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