基于傳感器的低成本可燃性氣體泄漏報警器設(shè)計

液化石油氣、煤氣等可燃?xì)庾鳛槿剂铣Ｒ虍a(chǎn)生泄漏而造成中毒和火災(zāi)等事故。已有的可燃?xì)怏w泄漏報警器種類繁多，重要用于工業(yè)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(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)字和模仿集成電路相聯(lián)合的技巧解決了裝置成本高的問題。研制出了小巧的可燃?xì)怏w泄漏報警器，它結(jié)構(gòu)簡略，成本低廉(主電路元件費(fèi)只有3元左右，含外殼和電源的全部材料費(fèi)只有十幾元)，且報警敏銳度在傳感器的性能領(lǐng)域內(nèi)任意可調(diào)。試用成果表明，該裝置應(yīng)用方便，效果非常好，且只需簡略改良即可增長把持功效，可方便實(shí)現(xiàn)主動把持開啟風(fēng)扇等裝置。該可燃性氣體泄漏報警器不僅適于家庭，也適于工礦企業(yè)等利用，且其報警敏銳度、報警提示功效、可靠性等優(yōu)于目前已有產(chǎn)品。

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(shí)現(xiàn)技術(shù)分為兩大類，一類是以單片機(jī)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(shí)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?xì)鈧鞲衅鞯某跏紙缶瘑栴}。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(dá)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(dá)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?xì)鉂舛茸鳛榈谝浑A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?xì)庑孤稘舛冗_(dá)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(qiáng)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(diǎn)。MQ-KC型傳感器原理：將該傳感器接至規(guī)定負(fù)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(dá)到穩(wěn)態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃?xì)怏w中，其電導(dǎo)率將升高，在一定范圍內(nèi)，可燃?xì)怏w濃度越高，傳感器電導(dǎo)率也越高，如果將傳感器與負(fù)載串聯(lián)，負(fù)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(shí)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(fù)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(yùn)放來實(shí)現(xiàn)。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(fù)載電阻，阻值為120 Ω，Vcc為9 V電源電壓;A、B為LM358雙運(yùn)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(dá)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?xì)?，使其電?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(shí)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(dá)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(dá)到4066的控制門限閾值時，4066才導(dǎo)通，即能進(jìn)入報警狀態(tài)。電容充電使其電壓達(dá)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(shí)現(xiàn)可靠的延時。

3.3 整機(jī)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(jī)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(jī)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?xì)怏w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?xì)怏w泄漏濃度達(dá)到標(biāo)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?？諝猸h(huán)境不報警。再將裝置于可燃?xì)庠罹吲?，打開灶具開關(guān)，吹熄火焰，有少量可燃?xì)怏w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(jī)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(shí)驗(yàn)及結(jié)果

4.1 試用結(jié)果

將該裝置置于廚房，開機(jī)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(jī)預(yù)熱3min后置于可燃?xì)庠钸?，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?xì)庑孤﹫缶?，由于其成本特低，因此，也可推廣到普通家庭，作為燃?xì)庀丛柩b置和廚房可燃?xì)獾男孤?strong>報警器。只要將其安裝在燃?xì)庋b置附近(相距1 m以內(nèi)效果最好)即可實(shí)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(yùn)放實(shí)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(shí)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(jìn)一步改進(jìn)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(shí)現(xiàn)。