基于傳感器的低成本可燃性氣體泄漏報(bào)警器設(shè)計(jì)

液化石油氣、煤氣等可燃氣作為燃料常因產(chǎn)生泄漏而造成中毒和火災(zāi)等事故。已有的可燃氣體泄漏報(bào)警器種類繁多，重要用于工業(yè)廠礦，體積大，價(jià)格高，難以推廣到家用。雖然也有一些簡(jiǎn)易報(bào)警器，但也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格偏高，推廣到家用比較閑難。為此研究了用一個(gè)簡(jiǎn)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(wèn)題。研制出了小巧的可燃氣體泄漏報(bào)警器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(bào)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(jiǎn)略改良即可增長(zhǎng)把持功效，可方便實(shí)現(xiàn)主動(dòng)把持開(kāi)啟風(fēng)扇等裝置。該可燃性氣體泄漏報(bào)警器不僅適于家庭，也適于工礦企業(yè)等利用，且其報(bào)警敏銳度、報(bào)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(jì)優(yōu)化比較

目前可燃性氣體泄漏報(bào)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(bào)警器，包括信號(hào)調(diào)理、A/D采樣和輸入輸出電路等，相對(duì)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)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/傳感器">傳感器的初始報(bào)警問(wèn)題。而初始報(bào)警的原因是由于傳感器在開(kāi)始加電時(shí)，其電導(dǎo)率尚未達(dá)穩(wěn)態(tài)值，從而導(dǎo)致誤報(bào)警，約3 min后，傳感器的電導(dǎo)率達(dá)穩(wěn)態(tài)值，報(bào)警才停止。

為了解決初始報(bào)警問(wèn)題，可采用以下兩種方案：

1)采用二次報(bào)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(bào)警濃度，這一階段只讓報(bào)警燈亮，喇叭不響。第二階段報(bào)警是當(dāng)可燃?xì)庑孤稘舛冗_(dá)到一個(gè)臨界危險(xiǎn)濃度時(shí)再開(kāi)啟聲音報(bào)警。這類方案需要較復(fù)雜的兩階段比較報(bào)警電路，提醒力不強(qiáng)且不可靠，報(bào)警靈敏度不可調(diào);

2)采用比較或反饋延時(shí)的報(bào)警方案，但電路非常復(fù)雜，成本較高。因此，采用硬件設(shè)計(jì)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(jì)方案，解決報(bào)警和二次報(bào)警的問(wèn)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(bào)警。具有靈敏度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)，價(jià)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(gè)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(bào)警與控制等功能。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 基本報(bào)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(hào)取出與比較電路如果用分立元件設(shè)計(jì)，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(dòng)能力的集成雙運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖1為該基本報(bào)警電路。

圖1 基本報(bào)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L(zhǎng)M358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(bào)警靈敏度調(diào)整電位器。穩(wěn)態(tài)時(shí)，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(shí)R1上的電壓VR1這個(gè)電壓越高，報(bào)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(shí)，VR1基本為一固定值，保持不變。當(dāng)有可燃性氣體泄露時(shí)，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(shí)，比較器輸出一個(gè)大于7 V的電壓，從而使蜂鳴器HA發(fā)出滴、滴的報(bào)警聲。若用該電壓控制一個(gè)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(guò)小，以降低電源供電電流。其值可由式(1)估算，在估算時(shí)，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。