基于傳感器的低成本可燃性氣體泄漏報警器設計

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等事故。已有的可燃氣體泄漏報警器種類(lèi)繁多，重要用于工業(yè)廠(chǎng)礦，體積大，價(jià)格高，難以推廣到家用。雖然也有一些簡(jiǎn)易報警器，但也是結構復雜，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警器，它結構簡(jiǎn)略，成本低廉(主電路元件費只有3元左右，含外殼和電源的全部材料費只有十幾元)，且報警敏銳度在傳感器的性能領(lǐng)域內任意可調。試用成果表明，該裝置應用方便，效果非常好，且只需簡(jiǎn)略改良即可增長(cháng)把持功效，可方便實(shí)現主動(dòng)把持開(kāi)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 系統設計優(yōu)化比較

目前可燃性氣體泄漏報警器的實(shí)現技術(shù)分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是以單片機為核心的智能型報警器，包括信號調理、A/D采樣和輸入輸出電路等，相對復雜。另一類(lèi)完全用硬件實(shí)現，電路非常復雜。這兩類(lèi)技術(shù)都采用較復雜的電路解決可燃氣傳感器的初始報警問(wèn)題。而初始報警的原因是由于傳感器在開(kāi)始加電時(shí)，其電導率尚未達穩態(tài)值，從而導致誤報警，約3 min后，傳感器的電導率達穩態(tài)值，報警才停止。

為了解決初始報警問(wèn)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率的當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。第二階段報警是當可燃氣泄露濃度達到一個(gè)臨界危險濃度時(shí)再開(kāi)啟聲音報警。這類(lèi)方案需要較復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;

2)采用比較或反饋延時(shí)的報警方案，但電路非常復雜，成本較高。因此，采用硬件設計降低成本是關(guān)鍵。這里提出一種采用數字和模擬集成電路相結合的設計方案，解決報警和二次報警的問(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(lèi)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(cháng)期穩定性好，壽命長(cháng)，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：將該傳感器接至規定負載，在加電的初始階段，傳感器的電導率呈現一個(gè)較高的值，約3 min左右達到穩態(tài)值。若將其置于具有一定濃度的可燃氣體中，其電導率將升高，在一定范圍內，可燃氣體濃度越高，傳感器電導率也越高，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(shí)現報警與控制等功能。

3 硬件電路設計

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(dòng)能力的集成雙運放來(lái)實(shí)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L(cháng)M358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為報警靈敏度調整電位器。穩態(tài)時(shí)，調整RW使得加到比較器反相輸入端的電壓V-略高于穩態(tài)時(shí)R1上的電壓VR1這個(gè)電壓越高，報警靈敏度就越低。加電并使傳感器達到穩態(tài)后，MQ-KC為較穩定的固定阻值，當Vcc不變時(shí)，VR1基本為一固定值，保持不變。當有可燃性氣體泄露時(shí)，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、滴的報警聲。若用該電壓控制一個(gè)繼電器，即可實(shí)現控制功能。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。