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)鈧鞲衅鞯某跏紙?bào)警問題,。而初始報(bào)警的原因是由于傳感器在開始加電時(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。

3.2 初始報(bào)警電路

圖1所示的基本報(bào)警電路的不足：一開始加電時(shí),，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(bào)警,。為了解決這一問題,，采用一個(gè)數(shù)字信號(hào)控制的模擬開關(guān)，其控制信號(hào)采用簡(jiǎn)單的電容充電延時(shí)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(shí),，電容C上的電壓VC為0，4066不導(dǎo)通,，無(wú)論V0值為多高,，HA都不會(huì)報(bào)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(shí),，4066才導(dǎo)通,，即能進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。電容充電使其電壓達(dá)到4066的控制門限閾值時(shí)間即為延時(shí)時(shí)間,。電容C和電阻R的取值可根據(jù)延時(shí)要求確定,。為可靠起見，取RC=1/2T,，T為傳感器初始穩(wěn)定時(shí)間,。本裝置取R=l MΩ，C=100μF,，即能實(shí)現(xiàn)可靠的延時(shí),。

3.3 整機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)及調(diào)試

將上述兩個(gè)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(wàn)用表測(cè)R1上的電壓VR1，測(cè)得為1.7V,。若要想讓裝置的報(bào)警濃度為x%,，有條件時(shí)，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(cè)),，lO s后再測(cè)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(shí),，當(dāng)可燃?xì)怏w泄漏濃度達(dá)到標(biāo)定濃度x%時(shí),，裝置就會(huì)報(bào)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(shí)，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(bào)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(bào)警。若要提高報(bào)警濃度,，可調(diào)RW加大V-,，反之應(yīng)減小V-。

3.4 電源設(shè)計(jì)

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(gè)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(wú)初始報(bào)警,。關(guān)閉廚房門,，放出適量煤氣，幾秒鐘后裝置開始報(bào)警,，再將裝置移離現(xiàn)場(chǎng)到,，約30 s后報(bào)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)庠钸叄蜷_灶具開關(guān),，吹熄火焰,，幾秒鐘后裝置開始報(bào)警，當(dāng)廚房中仍散有煤氣時(shí),，它將持續(xù)報(bào)警,，將它置于窗外,，它才能較快恢復(fù)并停止報(bào)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﹫?bào)警,，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﹫?bào)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(dòng)泄漏報(bào)警。安裝時(shí),，應(yīng)注意不要將裝置安放在通風(fēng)口處,。

5 結(jié)束語(yǔ)

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(bào)警裝置的初始誤報(bào)警問題，用一個(gè)單電源供電的雙集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)信號(hào)取出,、比較和報(bào)警驅(qū)動(dòng),，并使裝置報(bào)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(shí)間小于lO s：恢復(fù)時(shí)間小于30 s,。該可燃性氣體報(bào)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(jià)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(bào)警裝置,。加一級(jí)控制電路，只要在比較器B的輸出加一級(jí)繼電器驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn),。