一氧化碳探测报警传感电路设计

　　 论文 关键词：气敏传感器　ul281　单稳延时电路　稳压电路　热清洗　蜂鸣报警

　　论文摘要：co是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在co气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。设计出能检测到co气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。

　　根据生产生活需要设计co探测报警电路，选用对co有极高灵敏度的气敏传感器ul281作为报警电路探头，结合ul281结构及其功能，设计与之功能特点相匹配的电路，这些电路由单稳延时电路、稳定电源供电电路、探测电路（热清洗电路）、电压输出电路、报警电路和元件损坏电路。

　　将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，ic2 放大倍数近似于1。因此用电压表测量h、l点之间的电压很小，电路不报警，可调节电位器rp2 ，可改变ic3的负输入电压，电路最终完成之后，调节滑动变阻器rp2 ，使ic3的负输入电压为2.9v。将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节rp1，使ic2的输出为3.00v。此时电压比较器ic3正输入大于负输入，其输出正饱和而使vt3导通报警。

　　第一章 概 述

　　第一节 传感器的概述及组成

　　一、引 言

　　co是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在co气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。我国的co报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的 发展 过程，其智能化程度也越来越高，其系统复杂、成本较高。而在居民住宅区、机房、办公室等小型单位场所，需要设置一种单一、廉价实用的co探测报警装置，基于此种现象，应用所学的电路知识设计出一种简单易于实现，低成本的co报警电路，不仅对于所学知识是一次综合复习的机会，而且更是练习如何应用所学的书本知识解决实际生产生活问题的能力，这是相当必要的。

　　二、 传感器概述
　　人们通常将能把被测量物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同的形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输处理、记录、显示和控制等要求。传感器是测量装置和控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始数据参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号或是信息处理，或者是最佳数据的显示和控制，都将成为一句空话。可以说，没有精确可靠的传感器，就没有精确可靠的自动检测和控制系统。

　　三、 传感器组成框图
　　传感器一般由敏感元件、传感元件和其他辅助元件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。

敏感元件

传感元件

信号调节转换电路

辅助电源

传感器组成方框图

　　第二节 气敏传感器概述

　　一、 气敏传感器的检测对象及检测原理

　　此次设计的电路是一氧化碳探测报警器，由于一氧化碳是有毒气体，因此检测到一氧化碳并实现报警功能的电路设计就需要选用气敏传感器。

　　气敏传感器是一种把气体（多数为空气）中的有毒成分检测出来，并将它转换成适当的电信号的器件，如果以人们的感觉器官在作比喻，那么气敏传感器相当于人的鼻子（嗅觉）。但是人的嗅觉在灵敏其感知对象也是多样的。在我们周围，实际上存在的各种各样的气体，它们中的大部分将会成为气敏传感器的检测对象。气敏传感器的典型用途见于附表1.2.1和1.2.2。

　　首先被实际应用的气敏传感器是用于防止可燃性气体（lpg等）爆炸瓦斯泄露报警器。其后，随着环境监测等，又不断地提出研制新型气敏传感器的任务。

　　气敏传感器是化学传感器的一个重要组成部分。这里涉及到用于化学传感器的化学物质的检测原理。为了将化学物质检测出来分类，也就是同物理传感器一样，可分为能量变换式和能量控制式。前者是以被测物质所具有的化学能（化学电势）作为信号源，传感器相当于将化学能变换成电能的变换器（换能器）。

　　所谓半导体气体传感器，是对利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质变化，借此来检测气体成分或者测量其浓度的传感器的总称。

　　半导体气敏传感器大体上分为电阻式和非电阻式两种，电阻式半导体气体传感器利用氧化锡、氧化锌等金属材料来制作敏感元件；利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件，有多孔质烧结体、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等几种非电阻式半导体传感器。根据气体的吸附和反应，利用半导体的功函数，对气体进行直接的检测。目前，正在积极开发的有金属/半导体结型二极管和金属栅的mos场效应晶体管的敏感元件，主要利用它们与气体接触后整流特性以及晶体管作用的变化，制成对表面单位有直接测定的传感器。

　　二、 “电阻式半导体气敏传感器”概述

　　半导体元件的电阻，由于与气体接触而发生变化，将利用这种现象的传感器，称之为电阻式半导体气敏传感器。这类气敏传感器元件的构造简单，也不需要专门的放大电路来放大信号。由于这些特点，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的种类有：在绝缘基片上用蒸镀或是溅射法制成的薄膜元件（厚度约小于1000å）；把氧化物半导体粉末调制成的浆料印刷到基性的烧结型元件。传感器元件通常在加热条件下才能动作，因此必须有加热装置。把气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在一块硅片上，从而制成集成开关电路动作，蜂鸣器和灯泡开始接通。半导体元件，大多在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随着温度的上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈现出一种过渡的现象。为防止这种误报警，通常在通电初期增设防止误报警电路。为防止突发性噪声，机内应装入延迟电路。

b1——开关电路

　　　　　　　b2——防止通电初期误报警电路

　　b3——信号发生电路

b4——电源指示灯

　b5——蜂鸣器电路

　　半导体的气敏特性如图，元件的电阻r与空气中所含有的被测气体浓度c之间的关系，根据经验一般用对数表示的如下公式是成立的：㏒r= m㏒c+n

　　m、n是由传感器元件，测量气体的种类，测量温度等因素决定的常数。m表示相对气体浓度变化的敏感程度，m越大，敏感程度越大，但对通常的可燃性气体的检测，一般取为1/2~1/3，设rª为普通气体（空气）浓度为零时的电阻，则气体灵敏度（即响应率）可由rª/r来表示，它是气浓度c的函数为便于气体检测，用c为定值时的相对灵敏度作比较。从图知道，相对灵敏度随气体而不同，虽然还随着传感器的种类、添加剂、测量温度的不同而有很大差异，但是一般越容易燃烧的气体，其含碳量越大，它的相对灵敏度也就高。这是因为在元件上的气体的燃烧，在本质上与气体的响应特性有关。

　　第二章 一氧化碳探测报警传感电路设计

　　第一节 co探测报警电路设计的要求

　　co是人们日常生活生产中常见的有毒气体，无色无味，不易被人们发现，当人处在co气体之中是十分危险的，甚至威胁到生命安全。在我国北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因为该气体易在不能充分燃烧的条件下产生。设计出能检测到co气体并能报警的电路是十分必要的，在满足基本要求的基础上，电路的设计还要考虑到传感器部分要具有良好的温度、湿度稳定性。

　　第二节 电路设计所需的主要元器件的选用

　　一、ul281的选用

　　基于实际的需要，针对一氧化碳要选用对于一氧化碳气体具有较高的灵敏度的气敏元件，通过查阅资料选出ul281作为探头。

　　一氧化碳检测保护仪，其特征在于采样传感器为ul281半导体探头，作为采样传感器，并配置探头预热工作转换电路，解决了传感器在不同条件下其特征变化大的问题，并保证了探头工作在最佳状态。其探测极（2、3）端接9伏直流电源，（5、6）端输出接放大电路，其灯丝极（1、4）端之间接有探头预热工作转换电路。

表ul281参数

项目

测量范围

灵敏度

加热电压

加热电流

测量电压

工作温度

相对湿度

响应时间

单位

10-6

r0/rx

v

ma

v

°c

%rh

s

型号ul281

0~300

大于5

5±0.5

160~180

15±1.5

-10~50

不大于95

60

　　注：r0为在空气中的阻值，rx为在2*10-4酒精浓度时的阻值

　　它的灵敏度曲线如图所示，其响应曲线如图所示。

　　二、555单稳延时电路的选用
由于在工艺上气体敏感膜加热器与温度测量探头集成在同一块硅片上，从而制成集成化元件。当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。因此在此次co探测报警电路的设计中，采用555时基集成电路组成单稳态延时电路。

　　在实际应用中，555除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。本设计中所需要的是单稳电路，其电路及参数如下：

　　单稳类电路

　　单稳工作方式，它可分为3种。见图示。

　　第1种（图1）是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1 和1.1.2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“rt-6.2-ct”和“ct-6.2-rt”。

　　第2种（图2）是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“rt-7.6-ct”，都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个rc微分电路。
　　

　　第3种（图3）是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为简单起见，我们只把它分为2个不同单元。不带任何辅助器件的电路为1.3.1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件的电路为1.3.2。图中列出了2个常用电路。

根据电路的需要，采用1.2.1所示的脉冲启动单稳，其具有最简单的形式又能实现延时功能。

　　三、 电路中三极管的选用2sc2001和2sc945结构及参数
　　本电路设计采用了三极管2sc2001其结构及参数如下 ：

参数

说明

　description

　transistor. general purpose applications high total power disipation

　pol

　npn

　ic(max)

　0.7a

　pc(max)

　0.6w

　vceo(max)

　25v

　hfe(min.-max.)

　90~400

　pins/package

　3p/to-92

　application

　lf a

　　2sc945结构及参数

　　npn三极管 （与2sa733互补）

　　作为低噪声前置放大，应用于:彩电、收录机、遥控玩具等 电子 产品。

　　　　1、发射极 e 2、集电极 c 3、 基 极 b

　　极限值（ta=25℃）

参数

符号

标称值

单位

集电极、基极击穿电压

vcbo

60

v

集电极、发射极击穿电压

vceo

40

v

发射极、基极击穿电压

vebo

6

v

集电极电流

ic

200

ma

集电极功率

pc

625

mw

结温

tj

150

℃

贮存温

tstg

-55-150

℃

　　四、lm324的选用
　　电路设计中所采用的运算放大器ic1~ic4 在制作时用一块集成运算放大器lm324即可实现其功能。其内部具有四个相同的运放，其结构及主要功能参数如下：

　　lm324mx 结构图及主要参数

参数

说明

　description

　low power quad operational amplifiers

　pins/package

　14p/dip

　　第三节 电路整体设计框图及整体电路图
　　一、电路设计框图：

单稳延时电路

稳定电源供电电路

↓

探测电路（热清洗电路）

↓

电压输出电路（报警电路）

元件损坏指示电路

二、整体设计电路图：

　　第四节 电路分析

　　一、 单稳延时电路的设计

　　设计单稳延时电路的原因是因为当元件检测到气体时，电阻降低。半导体元件，大多数在通电初期，阻值暂时变高而产生高输出。这是由于在没有通电时，元件吸着水蒸汽的缘故。一旦通电，元件初始阻值随温度上升而变低，随着温度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，产生一种过渡现象。这样对于电路会产生误报警，为了防止误报警现象的产生，在电路内部需要装入延迟电路。

　　采用555时基集成电路，它组成单稳态延时电路，接通电源后大约经过165s，555的输出端3脚输出高电平，使vt2 、vt5 导通。led3 与r24 组成电源显示电路，当电路工作时，发光二极管led3 发出绿光，显示电路电源供电正常。

　　二、稳压电路
　　设计稳压电路的原因是因为ul281工作时需要对其加热丝进行加热，其加热电源要求稳定，故采用稳压电路对其供电。

　　稳压电路由ic1， vt1 和r1-r4组成。ic1同相输入端上的电压为u+ =15/（47+15）=2.9v，ic1为一同相放大器，输出电压约为6v左右。因此，晶体管vt1导通，加在传感器加热丝与地之间的电压约为11v。，如果空气是清新的，通过气敏元件的电流仍很小（其电阻很大）。

　　三、加热电路

　　由于ul281工作时需对其加热丝进行加热，所以设计由vt2组成初始加热清洗电路，vt2 导通后，将r6、r7短路，a点流经传感器加热丝的电流增大，对其附表面进行加热清洗，vt5组成初始清洗指示电路，vt5导通后，led2（黄）发光。

　　如图3

　　四、电压放大电路、报警电路
　　ic2组成电压放大器，其正输入端输入基准电压6v，当空气清洁时，气敏元件的电阻很大，ic2的放大倍数接近1，当一氧化碳浓度增加时，气敏元件阻值下降，ic2的放大倍数增加，输出电压亦增加，调整电位器rp1（10k）可改变放大倍数。

　　ic3 为电压比较器，它和晶体管vt3组成报警电路，调节rp2可调节报警浓度设定值，当co浓度超过设定值时，ic3 输出高电平，vt3 导通，蜂鸣器报警。

　　（如图4，电压放大电路）

　　（如图5，报警电路）

　　五、元件损坏指示电路
　　传感器气敏元件损坏时，会对探测电路的测量结果造成严重的影响，因此有必要设置一种指示气敏元件是否正常工作的指示电路，如下图所示。ic4、vt4、组成气敏元件损坏指示电路，ic4接成比较器，其输入端的电位约为4.3v。气体元件正常工作时，r6、r7的压降大于4.3v，ic4输出为负，vt4截止，led1（红）不亮，当传感器加热丝被烧断时，r6、r7悬空，其压降为0，ic4输出为高电平，vt4导通，led1亮，红灯显示元件已损坏。

　　（如图6）

　　六、电路调试

　　（1）将电源接通经过热清洗后将传感器放置在清洁空气中，由于敏感元件的电阻很大，ic2 放大倍数近似于1。因此用电压表测量h点、l点之间的电压应很小，否则电路或传感器接线有故障。

　　（2） 调节电位器rp2，使ic3的负输入端的电压为2.90v

　　（3） 将传感器放大装有300ppm气样的密封塑料袋内，调节rp1，使ic2的输出为3.00v。此时电压比较器ic3正输入大于负输入，其输出正饱和而使vt3导通报警。

　　第三章 电路设计 总结

　　一、优点总结

　　通过实际生活的需要而设计的co检测报警电路，此电路设计体现了该电路具有的优点，总结如下：

　　第一、首先针对需要被检测的有毒气体co，选用什么样的气敏元件至关重要。要选择对一氧化碳有极高的灵敏度，这样才能使检测更准确，对一氧化碳有无以及浓度大小作出灵敏判断，并且要求湿度、温度稳定性好，以适应生产生活环境中湿度和温度的变化。通过查阅资料找到针对一氧化碳co灵敏度极高的是气敏元件ul281。这样关键器件的选用问题解决了。

　　第二、选出的ul281对co具有极高的灵敏度，但它不是孤立存在的，还要设计出与其相匹配的电路及探测报警电路。根据ul281的结构及其特点设计电路，既保证了ul281要求电源供电稳定，又保证了ul281的加热丝加热的要求。此电路还可通过滑动变阻器rp1 调节放大倍数。出于对报警安全严谨的考虑，还设计了气敏元件损坏指示电路，为了防止因元件损坏无法检测而造成无法报警，因此设计了气敏元件损坏指示电路。

　　二、 有待改进的地方总结
　　即使该电路的设计具有解决问题的主要优点和特点，但任何一项电路设计都不可能是完美的、没有缺憾的，因此我根据实际生活需求概括出此电路在实际应用中有待改进的地方如下：该电路设计只是根据实际的问题需要设计的探测报警电路原理图，如果把理论应用到实际生产生活中还要考虑产品如何才能更方便的使用。我想到的就是电源供电的问题。该设计用的是直流12v电源，不方便日常生活使用，在产品制作工艺上，电源部分设计成交流电源（生活用电），通过桥式整流等电路转换成直流电，作为电源供电，我想这样会更有益于日常生活推广使用。

　　 参考 文献

　　[1] [日] 高桥清小长井诚 编著 《传感器 电子 学》宇航出版社 ， 1986

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　　[3] 丁镇生 著 《传感及其遥感遥测技术应用》北京：电子工业出版社 ， 2002

　　[4] 刘迎春 编著 《传感器原理 设计与应用》 长沙：国防科技大学出版社， 1988

　　[5] 《 中国 集成电路大全cmos电路》北京：国防工业出版社， 1985

　　[6] 刘迎春，叶湘滨 著 《 现代 新型传感器原理与应用》北京：国防工业出版社， 2002

　　[7] 赵负图 编著 《传感器集成电路手册》 北京：化学工业出版社， 2002

　　[8] 《新编中国半导体器件数据手册》 北京：机械工业出版社， 1992

　　[9] 《实用电子文献》， 北京：电子工业出版社，1990-1995

　　[10] 《电子技术应用》 ， 北京：电子工业出版社，1985—1992

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