电工与电子技术课程设计-家用瓦斯报警器电路设计.docx

题目 家用瓦斯报警器电路设计
班级 14材成（2）班
学号
姓名
时间 2016.6.06——2016.6.12

景德镇陶瓷大学
电工与电子技术课程设计任务书
姓名 _______ 班级 14材成2班 指导老师
设计课题：家用瓦斯报警器电路设计
设计任务与要求
查找一个元件数量不少于25个，元件种类不少于12个的电子线路，完成以下任务：
1、说明电路由几部分组成（按照功能来分，要求每个部分不少于5个元件），并用电路的总体框图对它进行整体描述；
2、对电路的每个部分分别进行单独说明，分析电路原理、所起的作用以及与其他部分电路的关系等等，并插入相应的用Protel99se软件绘出的对应部分的电路图（不要在总图上截图，要单独画图，标明该部分的输入与输出），对电路中生疏的元件（比如集成电路等）要有足够的内容说明；
3、对整体电路原理进行完整功能描述，并插入用Protel99se软件绘出的A3图纸大小的整体电路的电路图；
4、列出电路图中的所有元件的元件清单（请制表：含序号，元件名称、元件标号、规格参数、数量等）；
5、设计小结（心得体会，遇到困难如何解决的，学到了什么）。
设计步骤

1、 查找符合要求的电路，初步了解电路；
2、 分析电路的组成；
3、 分析各部分电路原理；
4、 综合理解总电路；
5、 撰写电工电子课程设计说明书；
6、 列出参考文献。
7、 查重，打印，提交。

参考文献

1. 孟贵华主编.《电子元器件选用入门》.北京：机械工业出版社，2004.
2. 谢自华主编.《电子线路设计实验测试》.武汉：华中科技大学出版社.2003.
3. 阎石.《数字电子技术基础》.3版.北京：高等教育出版社，1989.
4. 张庆双.《电子元器件的选用与检测》.机械工业出版社.2003.
5. 高吉祥.《电子技术基础实验与课程设计》.电子工业出版社.2002
6. 赵保经.《中国集成电路大全》.国防工业出版社.1985.
7. 李银华.《电子线路设计指导》.北京航空航天大学出版社.2005.

目录

1、 摘要............................................................................................4
2、 总方案原理说明.......................................................... 5
3、 电源电路原理图................................................................6
4、 检测与监测电路原理图...................................................................7
5、 声光报警电路原理图.....................................................................8
6、 自动切断电路原理图............................................................................................9
7、总体电路原理相关说明.........................................................................................10
8、 元件清单..........................................................................11
9、参考文献................................................................................................................12
10、实习周心得体会..................................................................................................13
1.摘要

现如今家庭使用煤气、液化气的越来越多。在方便我们的同时，也隐藏着危险，因为这些气体是有毒、易燃易爆的。如果气体泄漏时不能及时发现和处理，会给我们带来灾难性危害。所以瓦斯报警器显的十分重要。下面我介绍的这种瓦斯报警器适用与煤气、液化石油气、天然气等泄漏。

2. 总方案原理说明
家用瓦斯报警器能检测出空气中是否含有液化气、天然气、煤气等危险气体，并且当空气中的危险气体的含量大到对人体有害时能够自动报警，同时切断危险气体的产生源。
家用瓦斯报警器电路设计的总体框图如图1-1所示，它是由声光报警电路、自动切断电路、危险气体检测电路、危险气体监测电路、电源电路这五部分组成。
声光报警电路的功能是当空气中危险气体对人体有害时，通过声音和显示信号器提醒用户。自动切断电路的功能是当空气中危险气体对人体有害时，能自动切断危险空气源。危险气体检测电路的功能是利用比较器的原理检测空气中的危险气体含量是否对人体有害，并为后续电路发出有用信号。危险气体监测电路的功能是利用气敏半导体传感器监测空气中危险气体的含量。电源电路的功能是为上述所有电路提供直流电压。

声光报警器电路
危险气体检测电路
危险气体监测电路

自动切断电路

电源电路

图1-1 家用瓦斯报警器电路总框图

3. 电源电路原理图
电源电路的设计采用直接从交流电网供电。通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V直流电压。电路中变压器采用常规的铁芯变压器，由于电路采用了±12V双电源，变压器中间需要加抽头：整流电路采用二极管桥式整流电路：C7到C14完成滤波功能；由于电路采用了±12V双电源，因此稳压电路采用两个三端稳压集成电路来完成实现输出±12V。这就是电源电路的原理，下图2-1就是电源电路的原理图。

图2-1 电源电路的原理

4. 检测与监测电路原理图
图3-1左端是危险气体监测电路，电路的核心是气敏半导体传感器QM-N110。QM-N110气敏半导体传感器在适宜的空气中的阻值大约为几十千欧姆。但是当接触到危险气体如液化气、天然气、煤气等时，电导率增大，电阻值快速减小。在空气中，危险气体的含量在百分之0.5以下时，QM-N110的电阻值下降幅度和危险气体浓度成正比。由图2-1所示，公共电网的220V交流电通过变压器TR1降压到12V左右，不经过整流和滤波的直接作为QM-N110的加热电压，而QM-N110的控制端则由直流电源供电。电阻R1的功能是分压和限流，保证QM-N110能正常工作。这样通过QM-N110就可以监测到空气中危险气体的浓度，并且将浓度信号转化为电信号传送出去。图3-1右端为危险气体检测电路，主要包括两部分组成，首先是由电阻R2和电容C1组成的延时电路，然后是由运算放大器组成的比较器电路，它的功能是通过比较器原理检测空气中危险气体的含量是否对人体有害。
工作原理：QM-N110将监测到的信号通过开机延时电路，输入到两个运算放大器的反向输入端，然后通过电阻R3、R5和可变电阻R4分压得到电压V3和V4，并分别输入到运算放大器的同相输入端。可调节可变电阻R4，使V3电压值对应QM-N110监测到的空气中含有对人体有害时的信号量。这样的话，当空气正常时，两个运算放大器都输出低电平，当空气中由有毒气体时，运算放大器U1输出高电平，运算放大器U2输出低电平;当空气中含有危险气体对人体有害时，两个运算放大器都输出高电平。

图3-1监测与监测电路原理图

5. 声光报警电路原理图

声光报警电路如图4-1所示，由两部分组成，一部分是由NE555集成电路构成振荡信号产生电路；另一部分是由运算放大器、发光二极管D1和扬声器构成声光报警电路。由此可知，当空气中的危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电平，此时三极管T1截止，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压均为0，由NE555集成电路的功能可知，输出端Q输出为高电平。输出端Q接入由运算放大器组成的反相电路，则运算放大器输出为低电平。这样就使发光二极管D1截止；三极管T2截止，蜂鸣器不工作，此时不进行声光报警。当空气中的危险气体浓度对人体有害时，V4电压为高电压，则三极管T1导通，此时电源通过电阻R1和R2对电容C1进行充电，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压升高，当电压升高到>2/3Vcc时，输出端Q为低电平，此时THR和TRIG端通过DIS端放电。当电压下降到<1/3Vcc时，输出端Q为高电平。周而复始，NE555集成电路的输出端Q就可以输出振荡信号。同样输出Q接入由运算放大器组成的反相电路，则运算放大器的输出电压也为输出振荡信号。因此，发光二极管D1在截止和导通之间转换，D1呈闪烁状态，三级管T2在截止和导通之间转换，蜂鸣器进行间断工作，即此时进行声光报警。

图4-1 声光报警电路原理图

6.自动切断电路原理图
自动切断电路原理图如5-1所示。左边电路是由NE555集成电路构成的单稳态电路，作为复位电路，右边的电路为自动切断电路。自动切断电路的关键器件是直流电动机MOTOE-DC，因家庭中的危险气体产生源一般为天然气或电化气罐，所以将电动机连接到开关位置，就可以通过电动机的运作打开或关闭通道，从而切断危险气体产生源。当S1没有按下时，NE555集成电路的TRIG端输入为高电平，输出端Q为低电平，T1为截止。当空气中的危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电压，则三极管T2也截止，电机停止转动，电路不进行切断动作。当空气中的危险气体浓度对人体有害时，V4为高电平，则三极管T1导通。由于T1和T2是并联，则电机正向转动的同时带动了开关，切断有害气体来源。当有害气体来源的泄露排除后，按下S1，则TRIG端输入一个高电平。电机反转的时间由可变电阻R11和R12决定，并且可以根据开关实际情况来调节可变电阻，以保证电机可以打开管道开关。

图5-1自动切断电路原理图

7. 总体电路原理相关说明
总体电路由上述5个电路组成。其电源是直接从交流电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转换成12V的直流电压。电阻R1的功能是分压和限流，保证QM-N110能够正常工作。QM-N110就可以监测出空气中的危险气体的浓度，并且将浓度信号转化为电信号。QM-N110监测到的信号通过开机延时电路，输入到两个运算放大器的反相输入端。然后通过R3、R5和可变电阻R4分压得到电压V3和V4，并分别输入到运算放大器的同向输入端，通过调节可变电阻R4，使V3电压值对应QM-N110监测到空气中含有对人体有害的信号。这样，当空气正常时，两个运算放大器都输出低电平，当空气中由有害气体时，运算放大器U1输出高电平，运算放大器U2输出低电平;当空气中含有危险气体对人体有害时，两个运算放大器都输出高电平。当空气中的危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电压，则三极管T2也截止，电机停止转动，电路不进行切断动作。当空气中的危险气体浓度对人体有害时，V4为高电平，则三极管T1导通。由于T1和T2是并联，则电机正向转动的同时带动了开关，切断有害气体来源。当有害气体来源的泄露排除后，按下S1，则TRIG端输入一个高电平。电机反转的时间由可变电阻R11和R12决定，并且可以根据开关实际情况来调节可变电阻，以保证电机可以打开管道开关。当空气中的危险气体浓度未达到对人体有害浓度时，V4电压为低电平，此时三极管T1截止，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压均为0，由NE555集成电路的功能可知，输出端Q输出为高电平。输出端Q接入由运算放大器组成的反相电路，则运算放大器输出为低电平。这样就使发光二极管D1截止；三极管T2截止，蜂鸣器不工作，此时不进行声光报警。当空气中的危险气体浓度对人体有害时，V4电压为高电压，则三极管T1导通，此时电源通过电阻R1和R2对电容C1进行充电，NE555集成电路的THR和TRIG端输入电压升高，因此，发光二极管D1在截止和导通之间转换，D1呈闪烁状态，三级管T2在截止和导通之间转换，蜂鸣器进行间断工作，即此时进行声光报警，从而达到有害气体泄露报警和切断来源的目的。

图6-1家用瓦斯报警器总电路图
元件清单
序号
符号
类别
数量
1
C1 C3 C7 C12
电容470uF
4
2
C2 C5
电容0.01uF
2
3
C8 C10 C11 C13
电容0.1uF
4
4
C4 C9 C14
电容47uF
3
5
D1 D2
LED发光二极管
2
6
D3
二极管IN4148
1
7
R1 R5-R10
R17 R18
电阻1K
9
8
R3 R12-R16
电阻10K
6
9
R2
电阻2M
1
10
R4 R11
可变电阻
2
11
T1 T2 T3 T4
三极管9013
4
12
TR1 TR2
变压器TRANS
2
13
D

电桥BRIDGEI
1
14
QM-N110
气敏半导体传感器
1
15
U1 U2 U3
运算放大器LM324
3
16
MOTOR DC
直流电机
1
17
SPEAKER
蜂鸣器
1
18
U4
8脚时基集成电路NE555
1
19
U5
NE555
1
20
U6
三端小电流正稳压电源MC78L12CP
1
21
U7
LM79L12ACZ
1
22
S1
按键开关
1

合计:元件种类16种，元件总数为52。

参考文献：

1.孟贵华主编.《电子元器件选用入门》.北京：机械工业出版社，2004.
2.谢自华主编.《电子线路设计实验测试》.武汉：华中科技大学出版社.2003.
3.阎石.《数字电子技术基础》.3版.北京：高等教育出版社，1989.
4.张庆双.《电子元器件的选用与检测》.机械工业出版社.2003.
5.高吉祥.《电子技术基础实验与课程设计》.电子工业出版社.2002
6.赵保经.《中国集成电路大全》.国防工业出版社.1985.
7.李银华.《电子线路设计指导》.北京航空航天大学出版社.2005.

心得体会：
我们是在本周一开始电工与电子课程设计的实习的，上午我们先去红旗广场集合，然后拍照留念，最后金光浪老师站在炎炎烈日下，为我们讲解这周实习什么，实习的要求与方法，建了QQ群好为我们在线解答，同时也将我们分了下组，好管理一点。听完之后，感觉不怎么难，还有这么几天，应该能做完。可是当下载群里的软件后瞬间泪蹦了，完全不懂呀，以前没学过呀，Protel 99 SE这软件听都没听过，这是要考验我们的自我学习能力啊。下好软件之后，问题又来了，全是英语，想方设法汉化后，还是跟英文的没什么区别，然后之后静下来，网上找视频自学软件了。
下一步便是找电路图了，这一找便是一天不归路。因为首先电路图得要有12种元件以上，元件总数要25以上，刚开始以为多画几个电阻或电容就完事了的。其次电路图要能看懂，这个电路的作用，还要能将此电路分解成几个部分电路。有的电路图中的元件我都看不懂，不认识。最后，好不容易，在网上找到类似的模板了，可是我们是需要查重的，查重高于50%以上就是不及格了，看来原创显得十分重要了。不过电路图和电路的作用介绍得从网上改编了。感叹当初读书少。
然后我选择先写电工与电子课程设计报告，这样画图才有依据，可以按照上面的介绍来画。画图最难的还是找元件，有的元件没有，需要自建。幸好老师在群里可以及时解惑，不然会很难画，当然同学们也可以相互讨论，帮忙。
图画完了，用软件检测，一看怎么好多错误，错误虽然标出来了，可是全是英语，也看不懂，只能在有x的上面找原因，请教老师了。之后就是另人激动的查重了。希望在20%左右。
这周实习马上就要结束了，感叹这周画电路图所经历的一切，一天差不多都对着电脑，感觉再不会爱看电脑了。这周虽然有点辛苦，但是收获挺多，学习了Protel 99 SE软件的使用，认识了很多元件，同时也加强了我们自学和互相探讨的能力。最后感谢不辞辛苦金老师一直在群里为我们解惑。

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