传感器优秀课程设计.docx

目 录
内容摘要 ………………………………………………………… 2
第1章 课程设计目标和要求 …………………………… 3
1.1 课程设计目标 …………………………………… 3
1.2 课程设计题目和任务 …………………………… 3
1.3 课程设计要求 …………………………………… 4
第2章 总体设计 ……………………………………… 4
2.1 方案1 …………………………………………… 4
2.2 方案2 …………………………………………… 5
2.3 方案3 …………………………………………… 6
2.4 方案比较 ………………………………………… 7
2.5 方案选择 ………………………………………… 7
第3章 气敏传感器选择 …………………………… 8
3.1 MC101 ……………………………………………… 8
3.2 QM-N5 ……………………………………………… 9
3.3 MQ-2 ………………………………………………… 10
3.4 气敏传感器选择 ……………………………… 14
第4章 单元电路设计 …………………………………… 14
4.1 电源电路 ………………………………………… 14
4.2 气敏探测电路 ……………………………………… 14
4.3 555集成电路 ……………………………………… 15
4.4 555定时器无稳态音频振荡电路 …………………… 16
第5章 设计总结 …………………………………………… 18
参考文件 ……………………………………………… 20
附录一 设计电路原理图 …………………………… 21
附录二 实物图 …………………………………………… 22

天然气泄漏报警装置说明书

内容摘要

关键词：气敏传感器 报警电路 

第1章 课程设计目标和要求
1.1 课程设计目标
传感器原理课程设计是《传感器原理》课程一个关键实践性教学步骤，其目标在于：深入巩固和加深学生所学理论知识；培养学生利用理论知识独立处理相关本课程实际问题能力，使学生对传感器工作原理、设计理论和应用有较完整、系统概念；使学生掌握传感器选择标准、总体电路设计及元器件选择方法；深入提升学生绘图、计算和使用技术资料能力。
此次我们做设计题目是天然气泄漏报警装置，相关天然气我们可能全部有所了解，天然气关键成份是烷烃，其中甲烷含量在95%以上。人所赖以生存空气中有大约20%氧气，假如人生活空间是封闭空间，氧气稀薄，人会因氧气不足，造成窒息、昏迷，有心脑血管疾病人将会危及生命。室内天然气泄漏会使室内空气中氧气相对稀薄，因为天然气是无色无味，人极难觉察到，尤其当人处于睡眠状态时，天然气泄漏就愈加危险，甚至会使人窒息。天然气另一危险是当空气中天然气含量达成一定含量时，碰到明火就会产生爆炸，危及人生命安全。由此我们这次课设目标成在天然气达成一定浓度时装置发出警报，以使大家能及早发觉天然气泄露，做出应对方法，是安全隐患立即消除。
1.2课题设计题目和任务
天然气泄漏报警装置，工作要求：利用气敏传感器设计一个天然气泄漏报警器，要求有 检测，报警输出。需完成任务有：
（1）敏传感器测量某环境天然气浓度；
（2）当浓度超出设定值时蜂鸣器报警，发光二极管发光；
（3）能够依据需要设定上下限报警浓度；
（4）利用Protel绘制电路图；
（5）焊接电路板。
1.3课程设计要求
依据给定设计任务，综合利用所学知识，合理选择传感器类型，确定总体电路设计方案，并对电路中元器件进行选择和相关计算，绘制电路图，并焊接对应电路板。在课程设计过程中，学生应有效地结合本课程基础理论和方法，广泛查阅传感器手册和对应技术资料，合理设计对应电路，完成任务要求。学生应在老师指导下独立完成设计任务。
第2章 总体设计
2.1 方案1
该方案关键由电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭天然气装置电路等五部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V直流稳压电源；气敏探测电路负责探测天然气浓度及将其转化为电信号，并将采集到信号传给信号放大器；信号放大器关键负责将接收到信号放大，并分别传输给报警器和自动关闭天然气装置电路；报警器关键负责当日然气浓度达成一定危害程度时立即发出报警；自动关闭天然气装置电路负责当日然气浓度达成一定危害程度时立即关闭煤气装置，使其停止工作。其原理框图图2.2所表示。
电源
电路

气敏
探测
电路

信号放大器
报警器
自动关闭煤气装置电路

图2.1 方案1原理框图
2.2 方案2
该方案关键由电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供15V直流稳压电源；气敏探测电路负责探测天然气浓度及将其转化为电信号，并将采集到信号传给单片机部分；单片机部分关键负责处理接收到信号，并将处理后信号分别传输给报警器和自动关闭天然气装置电路；报警器关键负责当日然气浓度达成一定危害程度时立即发出报警；自动关闭天然气装置电路负责当日然气浓度达成一定危害程度时立即关闭天然气装置，使其停止工作。其原理框图图2.3所表示。

电源
电路

气敏
探测
电路

单片机部分
报警器
自动关闭煤气装置电路

图2.2 方案2原理框图
2.3 方案3
该方案关键由电源电路、气敏探测电路、555时基电路气体报警电路三部分组成。在本方案中，电源电路负责给整个电路提供5V直流稳压电源；气敏探测电路负责探测煤气浓度及将其转化为电信号；报警电路关键负责当日然气浓度达成一定危害程度时立即发出报警。当无气体时，气敏传感器电阻很大，因为电位器Rp滑动触点输出电压小于0.7V，555集成电路4脚被强行复位，振荡器处于不工作状态，报警器不发声响。当周围空气有气体时，气敏传感器电阻减小，555集成电路4脚变为高电平，振荡器电路起振，蜂鸣器发出报警声。
电源
电路

气敏
探测
电路

555振荡报警电路

图2.5 方案3原理框图
2.4方案比较
上面三个方案全部是设计煤气报警器，本质上全部相同，只是实现方法上有些差异。方案一采取了电源电路、气敏探测电路、信号放大器、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功效。方案二采取了电源电路、气敏探测电路、单片机部分、报警器、自动关闭煤气装置电路等五部分来实现报警功效。方案三采取简单定电源电路、气敏探测电路、555时基电路气体报警电路实现检测报警装置。三种方案关键区分在于：方案一相对于方案一来说关键区分在于缺乏了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之是自动关闭煤气装置电路，现在只含相关闭煤气功效，缺乏了处理泄漏煤气步骤，同时在处理采集到信号时采取了信号放大器，经过对信号放大来实现信号高效传输。方案二相对于方案一来说关键区分在于缺乏了开放式空气负离子发生器这一部分，取而代之是自动关闭煤气装置电路，现在只含相关闭煤气功效，缺乏了处理泄漏煤气步骤，同时在处理采集到信号时采取了单片机，经过单片机高集成性来处理采集到信号。方案三使了气敏探测电路和555定时器多谐振荡来实现报警功效
2.5 方案选择
经过对三个方案从各方面比较，我选择了第三种方案，原因是方案一和方案二即使全部能实现煤气检测及报警功效，而且实现起来也比较简单，不过和三比较起来，还是方案三比较轻易实现，材料轻易买到，555定时器灵敏度高，功效灵活，在电子电路中应用也比较广泛。
第3章 气敏传感器选择

3.1 MC101
1.关键特点及应用
·桥路输出电压呈线性
·响应速度快                          
·含有良好反复性，选择性                    
·元件工作稳定、可靠
·优异抗H2S、有机硅中毒能力
·工业现场天然气、液化气、煤气、 烷类等可燃性气体及汽油、醇、酮、苯等有机溶剂蒸汽浓度检测。
·可燃性气体泄漏报警器；可燃性气体探测器；气体浓度计。
∮关键技术参数:
产品型号
MC101
产品类型
载体催化元件
标准封装
塑料封装
工作电压(V)
3.0±0.1
工作电流(mA)
110±10
灵敏度(mV)
1%甲烷
25~50
1%丁烷
30~50
1%氢气
25~45
线形度（%）
≤5
测量范围（％LEL）
0~100
响应时间 (90%)
小于10秒
恢复时间 (90%)
小于30秒
使用环境
-40－+70℃ 低于95%RH
储存环境
-20—+70℃ 低于95%RH
外形尺寸（mm）
Φ12mm×8mm

3.2 QM-N5
1.QM-N5特点
QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度增加而快速升高。
特点：
1、 用于可燃性气体检测（CH4、C4H10、H2等）
2、 灵敏度高
3、 响应速度快
4、 输出信号大
5、 寿命长，工作稳定可靠

3.3 MQ-2
1.MQ-2 烟雾传感器应用和优点
1)可用于家庭和工厂气体泄漏监测装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等探测。注意:更确切说MQ-2 是一款可燃气体探测器。
2)广泛探测范围,高灵敏度/快速响应恢复,优异稳定性/寿命长,简单驱动电路。
2.MQ-2 原理、特征和结构
MQ-2 工作原理
MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料,属于表面离子式N 型半
导体。当处于200~300°C 温度时,二氧化锡吸附空气中氧,形成氧负离子吸附,使半导体中电子密度降低,从而使其电阻值增加。当和烟雾接触时,假如晶粒间界处势垒受到该烟雾调制而改变，引发表而电导率改变。利用这一点就能够取得这种烟雾存在信息,烟雾浓度越大,电导率越大输出电阻越低。
MQ-2 特征
1) MQ-2 型传感器对天然气等有很高灵敏度,尤其对烷类烟雾更为敏感含有良好抗干扰性,可正确排除有刺激性非可燃性烟雾干扰信息,。
2) MQ-2 型传感器含有良好反复性和长久稳定性。初始稳定,响应时间短,长时间工作性能好注意:【使用前必需先加热一段时间,不然其输出电阻和电压不正确】。
3) 其检测可燃气体和烟雾范围是100-10000ppm
4) 电路设计电压范围宽,24V 以下均可;加热电压5±0.2V 。
3．MQ-2 计算公式
MQ-2 计算公式
阻值R 和空气中被测气体浓度C 计算关系式(SNO2)敏感元件阻值R 和空气中被测气体浓度C 成对数关系改变可参考公式3-1:
logR=mlogC+n(m、n 均为常数)(3-1)
n 和气体检测灵敏度相关,除了随传感器材料和气体种类不一样而改变外,还会因为测量温度和激活剂不一样而发生大幅度改变。其次,m 表示随气体浓度而改变传感器灵敏度(也称之为气体分离率)。对于可燃性气体来说,
m 值多数介于1/2 至1/3 之间。

传感器电阻计算
参考MQ-2datasheet 可用下式3-2 计算:
Rs=(Vc/V RL -1)×R L (3-2)
式中Vc 为回路电压,V RL 是传感器4 脚、6 脚输出电压即U shuchu ,R L 是负载电阻。更具上式即可即可算出传感器电阻Rs。
MQ-2 传感器输出电压
MQ-2 传感器输出电压计算:
依据MQ-2 工作原理(其电导率伴随气体浓度增大而增大,其电阻是电
导率倒数,所以其电阻是减小,其特征相当于一个滑动变阻器)而且参考图
MQ-2 Datasheet 上测试电路,在依据哥设计实际电路图3。能够得到下
面公式3-3:
U shuchu =(R11/R11+Rs)*V c (3-3)
Vc 为回路电压即电源电压,其加在MQ-2 传感器1 脚、3 脚之间。U shuchu
是传感器4 脚、6 脚输出电压,Rs 为传感器体电阻。其中若气体浓度上升,
必造成Rs 下降。而Rs 下降则会造成,MQ-2 4 脚、6 脚对地输出电压
增大。所以气体浓度增大,其输出电压也会增大。

4．电阻式气敏器件MQ－2参数
A. 标准工作条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Vc
回路电压
≤15V
AC or DC
VH
加热电压
5.0V±0.2 V
AC or DC
RL
负载电阻
可调

RH
加热电阻
31Ω±3Ω
室温
PH
加热功耗
≤900mW

B. 环境条件
符号
参数名称
技术条件
备注
Tao
使用温度
　　-10℃-50℃

Tas
储存温度
　　-20℃-70℃
RH
相对湿度
　　小于　95%RH
O2
氧气浓度
　　21%(标准条件)
氧气浓度会影响灵敏度特征
最小值大于２％
C. 灵敏度特征
符号
参数名称
技术参数
备注
Rs
敏感体表面电阻
3KΩ-30KΩ
(1000ppm 异丁烷 )
探测浓度范围
100ppm-10000ppm
液化气和丙烷
300ppm-5000ppm 丁烷
5000ppm-0ppm 甲烷
300ppm-5000ppm 氢气
100ppm-ppm 酒精
α(3000/1000)
异丁烷
浓度斜率

≤0.6
标准工作条件
温度： 20℃±2℃ Vc:5.0V±0.1V
相对湿度： 65%±5% Vh: 5.0V±0.1V

预热时间
不超出1小时

MQ-2气敏元件结构和外形图所表示(结构 A or B), 由微型AL2O3陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器组成敏感元件固定在塑料或不锈钢制成腔体内，加热器为气敏元件提供了必需工作条件。封装好气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

3.4气敏传感器选择
MQ-2适适用于甲烷，乙烷等天然气及气态烟雾检测，而QM-N5较适适用于液态甲烷，煤制气检测。相对来说MQ-2可检测气体较多，而且检测范围比QM-N5适宜，在市场上MQ-2价格低，便于购置，性价比高，MQ-2公式计算也较方便查到，QM-N5检测范围也没有MQ-2广，而MC101适适用于甲烷、液化气、丙烷等可燃性气体，电压较低，测量范围也不如MQ-2，所以选择MQ-2来作为此次课程设计气敏传感器。
第4章 单元电路设计
4.1 电源电路
采取USB供电，简化供电过程，而且使用安全，便于实现供电，符合所选气敏传感器供电需求。

4.2 气敏探测电路
气敏探测电路由气敏元件MQ-N5、电位器RP，电路结构图图4-1所表示。气敏元件预热数分钟后，在清洁空气中，测量极A-A和B-B之间电阻为一个稳定值，合适调整电位器RP，可使B-B端电压靠近为零（即RP为调零电位器），当气敏元件碰到煤气后，A-A和B-B之间电阻相继下降，B-B端电位则上升。利用B-B端电位去控制555定时器复位脚。

图4-1

4.3 555集成电路
报警电路由555时基电路NE555、发光二极管、蜂鸣器及阻容元件等组成，蜂鸣器等组成音频振荡器，其电路结构图如4-2所表示。

图4-2

4.4 555定时器无稳态音频振荡器原理
555 集成电路开始出现时是作定时器应用，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。不过以后经过开发，它除了作定时延时控制外，还能够用于调光、调温、调压、调速等多个控制和计量检测等作用；还能够组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，作为交流信号源和完成电源变换、频率变换、脉冲调制等用途。因为它工作可靠、使用方便、价格低廉，所以现在被广泛用于多种小家电中。
555 集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、触发器、输出管和放电管等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路混合体。它性能和参数要在非线性模拟集成电路手册中才能查到。 555 集成电路是 8 脚封装，其中 6 脚称阀值端（ TH ），是上比较器输入。 2 脚称触发端（ ），是下比较器输入。 3 脚是输出端（ V O ），它有 0 和 1 两种状态，它状态是由输入端所加电平决定。 7 脚放电端（ DIS ），它是内部放电管输出，它也有悬空和接地两种状态，也是由输入端状态决定。 4 脚是复位端（ ），加上低电砰（＜ 0.3 伏）时可使输出成低电平。 5 脚称控制电压端（ V C ），能够用它改变上下触发电平值。 8 脚是电源， 1 脚为地端。 输入电压小于0.7V，4脚被强行复位，3脚没有信号输出，当输入电压大于0.7V时，555定时器开启，输出方波，组成振荡器。
在这次课程设计中利用555时基电路组成无稳态音频振荡器，图示4-3

图4-3
第5章 设计总结
经过两周课程设计，我们基础完成了目标要求，在这个过程中我们碰到了很多困难，我们利用所学书本知识，和查阅相关文件，对设计过程中、所碰到问题全部一一攻破，经这次设计证实，将所学知识和传感器电路设计方法相结合，大大调动了我们学习主动性，并有利于我们系统科学地培养我们实际动手能力，工程设计能力及创新设计能力，活耀了我们思维，既符合由简到繁，循序渐进教学规律，又能激发我们对传感器使用爱好。
在这次课设中，经过我们碰到多种问题，处理问题，加深了我所学知识了解，锻炼了我在有限时间里处理对应任务能力。另外，本课程设计是我们专业课程知识综合应用实践训练，经过这次课程设计，我深深体会到和人合作关键性，我在做课程设计是，一直全部是和小组人员合作，大家共同讨论碰到难题，在处理了一个个问题后，即使我们设计基础达成预期效果，不过经过画图，测试和调试以后，对本专业知识我们也有了更新认识。
从这次课程设计中，我们真真正正意识到，在以后学习中，要理论联络实际，把我们所学理论知识用到实际当中，学习传感器更是如此，只有在认真去思索怎用去应用了过程中才能提升。感谢李恒灿，师树恒两位老师指导和帮助，才有了我们这次课设顺利完成。

参 考 文 献
1.唐文彦.传感器.第四版.北京:机械工业出版社, .
2.袁希光.传感器技术手册.北京:国防工业出版社,1986.
3.王煜东.传感器应用电路400例.北京:中国电力出版社，.
4.梁福平.传感器原理及检测技术.武汉:华中科技大学出版社,.
5.张洪润.传感器应用设计300例.北京：北京航空航天大学出版社 .

附录1
设计电路原理图

附录2
实物图