【文章內(nèi)容簡介】 設(shè)計說明書 (論文 ) 第 11 頁 共 28 頁 采 用接觸 燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下，則有可能在無焰燃燒的同時，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。因此 按期 對探頭進行標定，是必須且有效的辦法 。 一般連續(xù)使用兩個月后應(yīng)對傳感器進行量程校準，這種經(jīng)常性對傳感器的維護，無形中加大了工作人員的 工作量，同時增加了報警器的維護成本。 半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器 ， 以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高 、 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單 、使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 )和穩(wěn)定性 (使用壽命 )。 經(jīng)過對比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點更加突出 ， 且不會發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護成本較低等。因此，本設(shè)計采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo) 體 煙霧 傳感器中，根據(jù)各方面的要求，本設(shè)計選用 MQ2型煙霧傳感器。 半導(dǎo)體煙霧傳感器簡介 煙霧 傳感器的結(jié)構(gòu)、外形、分類 本設(shè)計中采用的 MQ2 型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式 N型半導(dǎo)體。當 其 處于 200～ 300℃ 時，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負離子吸附，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當與煙霧接觸時，如果晶粒間界處的勢壘 大小 受到該煙霧的 濃度的變化 而 發(fā)生 變化， 相應(yīng)的 就會引起電導(dǎo)率的變化。利用這一點就可以獲得這種煙霧存在的信息。 遇到可 燃煙霧（如 CH4等）時，原來吸附的氧脫 附 ，而可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當空氣中沒有煙霧時，二氧化錫半導(dǎo)體又會自動恢復(fù)氧的負離子吸附， 使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是 MQ2 型燃性 四川信息職業(yè)技 術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 12 頁 共 28 頁 煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。 MQ2 型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 310 所示。 圖 310 MQ2型傳感器的結(jié)構(gòu)圖 半導(dǎo)體 煙霧 傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的 煙霧 傳感器以及用單晶半導(dǎo)體制作的 煙霧 傳感器。 煙霧 傳感器外形 如圖 311所示。 按敏感機理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有 N型和 P型之分。 N 型在檢測時阻值隨煙霧濃度的增大而減小； P型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。它具有靈敏度高 、 響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡單 、 使用方便、價格便宜等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體 煙霧 傳感器的性能主要 是 其靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性 。半導(dǎo)體煙霧 傳感器的分類如表 31所示。 圖 311 煙霧 傳感器外形圖 表 31 半導(dǎo)體煙霧傳感器的分類 主要物理特性 傳感器舉例 工作溫度 代表性被測氣體 電阻式 表面控制性 氧化錫、氧化 鋅 室溫 — 450℃ 可燃性氣體 體控制型 氧化鈦、氧化鈷 氧化鎂、氧化錫 300— 450℃ 700℃以上 酒精、可燃氣體、氧氣 非電阻式 表面電位 氧化銀 室溫 硫醇 二極管整流特性 鉑 /硫化鎘、鉑 /氧化鈦 室溫 — 200℃ 酒精、一氧化碳、氫氣 晶體管特性 鉑柵 MOS場效應(yīng)管 150℃ 氫氣、硫化氫 四川信息職業(yè)技 術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 13 頁 共 28 頁 (1) MQ2型傳感器的一般特點： ① MQ2型傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對烷類煙霧更為敏感。 ② MQ2型傳感 器具有良好的重復(fù)性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定 、 響應(yīng)時間短 、 長時間工作性能好。 ③ MQ2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精 、粉塵 等。 ④電路設(shè)計電壓范圍寬， 18V以下均可；加熱電壓 5177。 。 (2) MQ2型傳感器的特性參數(shù) ： ①回路電壓： (Vc)5～ 18V ②取樣電阻： (RL)～ 20K ③加熱電壓： (VH)5177。 ④加熱功率： (P)約 750mW ⑤靈敏度：以甲烷為例 R0(air)/RS(%CH4)＞ 5 ⑥響應(yīng)時間： Tres＜ 10秒 ⑦恢復(fù)時間： Trec＜ 30秒 煙霧檢測電路 煙霧檢測電路 是整機電路中最重要的組成部分之一，它的 的核心元件是 MQ2 型煙霧傳感器 。煙霧傳感器的工作電壓由直流穩(wěn)壓電源輸出的 +5V 電壓供給。在使用時，將電位器 R3的靈敏度調(diào)節(jié)到最高， 當電路處于無煙霧的 情況下， 煙感 元件 MQ2的極 片 AB間的阻值較大，該電阻與 R3 的分壓減小，相應(yīng)使 555④ 腳處于低電平， 555 停振， LED指示燈和蜂鳴器 不工作 。 當 煙感 元件 檢測 到 一定濃度的 可燃性氣體或煙霧時，其 煙感元件 極 片 AB 間的電阻降低，從而使該電阻與 R3的分 壓上升，相應(yīng) 555④ 腳電位上升，當 ④ 腳的電位上升到 以上時 ，即電壓超過臨界值 。 煙霧傳感器 將檢測到的煙霧信號 轉(zhuǎn)換成電信號 ，最后 傳輸?shù)?555 時基集成電路中，經(jīng)過 由 555 時基電路組成的多諧振蕩器 處理后，由報警電路 中 四川信息職業(yè)技 術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 14 頁 共 28 頁 蜂鳴器和 LED 燈 發(fā)出報警。煙霧檢測電路如圖 312所示 ： R310kVin1GND2Vout3U17805C3220uFC2220uFR210kD3ABffU3 圖 312 煙霧檢測電路 555 時基集成電路 555 時基電路簡介 555 集成時基電路稱為集成定時器，是一種數(shù)字 — 模擬混合型的中規(guī)模集成電路，其應(yīng)用十分廣泛。該電路使用靈活、方便，只需 要 外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn) 、施密特觸發(fā)器 和多諧 振蕩器 ，因而廣泛 應(yīng) 用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。它的內(nèi)部電 路 標準 的 使用了三個 5K的電阻，故取名 555 電路。其電路類型有雙極型和 CMOS 型兩大類，兩者的工作原理和結(jié)構(gòu)相似。幾乎所有的雙極型產(chǎn)品型號最后的三位數(shù)碼都是555 或 556；所有的 CMOS 產(chǎn)品型號最后四位數(shù)碼都是 7555 或 7556，兩者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。 555 和 7555 是單定時器， 556 和 7556 是雙定時器。雙極型的 電源 電壓是 +5V～ +15V，輸出的最大電流可達 200mA， CMOS 型的電源電壓是 +3V～+18V。 555 集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖 313 所示 ： 圖 313 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu) 四川信息職業(yè)技 術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 15 頁 共 28 頁 555 集成電路是 雙列直插型 8引 腳封裝， 引腳 排列方式 如圖 314 所示。 在本設(shè)計中選用型號為 NE555 的集成電路芯片， 各引腳功能為： 1 腳是地端 (GND)； 2 腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入； 3 腳是輸出端 (OUT)，它有 0和 1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定； 4 腳是復(fù)位端 (R )，加上低電平時可使輸出為低電平； 5 腳是控制電壓端(CO),可用它 改變上下觸發(fā)電平值； 6腳稱閾值端 (TH)，是上比較器的輸入 ； 7 腳是放電端 (D)，它是 內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定 ； 8腳是電源端 (Vcc)。 圖 314 555集成電路 外引腳排列 圖 555 時基電路的工作原理 555 電路的內(nèi)部電路含有兩個電壓比較器，一個基本 RS 觸發(fā)器，一個放電開關(guān) VT，比較器的參考電壓由三只 5KΩ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器 C1 同相比較端和低電平比較器 C2的反相輸入端的參考電平為 Vcc32 和 Vcc31 。 C1和 C2的輸出端控制RS 觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。 R 為復(fù)位端，當 R =0 時，定時器輸出 OUT 為 0。當 R =1 時，定時器有以下幾種功能： (1)當高觸發(fā)端 VccTH 32? ，且低觸發(fā)端 VccTR 31? 時，比較器 C1輸出為低電平； C1輸出的低電平將 RS 觸發(fā)器置為 0 狀態(tài)，即 Q=0 ， 使得定時器輸出 OUT 為 0，同時放電管 VT 導(dǎo)通。 (2)當 高 觸發(fā)端 VccTH 32? ，且 低 觸發(fā)端 VccTR 31? 時 ，比較器 C2輸出為低電平， C2輸出的低電平將 RS觸發(fā)器置為 1狀態(tài)，即 Q=1，使得定時器的輸出 OUT 為 1，同時放電管 VT 截止。 四川信息職業(yè)技 術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 第 16 頁 共 28 頁 (3)當高觸發(fā)端 VccTH 32? ，且低觸發(fā)端 VccTR 31? 時 ，定時器的輸出 OUT和 放電管VT 的狀態(tài)保持不變。 根據(jù)以上分析，同時得出 555 定時器的功能表見表 32 所示。 表 32 555定時器的功能表 輸入 輸出 TH TR R OUT VT 0 0 導(dǎo)通 Vcc32 Vcc31 1 0 導(dǎo)通 Vcc32 Vcc31 1 不變 不變 Vcc32 Vcc31 1 1 截止 555 時基電路的工作模式