沈 阳 航 空 航 天 大 学 Shenyang Aerospace University
安全科技创新大赛
----家庭燃气一体化处理装置
机电工程学院
吴家辉
创新创业学院
韦纯浩 彭龙雨 指导教师：曲娜
家庭燃气一体化处理装置设计说明书
作品内容简介
通过实验设计了一套家庭煤气报警装置，鉴于现有的煤气报警装置的缺点，并予以改进。目前,家用煤气报警器的功能十分有限，大多数产品仅有报警作用，只有少量产品兼有排气功能且能自动关闭阀门的煤气报警控制器。基于此缺点，我们发明了在煤气泄漏时，不仅能鸣声报警，打开排气扇，而且还能自动关闭煤气阀门，切断气源，并且之后可以向户主发送提示短信的家庭燃气泄露一体化处理装置。旨在能够更好更方便地处理一些危险状况，以有效地防止事故的发生。
家庭燃气泄露一体化处理装置的驱动电路由三极管开关电路组成，控制信号使三极管饱和导通，接在集电极的蜂鸣器通电发出报警声；排气扇及阀门开闭装置的驱动电路由继电器组成，控制信号使继电器线圈通电而吸合，其常开接点闭合，使相关电动机通电而被驱动。手控排气开关可实现报警控制与日常用炊兼容，日常炊事可自由开闭排气扇，对报警系统无影响。阀门开闭装置也设手控开关，必要时(如更换煤气表、煤气灶、煤气阀时或故障处理后复原时)可手控关闭或开启表前阀。GSM报警模块将报警信息以短信的方式发送到户主的手机上。
1研制背景及意义
目前,煤仍然是我国广大城乡的主要燃料。煤在燃烧过程中除提供热量外还向空气中释放出多种有害气体,其中煤气对人的危害非常大,特别是在冬春两季燃煤取暖时更是容易发生煤气中毒。据有关医院的调查,每年都有很多人因煤气中毒丧失性命,或留下后遗症而丧失劳动力,给社会和个人都造成了非常大的危害。为能及时准确地检测环境中的煤气并给予迅速报替,进行及时地通风换气或者离开污染现场,过去曾有不少人对之进行研究,但是,或者由于性能不完善,或者因为成本过高,或者因为特性不良,一直未见适用于推广的产品.煤气报警控制器在国外已成为一种相当成熟的产品，历史上最早发明煤气报警器的国家是日本，现有50多年的历史。
我国最早在70年代初期开始对于湿敏、温度、红外等各类传感器研究，并取得了很大的成就，对煤气报警器及其相应的气敏传感器的研究近十年才开始。目前我国煤气泄漏报警器的型号多样、品种较齐全，产品数量也在不断增加。近年来，在气体选择和产品稳定性上也有很大进步。但是主要是基于引进国外的先进的传感技术和生产工艺基础上，进行研究与开发的，无法形成自己的特色。基于此，我们发明了在煤气泄漏时，不仅能鸣声报警，打开排气扇，而且还能自动关闭煤气阀门，切断气源，并且之后可以向户主发送提示短信，必要时还会实现报警已为救援提供宝贵的救援时间，以减少危害的发生的家庭燃气泄露一体化处理装置。旨在能够更好更方便地处理一些危险状况，以有效地防止事故的发生。
1
2设计方案
2.1 方案简介
家庭燃气泄露一体化处理装置的驱动电路由三极管开关电路组成，控制信号使三极管饱和导通，接在集电极的蜂鸣器通电发出报警声；排气扇及阀门开闭装置的驱动电路由继电器组成，控制信号使继电器线圈通电而吸合，其常开接点闭合，使相关电动机通电而被驱动。手控排气开关可实现报警控制与日常用炊兼容，日常炊事可自由开闭排气扇，对报警系统无 影响。阀门开闭装置也设手控开关，必要时(如更换煤气表、煤气灶、煤气阀时或故障处理后复原时)可手控关闭或开启表前阀。GSM报警模块将报警信息以短信的方式发送到户主的手机上。甚至向外界报警求助，以减少危害。 日常用炊时 开启手动阀门关闭报警器一氧化碳检测装置工作 2.2新型全功能煤气报替仪的电路
该报警控制器电路由检测部分、输出控制部分、手动操作部分、电源电路、自动发送短信装置主控制芯片六部分组成.气敏传感器是一种用金属氧化物半导体材料制成的“ 气一电” 转换器件. 工作中, 当有煤气泄漏时, 其表面会立即发生化学吸附而使本身电阻下降, 从而输出电压, 产生“气—电” 信号, 完成煤气泄漏的检测. 气敏传感器的加热器(简称热丝)容易烧断, 但难于发现, 这是煤气报警器寿命短或不报警等故障的主要原因之一. 传感器自检与损坏报警电路可自动检测传感器的工作状态, 当热丝烧断时发出光报警(黄色 LED2 点亮), 提示用户及时更换.控制电路由施密特触发器 SM 1、SM 2、单稳态触发器 DW1 和准双稳态电路 SW(第一次触发, 变成另一种状态, 再次触发, 状态不变)组成,按图连接能获得多级延时和多个独立的控制输出信号, 可先后控制声报警, 排气扇启动, 阀门开闭装置启动和光报警等.延时的目的是为了减小传感器初始稳态的影响, 防止某些干扰引起误报警, 防止在短时或可控的煤气泄漏(如煤气灶点火时可能产生的瞬间煤气泄漏) 时频繁地切断气源.驱动电路设计成三种类型: ( 1)光报警( 红色LED3)由控制器输出的控制信号直接驱动. ( 2)声报警的驱动电路由三极管开关电路组成, 控制信号使三极管饱和导通, 接在集电极的蜂鸣器通电发出报警声; ( 3)排气扇及阀门开闭装置的驱动电路由继电器组成, 控制信号
2
CO含量过高时 单片机工作 光报警 CO含量降低时，停止单片机声报警 长时间无人响应报警器工作时 GSM启动 图（一）方案简介图示
使继电器线圈通电而吸合, 其常开接点闭合, 使相关电动机通电被驱动. 手控排气开关( S1)可实现报警控制与日常用炊兼容, 日常炊事可自由开闭排气扇, 对报警系统无影响. 阀门开闭装置也设手控开关( S2), 必要时( 如更换煤气表、煤气灶、煤气阀时或故障处理后复原时) 可手控关闭或开启表前阀。 总体上可以分为六个部分：
（1） 煤气泄漏检测部分
煤气泄漏检测部分由传感器测量电路、传感器自检电路、NE555延时电路和等
级比较电路组成。气体传感器负责煤气浓度信号采集，将煤气浓度信号转换为电压信号，传感器自检电路检测传感器是否损坏，等级比较电路起到电压信号
的比较和开关作用，检测煤气泄漏浓度是否超过设定的报警值。
（2） 输出控制部分
输出控制电路由声报警电路和驱动电路组成，驱动电路包括排气扇驱动电路和煤气电磁阀门驱动电路。输出控制电路主要用于对煤气泄漏的处理，用声音报警方式通知户主家中煤气泄漏。
（3） 手动操控部分
为了在日常用炊时不会开启此电路，以造成不便，特意设置手动操控部分。日常用炊时，只要将手动操控部分拉起，此装置就不在工作，此时最好在用炊时
打开窗话，以排出有害气体。
（4） 电话自动发送短信与向外报警
由STC89C51单片机进行控制。模拟摘挂机电路控制电话的摘挂机；信号音检
测电路将交换机传来的信号音传递给单片机进行分辨；发号电路主要功能是发送拨码信息，控制交换机完成对指定用户的自动接续；语音控制与录放电路用
来录制预播放的语音，接通电话后，将预先录好的语音信息进行播放。
（5） 主控制芯片
主控制芯片采用51单片机开发板， （6） 电源部分
在各种电子设备中，电源是不可缺少的组成部分。本设计采用单相交流电经过电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定直流电压，供给硬件
设备
3
检测电路 气敏传感器 与检测电路 延时 控制电路驱动电路 施密特触发器（一） 声报警电路 SM1 手动开闭排气扇 延时 气敏传感器自检 与损坏报警电路 手动解除光报警 电源电路 施密特触发器（二） SM2 排气扇驱动电路 V启动GSM 单稳态触发器 DW 阀门开闭装置 驱动电路 阀门开闭装M2 手动开闭气源 准双稳态电路 SW 光报警电图（二）工作原理简图 2.3 主要元器件功能简介 （1） 气敏传感器
气敏传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的一氧化碳(CO)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。即可激活传感器，完成接下来的一系列操作。
（2）放大电路：
采用单管放大电路套件分压式偏置电路三极管放大CO检测装置放大电路
（amplificationcircuit）能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置（核心为三极管、场效应管），得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。
图（三）气敏传感器
4
（3）A/D转换器：
采用51单片机的配套转换线，能将模拟信号转变为数字信号的电子元件。通常的模数转换器是将一个输入电压信号转换为一个输出的数字信号。
（4）单片机：
51单片机开发板51/AVR单片机最小系统板51单片机学习板51单片机开发板也称51单片机实验板、51单片机学习板。是用于学习51型号的单片机的实验及学习器件，他是将51单片机常用的外围。比如流水灯，数码管，矩阵键盘，EEPROM，时钟，蜂鸣器，继电器及集成在一小块电路板上。便于携带及学习，直接插在PC机上面。随时随地的进行学习，另外一些中小型项目也可以直接在此板上面进行二次开发，开发完成后即可以在此基础上面重新画图做板，极大的缩短了公司的开发周期，节省硬件成本。 单片机在本次作品中的作用也很大，当一氧化碳处于一定浓度时，一氧化碳检测装置开始工作，之后单片机就相当于整个电路中的“总司令”，协调作品中的其余元件。
（5）报警灯：
采用LED灯，LED灯的优点也有很多 一、体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。[4]
二、电压低
LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。只需要极微弱电流即可正常发光。
三、使用寿命长
在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。
四、高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比同等功率普通照明灯具低很多。 五、环保
LED是由无毒的材料构成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
5
图（四）A/D转换器
图（五）LED灯
（6）蜂鸣器：
采用实验室用的蜂鸣器元件蜂鸣器作品中的蜂鸣器,主要是为了当室内的一氧化碳的浓度达到某一个预定值的时候,系统能够发出报警的声音,以便室内的主任能够根据警报作出快速的反映,比如打开门或者是窗户甚至是逃离房间等等。蜂鸣器的电路也不复杂,如图所示
图（六）蜂鸣器电路
（7）排气扇：
根据房间的大小，应采取不同型号的排气扇。
（8）电磁继电器及其导线：
采用一般实验室用的小型电磁继电器和导线，电磁继电器是利用电磁铁控制工作电路通断的开关.
(1)结构：电磁继电器的主要部件是电磁铁A、衔铁B、弹簧C和动触点D、静触点E.(如图所示)
(2)工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路两部分，低压控制电路包括电磁继电器线圈(电磁铁A)，低压电源E1，开关S;高压工作电路包括高压电源E2，电动机M，电磁继电器的触点D、E部分.
(3)工作原理——闭合低压控制电路中的开关S，电流通过电磁铁A的线圈产生磁场，从而对衔铁B产生引力，使动、静触点D与E接触，工作电路闭合，电动机工作;当断开低压开关S时，线圈中的电流消失，衔铁B在弹簧C的作用下，使动、静触点D、E脱开，工作电路断开，电动机停止工作。
电磁继电器在本实验中主要作用是用来在一氧化碳浓度过高时作为闭合的开关，在处理完毕一氧化碳浓度降至无害范围内时作为断开的电源，一切原件除了一氧化碳检测装置都停止工作。
6
图（七）电磁继电器工作原理
（9）导线：
用于连接220V电压排气扇正常工作的导线和各种继电器元件所需的导线 （10）二极管：
采用一般的电路二极管 （11）施密特触发器
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
3工作原理及性能分析
由于一般的可燃性气体主要构成气体成份都是CO，故系统中的气敏传感器就起到了检测作用，就相当于整个电路中的开关。当燃气泄漏后，检测空气中可燃气体浓度超过报警值时，单片机工作，同时单片机带动声光报警及风扇启动，若声光报警长期无人处理，则GSM插件开始工作，向户主发送短信，并向外求助。，待一氧化碳浓度重新回到安全值时，气敏传感器反馈给单片机。单片机停止工作，声光报警解除，风扇停止。 故该系统功能如下：
1）检测空气中的一氧化碳浓度；
2）一氧化碳浓度超标时，单片机工作，声光报警，风扇启动； 3）声光报警长期无人处理，GSM工作，向户主发送短信，并向外求助； 4）一氧化碳值重新回复安全值，除气敏传感器，其余停止工作。
7
其工作原理是由气敏传感器检测出其浓度达到危险值时自动报警，并让其信号传递给蜂鸣报警器和报警灯自动报警，同时风扇启动，排出一氧化碳气体。长时间无人处理报警装置，GSM插件启动，向户主发送短信，并向外界求助。待一氧化碳达到安全值，警报解除，风扇停止工作。
4创新点及应用
1）本产品能在一氧化碳浓度过高时实现自动报警； 2）操作简便，每个人都可以熟练使用； 3）不仅可以报警，还可以处理危险情况；
4）报警无人处理，可以向户主发送短信和向外界求助；
5）待处理完危险状况，会自动关闭报警及风扇，以节省能源。
参考文献
［1］何道清，张禾．传感器与传感器技术[M]．科学出版社，2008．
［2］杜刚，张东霞．16 位单片机原理及应用学习与实验指导[M]．中国电力出版社，2008.12． ［3］凌阳．16 位单片机应用基础[M]．北京航空航天大学出版社，2003．
［4］余锡存，曹国华．单片机原理及接口设计[M]．2 版．西安电子科技大学出版社，2007. ［5］刘良福 ,黄隆胜.能自动关闭阀门的煤气报警控制器[M].赣南师范学院学报
8
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容