家庭燃?xì)馓幚硪惑w化裝置

1、沈 陽(yáng) 航 空 航 天 大 學(xué)Shenyang Aerospace University安全科技創(chuàng)新大賽-家庭燃?xì)庖惑w化處理裝置機(jī)電工程學(xué)院 吳家輝創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院韋純浩彭龍雨指導(dǎo)教師：曲娜家庭燃?xì)庖惑w化處理裝置設(shè)計(jì)說(shuō)明書作品內(nèi)容簡(jiǎn)介通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套家庭煤氣報(bào)警裝置，鑒于現(xiàn)有的煤氣報(bào)警裝置的缺點(diǎn)，并予以改進(jìn)。目前,家用煤氣報(bào)警器的功能十分有限，大多數(shù)產(chǎn)品僅有報(bào)警作用，只有少量產(chǎn)品兼有排氣功能且能自動(dòng)關(guān)閉閥門的煤氣報(bào)警控制器。基于此缺點(diǎn)，我們發(fā)明了在煤氣泄漏時(shí)，不僅能鳴聲報(bào)警，打開排氣扇，而且還能自動(dòng)關(guān)閉煤氣閥門，切斷氣源，并且之后可以向戶主發(fā)送提示短信的家庭燃?xì)庑孤兑惑w化處理裝置。旨在能夠更好更

2、方便地處理一些危險(xiǎn)狀況，以有效地防止事故的發(fā)生。家庭燃?xì)庑孤兑惑w化處理裝置的驅(qū)動(dòng)電路由三極管開關(guān)電路組成，控制信號(hào)使三極管飽和導(dǎo)通，接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報(bào)警聲；排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動(dòng)電路由繼電器組成，控制信號(hào)使繼電器線圈通電而吸合，其常開接點(diǎn)閉合，使相關(guān)電動(dòng)機(jī)通電而被驅(qū)動(dòng)。手控排氣開關(guān)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制與日常用炊兼容，日常炊事可自由開閉排氣扇，對(duì)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)影響。閥門開閉裝置也設(shè)手控開關(guān)，必要時(shí)(如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時(shí)或故障處理后復(fù)原時(shí))可手控關(guān)閉或開啟表前閥。GSM報(bào)警模塊將報(bào)警信息以短信的方式發(fā)送到戶主的手機(jī)上。1研制背景及意義目前,煤仍然是我國(guó)廣大城鄉(xiāng)的主要燃料。煤在燃燒過(guò)程

3、中除提供熱量外還向空氣中釋放出多種有害氣體,其中煤氣對(duì)人的危害非常大,特別是在冬春兩季燃煤取暖時(shí)更是容易發(fā)生煤氣中毒。據(jù)有關(guān)醫(yī)院的調(diào)查,每年都有很多人因煤氣中毒喪失性命,或留下后遺癥而喪失勞動(dòng)力,給社會(huì)和個(gè)人都造成了非常大的危害。為能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境中的煤氣并給予迅速報(bào)替,進(jìn)行及時(shí)地通風(fēng)換氣或者離開污染現(xiàn)場(chǎng),過(guò)去曾有不少人對(duì)之進(jìn)行研究,但是,或者由于性能不完善,或者因?yàn)槌杀具^(guò)高,或者因?yàn)樘匦圆涣?一直未見適用于推廣的產(chǎn)品.煤氣報(bào)警控制器在國(guó)外已成為一種相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，歷史上最早發(fā)明煤氣報(bào)警器的國(guó)家是日本，現(xiàn)有50多年的歷史。我國(guó)最早在70年代初期開始對(duì)于濕敏、溫度、紅外等各類傳感器研究，并取

4、得了很大的成就，對(duì)煤氣報(bào)警器及其相應(yīng)的氣敏傳感器的研究近十年才開始。目前我國(guó)煤氣泄漏報(bào)警器的型號(hào)多樣、品種較齊全，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。近年來(lái)，在氣體選擇和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。但是主要是基于引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)的傳感技術(shù)和生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)的，無(wú)法形成自己的特色。基于此，我們發(fā)明了在煤氣泄漏時(shí)，不僅能鳴聲報(bào)警，打開排氣扇，而且還能自動(dòng)關(guān)閉煤氣閥門，切斷氣源，并且之后可以向戶主發(fā)送提示短信，必要時(shí)還會(huì)實(shí)現(xiàn)報(bào)警已為救援提供寶貴的救援時(shí)間，以減少危害的發(fā)生的家庭燃?xì)庑孤兑惑w化處理裝置。旨在能夠更好更方便地處理一些危險(xiǎn)狀況，以有效地防止事故的發(fā)生。2設(shè)計(jì)方案2.1 方案簡(jiǎn)介家庭燃?xì)庑孤兑惑w

5、化處理裝置的驅(qū)動(dòng)電路由三極管開關(guān)電路組成，控制信號(hào)使三極管飽和導(dǎo)通，接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報(bào)警聲；排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動(dòng)電路由繼電器組成，控制信號(hào)使繼電器線圈通電而吸合，其常開接點(diǎn)閉合，使相關(guān)電動(dòng)機(jī)通電而被驅(qū)動(dòng)。手控排氣開關(guān)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制與日常用炊兼容，日常炊事可自由開閉排氣扇，對(duì)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)影響。閥門開閉裝置也設(shè)手控開關(guān)，必要時(shí)(如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時(shí)或故障處理后復(fù)原時(shí))可手控關(guān)閉或開啟表前閥。GSM報(bào)警模塊將報(bào)警信息以短信的方式發(fā)送到戶主的手機(jī)上。甚至向外界報(bào)警求助，以減少危害。開啟手動(dòng)閥門報(bào)警器工作時(shí)CO含量降低時(shí)，停止單片機(jī)日常用炊時(shí)關(guān)閉報(bào)警器聲報(bào)警CO含量過(guò)高時(shí)單片機(jī)工

6、作一氧化碳檢測(cè)裝置工作光報(bào)警長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人響應(yīng)GSM啟動(dòng)圖（一）方案簡(jiǎn)介圖示2.2 新型全功能煤氣報(bào)替儀的電路該報(bào)警控制器電路由檢測(cè)部分、輸出控制部分、手動(dòng)操作部分、電源電路、自動(dòng)發(fā)送短信裝置主控制芯片六部分組成.氣敏傳感器是一種用金屬氧化物半導(dǎo)體材料制成的“ 氣一電” 轉(zhuǎn)換器件. 工作中, 當(dāng)有煤氣泄漏時(shí), 其表面會(huì)立即發(fā)生化學(xué)吸附而使本身電阻下降, 從而輸出電壓, 產(chǎn)生“氣電” 信號(hào), 完成煤氣泄漏的檢測(cè). 氣敏傳感器的加熱器(簡(jiǎn)稱熱絲)容易燒斷, 但難于發(fā)現(xiàn), 這是煤氣報(bào)警器壽命短或不報(bào)警等故障的主要原因之一. 傳感器自檢與損壞報(bào)警電路可自動(dòng)檢測(cè)傳感器的工作狀態(tài), 當(dāng)熱絲燒斷時(shí)發(fā)出光報(bào)警(黃

7、色 LED2 點(diǎn)亮), 提示用戶及時(shí)更換.控制電路由施密特觸發(fā)器 SM 1、SM 2、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 DW1 和準(zhǔn)雙穩(wěn)態(tài)電路 SW(第一次觸發(fā), 變成另一種狀態(tài), 再次觸發(fā), 狀態(tài)不變)組成,按圖連接能獲得多級(jí)延時(shí)和多個(gè)獨(dú)立的控制輸出信號(hào), 可先后控制聲報(bào)警, 排氣扇啟動(dòng), 閥門開閉裝置啟動(dòng)和光報(bào)警等.延時(shí)的目的是為了減小傳感器初始穩(wěn)態(tài)的影響, 防止某些干擾引起誤報(bào)警, 防止在短時(shí)或可控的煤氣泄漏(如煤氣灶點(diǎn)火時(shí)可能產(chǎn)生的瞬間煤氣泄漏) 時(shí)頻繁地切斷氣源.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)成三種類型: ( 1)光報(bào)警( 紅色LED3)由控制器輸出的控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng). ( 2)聲報(bào)警的驅(qū)動(dòng)電路由三極管開關(guān)電路組成, 控

8、制信號(hào)使三極管飽和導(dǎo)通, 接在集電極的蜂鳴器通電發(fā)出報(bào)警聲; ( 3)排氣扇及閥門開閉裝置的驅(qū)動(dòng)電路由繼電器組成, 控制信號(hào)使繼電器線圈通電而吸合, 其常開接點(diǎn)閉合, 使相關(guān)電動(dòng)機(jī)通電被驅(qū)動(dòng). 手控排氣開關(guān)( S1)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警控制與日常用炊兼容, 日常炊事可自由開閉排氣扇, 對(duì)報(bào)警系統(tǒng)無(wú)影響. 閥門開閉裝置也設(shè)手控開關(guān)( S2), 必要時(shí)( 如更換煤氣表、煤氣灶、煤氣閥時(shí)或故障處理后復(fù)原時(shí)) 可手控關(guān)閉或開啟表前閥?？傮w上可以分為六個(gè)部分：（1） 煤氣泄漏檢測(cè)部分 煤氣泄漏檢測(cè)部分由傳感器測(cè)量電路、傳感器自檢電路、NE555延時(shí)電路和等級(jí)比較電路組成。氣體傳感器負(fù)責(zé)煤氣濃度信號(hào)采集，將煤氣濃度

9、信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，傳感器自檢電路檢測(cè)傳感器是否損壞，等級(jí)比較電路起到電壓信號(hào)的比較和開關(guān)作用，檢測(cè)煤氣泄漏濃度是否超過(guò)設(shè)定的報(bào)警值。 （2） 輸出控制部分 輸出控制電路由聲報(bào)警電路和驅(qū)動(dòng)電路組成，驅(qū)動(dòng)電路包括排氣扇驅(qū)動(dòng)電路和煤氣電磁閥門驅(qū)動(dòng)電路。輸出控制電路主要用于對(duì)煤氣泄漏的處理，用聲音報(bào)警方式通知戶主家中煤氣泄漏。 （3） 手動(dòng)操控部分為了在日常用炊時(shí)不會(huì)開啟此電路，以造成不便，特意設(shè)置手動(dòng)操控部分。日常用炊時(shí)，只要將手動(dòng)操控部分拉起，此裝置就不在工作，此時(shí)最好在用炊時(shí)打開窗話，以排出有害氣體。（4） 電話自動(dòng)發(fā)送短信與向外報(bào)警由 STC89C51單片機(jī)進(jìn)行控制。模擬摘掛機(jī)電路控制電話的

10、摘掛機(jī)；信號(hào)音檢測(cè)電路將交換機(jī)傳來(lái)的信號(hào)音傳遞給單片機(jī)進(jìn)行分辨；發(fā)號(hào)電路主要功能是發(fā)送撥碼信息，控制交換機(jī)完成對(duì)指定用戶的自動(dòng)接續(xù)；語(yǔ)音控制與錄放電路用來(lái)錄制預(yù)播放的語(yǔ)音，接通電話后，將預(yù)先錄好的語(yǔ)音信息進(jìn)行播放。 （5） 主控制芯片 主控制芯片采用51單片機(jī)開發(fā)板，（6） 電源部分 在各種電子設(shè)備中，電源是不可缺少的組成部分。本設(shè)計(jì)采用單相交流電經(jīng)過(guò)電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定直流電壓，供給硬件設(shè)備施密特觸發(fā)器（一）SM1施密特觸發(fā)器（二）SM2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器DW準(zhǔn)雙穩(wěn)態(tài)電路SW氣敏傳感器與檢測(cè)電路氣敏傳感器自檢與損壞報(bào)警電路電源電路檢測(cè)電路控制電路 驅(qū)動(dòng)電路聲報(bào)警電路延

11、時(shí) 手動(dòng)開閉排氣扇啟動(dòng)GSM排氣扇驅(qū)動(dòng)電路VVVVVV 延時(shí)閥門開閉裝置驅(qū)動(dòng)電路閥門開閉裝M2 手動(dòng)開閉氣源光報(bào)警電路 手動(dòng)解除光報(bào)警圖（二）工作原理簡(jiǎn)圖2.3 主要元器件功能簡(jiǎn)介（1） 氣敏傳感器圖（三）氣敏傳感器氣敏傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的一氧化碳(CO)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。即可激活傳感器，完成接下來(lái)的一系列操作。（2） 放大電路：采用單管放大電路套件分壓式偏置電路三極管放大CO檢測(cè)裝置放大電路（amplificationcircuit

12、）能夠?qū)⒁粋€(gè)微弱的交流小信號(hào)（疊加在直流工作點(diǎn)上），通過(guò)一個(gè)裝置（核心為三極管、場(chǎng)效應(yīng)管），得到一個(gè)波形相似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號(hào)的輸出。實(shí)際的放大電路通常是由信號(hào)源、晶體三極管構(gòu)成的放大器及負(fù)載組成。（3） A/D轉(zhuǎn)換器：采用51單片機(jī)的配套轉(zhuǎn)換線，能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的電子元件。通常的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將一個(gè)輸入電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出的數(shù)字信號(hào)。圖（四）A/D轉(zhuǎn)換器（4）單片機(jī)：51單片機(jī)開發(fā)板51/AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)板51單片機(jī)學(xué)習(xí)板51單片機(jī)開發(fā)板也稱51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板、51單片機(jī)學(xué)習(xí)板。是用于學(xué)習(xí)51型號(hào)的單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)及學(xué)習(xí)器件，他是將51單片機(jī)常用的外圍。比如流水燈

13、，數(shù)碼管，矩陣鍵盤，EEPROM，時(shí)鐘，蜂鳴器，繼電器及集成在一小塊電路板上。便于攜帶及學(xué)習(xí)，直接插在PC機(jī)上面。隨時(shí)隨地的進(jìn)行學(xué)習(xí)，另外一些中小型項(xiàng)目也可以直接在此板上面進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)完成后即可以在此基礎(chǔ)上面重新畫圖做板，極大的縮短了公司的開發(fā)周期，節(jié)省硬件成本。單片機(jī)在本次作品中的作用也很大，當(dāng)一氧化碳處于一定濃度時(shí)，一氧化碳檢測(cè)裝置開始工作，之后單片機(jī)就相當(dāng)于整個(gè)電路中的“總司令”，協(xié)調(diào)作品中的其余元件。（5）報(bào)警燈：采用LED燈，LED燈的優(yōu)點(diǎn)也有很多一、體積小LED基本上是一塊很小的晶片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它非常的小，非常的輕。4二、電壓低LED耗電相當(dāng)?shù)?，一般?lái)說(shuō)LED的

14、工作電壓是2-3.6V。只需要極微弱電流即可正常發(fā)光。三、使用壽命長(zhǎng)圖（五）LED燈在恰當(dāng)?shù)碾娏骱碗妷合拢琇ED的使用壽命可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)。四、高亮度、低熱量LED使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比同等功率普通照明燈具低很多。五、環(huán)保LED是由無(wú)毒的材料構(gòu)成，不像熒光燈含水銀會(huì)造成污染，同時(shí)LED也可以回收再利用。（6）蜂鳴器：采用實(shí)驗(yàn)室用的蜂鳴器元件蜂鳴器作品中的蜂鳴器,主要是為了當(dāng)室內(nèi)的一氧化碳的濃度達(dá)到某一個(gè)預(yù)定值的時(shí)候,系統(tǒng)能夠發(fā)出報(bào)警的聲音,以便室內(nèi)的主任能夠根據(jù)警報(bào)作出快速的反映,比如打開門或者是窗戶甚至是逃離房間等等。蜂鳴器的電路也不復(fù)雜,如圖所示圖（六）蜂鳴器電路（7）排氣扇：根據(jù)房間的大

15、小，應(yīng)采取不同型號(hào)的排氣扇。（8）電磁繼電器及其導(dǎo)線：采用一般實(shí)驗(yàn)室用的小型電磁繼電器和導(dǎo)線，電磁繼電器是利用電磁鐵控制工作電路通斷的開關(guān).(1)結(jié)構(gòu)：電磁繼電器的主要部件是電磁鐵A、銜鐵B、彈簧C和動(dòng)觸點(diǎn)D、靜觸點(diǎn)E.(如圖所示)(2)工作電路可分為低壓控制電路和高壓工作電路兩部分，低壓控制電路包括電磁繼電器線圈(電磁鐵A)，低壓電源E1，開關(guān)S;高壓工作電路包括高壓電源E2，電動(dòng)機(jī)M，電磁繼電器的觸點(diǎn)D、E部分.(3)工作原理閉合低壓控制電路中的開關(guān)S，電流通過(guò)電磁鐵A的線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而對(duì)銜鐵B產(chǎn)生引力，使動(dòng)、靜觸點(diǎn)D與E接觸，工作電路閉合，電動(dòng)機(jī)工作;當(dāng)斷開低壓開關(guān)S時(shí)，線圈中的電流消

16、失，銜鐵B在彈簧C的作用下，使動(dòng)、靜觸點(diǎn)D、E脫開，工作電路斷開，電動(dòng)機(jī)停止工作。電磁繼電器在本實(shí)驗(yàn)中主要作用是用來(lái)在一氧化碳濃度過(guò)高時(shí)作為閉合的開關(guān)，在處理完畢一氧化碳濃度降至無(wú)害范圍內(nèi)時(shí)作為斷開的電源，一切原件除了一氧化碳檢測(cè)裝置都停止工作。圖（七）電磁繼電器工作原理（9）導(dǎo)線：用于連接220V電壓排氣扇正常工作的導(dǎo)線和各種繼電器元件所需的導(dǎo)線（10）二極管：采用一般的電路二極管（11）施密特觸發(fā)器利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔茫梢园堰呇刈兓徛闹芷谛孕盘?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。輸入的信號(hào)只要幅度大于vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。3工作

17、原理及性能分析由于一般的可燃性氣體主要構(gòu)成氣體成份都是CO，故系統(tǒng)中的氣敏傳感器就起到了檢測(cè)作用，就相當(dāng)于整個(gè)電路中的開關(guān)。當(dāng)燃?xì)庑孤┖?，檢測(cè)空氣中可燃?xì)怏w濃度超過(guò)報(bào)警值時(shí)，單片機(jī)工作，同時(shí)單片機(jī)帶動(dòng)聲光報(bào)警及風(fēng)扇啟動(dòng)，若聲光報(bào)警長(zhǎng)期無(wú)人處理，則GSM插件開始工作，向戶主發(fā)送短信，并向外求助。，待一氧化碳濃度重新回到安全值時(shí)，氣敏傳感器反饋給單片機(jī)。單片機(jī)停止工作，聲光報(bào)警解除，風(fēng)扇停止。故該系統(tǒng)功能如下：1）檢測(cè)空氣中的一氧化碳濃度；2）一氧化碳濃度超標(biāo)時(shí)，單片機(jī)工作，聲光報(bào)警，風(fēng)扇啟動(dòng)；3）聲光報(bào)警長(zhǎng)期無(wú)人處理，GSM工作，向戶主發(fā)送短信，并向外求助；4）一氧化碳值重新回復(fù)安全值，除氣敏傳感器，其余停止工作。其工作原理是由氣敏傳感器檢測(cè)出其濃度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并讓其信號(hào)傳遞給蜂鳴報(bào)警器和報(bào)警燈自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)風(fēng)扇啟動(dòng)，排出一氧化碳?xì)怏w。長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人處理報(bào)警裝置，GSM插件啟動(dòng)，向戶主發(fā)送短信，并向外界求助。待一氧化碳達(dá)到安全值，警報(bào)解除，風(fēng)扇停止工作。 4創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用1）本產(chǎn)品能在一氧化碳濃度過(guò)高時(shí)實(shí)現(xiàn)