論文關鍵詞：氣敏傳感器UL281單穩延時電路穩壓電路熱清洗蜂鳴報警

論文摘要：CO是人們日常生活生產中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發現，當人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因為該氣體易在不能充分燃燒的條件下產生。設計出能檢測到CO氣體并能報警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎上，電路的設計還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩定性。

根據生產生活需要設計CO探測報警電路，選用對CO有極高靈敏度的氣敏傳感器UL281作為報警電路探頭，結合UL281結構及其功能，設計與之功能特點相匹配的電路，這些電路由單穩延時電路、穩定電源供電電路、探測電路（熱清洗電路）、電壓輸出電路、報警電路和元件損壞電路。

將電源接通經過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2 放大倍數近似于1。因此用電壓表測量H、L點之間的電壓很小，電路不報警，可調節電位器RP2 ，可改變IC3的負輸入電壓，電路最終完成之后，調節滑動變阻器RP2 ，使IC3的負輸入電壓為2.9V。將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內，調節RP1，使IC2的輸出為3.00V。此時電壓比較器IC3正輸入大于負輸入，其輸出正飽和而使VT3導通報警。

第一章 概 述

第一節 傳感器的概述及組成

一、引 言

CO是人們日常生活生產中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發現，當人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。我國的CO報警控制系統經歷了從無到有、從簡單到復雜的發展過程，其智能化程度也越來越高，其系統復雜、成本較高。而在居民住宅區、機房、辦公室等小型單位場所，需要設置一種單一、廉價實用的CO探測報警裝置，基于此種現象，應用所學的電路知識設計出一種簡單易于實現，低成本的CO報警電路，不僅對于所學知識是一次綜合復習的機會，而且更是練習如何應用所學的書本知識解決實際生產生活問題的能力，這是相當必要的。

二、 傳感器概述 人們通常將能把被測量物理量或化學量轉換為與之有確定對應關系的電量輸出的裝置稱為傳感器。傳感器也叫做變換器、換能器或探測器。傳感器輸出的信號有不同的形式，如電壓、電流、頻率、脈沖等，以滿足信息的傳輸處理、記錄、顯示和控制等要求。傳感器是測量裝置和控制系統的首要環節。如果沒有傳感器對原始數據參數進行精確可靠的測量，那么無論是信號或是信息處理，或者是最佳數據的顯示和控制，都將成為一句空話。可以說，沒有精確可靠的傳感器，就沒有精確可靠的自動檢測和控制系統。

三、 傳感器組成框圖 傳感器一般由敏感元件、傳感元件和其他輔助元件組成，有時也將信號調節與轉換電路、輔助電源作為傳感器的組成部分。

敏感元件 傳感元件 信號調節轉換電路

輔助電源

傳感器組成方框圖

第二節 氣敏傳感器概述

一、 氣敏傳感器的檢測對象及檢測原理

此次設計的電路是一氧化碳探測報警器，由于一氧化碳是有毒氣體，因此檢測到一氧化碳并實現報警功能的電路設計就需要選用氣敏傳感器。

氣敏傳感器是一種把氣體（多數為空氣）中的有毒成分檢測出來，并將它轉換成適當的電信號的器件，如果以人們的感覺器官在作比喻，那么氣敏傳感器相當于人的鼻子（嗅覺）。但是人的嗅覺在靈敏其感知對象也是多樣的。在我們周圍，實際上存在的各種各樣的氣體，它們中的大部分將會成為氣敏傳感器的檢測對象。氣敏傳感器的典型用途見于附表1.2.1和1.2.2。

首先被實際應用的氣敏傳感器是用于防止可燃性氣體（LPG等）爆炸瓦斯泄露報警器。其后，隨著環境監測等，又不斷地提出研制新型氣敏傳感器的任務。

氣敏傳感器是化學傳感器的一個重要組成部分。這里涉及到用于化學傳感器的化學物質的檢測原理。為了將化學物質檢測出來分類，也就是同物理傳感器一樣，可分為能量變換式和能量控制式。前者是以被測物質所具有的化學能（化學電勢）作為信號源，傳感器相當于將化學能變換成電能的變換器（換能器）。

所謂半導體氣體傳感器，是對利用半導體氣敏元件同氣體接觸，造成半導體性質變化，借此來檢測氣體成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。

半導體氣敏傳感器大體上分為電阻式和非電阻式兩種，電阻式半導體氣體傳感器利用氧化錫、氧化鋅等金屬材料來制作敏感元件；利用其阻值的變化來檢測氣體的濃度。氣敏元件，有多孔質燒結體、厚膜、以及目前正在研制的薄膜等幾種非電阻式半導體傳感器。根據氣體的吸附和反應，利用半導體的功函數，對氣體進行直接的檢測。目前，正在積極開發的有金屬/半導體結型二極管和金屬柵的MOS場效應晶體管的敏感元件，主要利用它們與氣體接觸后整流特性以及晶體管作用的變化，制成對表面單位有直接測定的傳感器。

二、 “電阻式半導體氣敏傳感器”概述

半導體元件的電阻，由于與氣體接觸而發生變化，將利用這種現象的傳感器，稱之為電阻式半導體氣敏傳感器。這類氣敏傳感器元件的構造簡單，也不需要專門的放大電路來放大信號。由于這些特點，所以它很早被研究，而且已制成商品。元件的種類有：在絕緣基片上用蒸鍍或是濺射法制成的薄膜元件（厚度約小于1000?）；把氧化物半導體粉末調制成的漿料印刷到基性的燒結型元件。傳感器元件通常在加熱條件下才能動作，因此必須有加熱裝置。把氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在一塊硅片上，從而制成集成開關電路動作，蜂鳴器和燈泡開始接通。半導體元件，大多在通電初期，阻值暫時變高而產生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨著溫度的上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，呈現出一種過渡的現象。為防止這種誤報警，通常在通電初期增設防止誤報警電路。為防止突發性噪聲，機內應裝入延遲電路。

B1——開關電路

B2——防止通電初期誤報警電路

B3——信號發生電路

B4——電源指示燈

B5——蜂鳴器電路

半導體的氣敏特性如圖，元件的電阻R與空氣中所含有的被測氣體濃度C之間的關系，根據經驗一般用對數表示的如下公式是成立的：㏒R= m㏒C+n

m、n是由傳感器元件，測量氣體的種類，測量溫度等因素決定的常數。m表示相對氣體濃度變化的敏感程度，m越大，敏感程度越大，但對通常的可燃性氣體的檢測，一般取為1/2~1/3，設Ra為普通氣體（空氣）濃度為零時的電阻，則氣體靈敏度（即響應率）可由Ra/R來表示，它是氣濃度C的函數為便于氣體檢測，用C為定值時的相對靈敏度作比較。從圖知道，相對靈敏度隨氣體而不同，雖然還隨著傳感器的種類、添加劑、測量溫度的不同而有很大差異，但是一般越容易燃燒的氣體，其含碳量越大，它的相對靈敏度也就高。這是因為在元件上的氣體的燃燒，在本質上與氣體的響應特性有關。

第二章 一氧化碳探測報警傳感電路設計

第一節 CO探測報警電路設計的要求

CO是人們日常生活生產中常見的有毒氣體，無色無味，不易被人們發現，當人處在CO氣體之中是十分危險的，甚至威脅到生命安全。在我國北方冬季用煤炭取暖的居民危害最大的就是一氧化碳中毒，因為該氣體易在不能充分燃燒的條件下產生。設計出能檢測到CO氣體并能報警的電路是十分必要的，在滿足基本要求的基礎上，電路的設計還要考慮到傳感器部分要具有良好的溫度、濕度穩定性。

第二節 電路設計所需的主要元器件的選用

一、UL281的選用

基于實際的需要，針對一氧化碳要選用對于一氧化碳氣體具有較高的靈敏度的氣敏元件，通過查閱資料選出UL281作為探頭。

一氧化碳檢測保護儀，其特征在于采樣傳感器為UL281半導體探頭，作為采樣傳感器，并配置探頭預熱工作轉換電路，解決了傳感器在不同條件下其特征變化大的問題，并保證了探頭工作在最佳狀態。其探測極（2、3）端接9伏直流電源，（5、6）端輸出接放大電路，其燈絲極（1、4）端之間接有探頭預熱工作轉換電路。

表UL281參數

項目 測量范圍 靈敏度 加熱電壓 加熱電流 測量電壓 工作溫度 相對濕度 響應時間 單位 10-6 R0/RX V mA V °C %RH S 型號UL281 0~300 大于5 5±0.5 160~180 15±1.5 -10~50 不大于95 60

項目

測量范圍

靈敏度

加熱電壓

加熱電流

測量電壓

工作溫度

相對濕度

響應時間

單位

10-6

R0/RX

V

mA

V

°C

%RH

S

型號UL281

0~300

大于5

5±0.5

160~180

15±1.5

-10~50

不大于95

60

注：R0為在空氣中的阻值，RX為在2*10-4酒精濃度時的阻值

它的靈敏度曲線如圖所示，其響應曲線如圖所示。

二、555單穩延時電路的選用 由于在工藝上氣體敏感膜加熱器與溫度測量探頭集成在同一塊硅片上，從而制成集成化元件。當元件檢測到氣體時，電阻降低。半導體元件，大多數在通電初期，阻值暫時變高而產生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產生一種過渡現象。這樣對于電路會產生誤報警，為了防止誤報警現象的產生，在電路內部需要裝入延遲電路。因此在此次CO探測報警電路的設計中，采用555時基集成電路組成單穩態延時電路。

在實際應用中，555除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩、多個雙穩、單穩和無穩，雙穩和無穩的組合等。本設計中所需要的是單穩電路，其電路及參數如下：

單穩類電路

單穩工作方式，它可分為3種。見圖示。

第1種（圖1）是人工啟動單穩，又因為定時電阻定時電容位置不同而分為2個不同的單元，并分別以1.1.1 和1.1.2為代號。他們的輸入端的形式，也就是電路的結構特點是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。

第2種（圖2）是脈沖啟動型單穩，也可以分為2個不同的單元。他們的輸入特點都是“RT-7.6-CT”，都是從2端輸入。1.2.1電路的2端不帶任何元件，具有最簡單的形式；1.2.2電路則帶有一個RC微分電路。

第3種（圖3）是壓控振蕩器。單穩型壓控振蕩器電路有很多，都比較復雜。為簡單起見，我們只把它分為2個不同單元。不帶任何輔助器件的電路為1.3.1；使用晶體管、運放放大器等輔助器件的電路為1.3.2。圖中列出了2個常用電路。

根據電路的需要，采用1.2.1所示的脈沖啟動單穩，其具有最簡單的形式又能實現延時功能。

三、 電路中三極管的選用2SC2001和2SC945結構及參數 本電路設計采用了三極管2SC2001其結構及參數如下 ：

Description Transistor. General purpose applications high total power disipation Pol NPN Ic(max) 0.7A Pc(max) 0.6W Vceo(max) 25V hfe(min.-max.) 90~400 Pins/Package 3P/TO-92 Application LF A

Description

Transistor. General purpose applications high total power disipation

Pol

NPN

Ic(max)

0.7A

Pc(max)

0.6W

Vceo(max)

25V

hfe(min.-max.)

90~400

Pins/Package

3P/TO-92

Application

LF A

2SC945結構及參數

NPN三極管 （與2SA733互補）

作為低噪聲前置放大，應用于:彩電、收錄機、遙控玩具等電子產品。

1、發射極 E 2、集電極 C 3、 基極 B

極限值（TA=25℃）

集電極、基極擊穿電壓 VCBO 60 集電極、發射極擊穿電壓 VCEO 40 發射極、基極擊穿電壓 VEBO 6 集電極電流 IC 200 集電極功率 PC 625 結溫 TJ 150 貯存溫 TSTG -55-150 四、LM324的選用 電路設計中所采用的運算放大器IC1~IC4 在制作時用一塊集成運算放大器LM324即可實現其功能。其內部具有四個相同的運放，其結構及主要功能參數如下：

集電極、基極擊穿電壓

VCBO

60

集電極、發射極擊穿電壓

VCEO

40

發射極、基極擊穿電壓

VEBO

6

集電極電流

IC

200

集電極功率

PC

625

結溫

TJ

150

貯存溫

TSTG

-55-150

LM324MX 結構圖及主要參數

Description Low Power Quad Operational Amplifiers Pins/Package 14P/DIP 第三節 電路整體設計框圖及整體電路圖 一、電路設計框圖：

Description

Low Power Quad Operational Amplifiers

Pins/Package

14P/DIP

穩定電源供電電路

穩定電源供電電路

↓

探測電路（熱清洗電路）

探測電路（熱清洗電路）

↓

電壓輸出電路（報警電路）

電壓輸出電路（報警電路）

二、整體設計電路圖：

一、 單穩延時電路的設計

設計單穩延時電路的原因是因為當元件檢測到氣體時，電阻降低。半導體元件，大多數在通電初期，阻值暫時變高而產生高輸出。這是由于在沒有通電時，元件吸著水蒸汽的緣故。一旦通電，元件初始阻值隨溫度上升而變低，隨著溫度的再次升高，由于水蒸汽的解吸而阻值增加，產生一種過渡現象。這樣對于電路會產生誤報警，為了防止誤報警現象的產生，在電路內部需要裝入延遲電路。

采用555時基集成電路，它組成單穩態延時電路，接通電源后大約經過165s，555的輸出端3腳輸出高電平，使VT2 、VT5 導通。LED3 與R24 組成電源顯示電路，當電路工作時，發光二極管LED3 發出綠光，顯示電路電源供電正常。

二、穩壓電路 設計穩壓電路的原因是因為UL281工作時需要對其加熱絲進行加熱，其加熱電源要求穩定，故采用穩壓電路對其供電。

穩壓電路由IC1， VT1 和R1-R4組成。IC1同相輸入端上的電壓為U+ =15/（47+15）=2.9V，IC1為一同相放大器，輸出電壓約為6V左右。因此，晶體管VT1導通，加在傳感器加熱絲與地之間的電壓約為11V。，如果空氣是清新的，通過氣敏元件的電流仍很小（其電阻很大）。

三、加熱電路

由于UL281工作時需對其加熱絲進行加熱，所以設計由VT2組成初始加熱清洗電路，VT2 導通后，將R6、R7短路，A點流經傳感器加熱絲的電流增大，對其附表面進行加熱清洗，VT5組成初始清洗指示電路，VT5導通后，LED2（黃）發光。

如圖3

四、電壓放大電路、報警電路 IC2組成電壓放大器，其正輸入端輸入基準電壓6V，當空氣清潔時，氣敏元件的電阻很大，IC2的放大倍數接近1，當一氧化碳濃度增加時，氣敏元件阻值下降，IC2的放大倍數增加，輸出電壓亦增加，調整電位器RP1（10K）可改變放大倍數。

IC3 為電壓比較器，它和晶體管VT3組成報警電路，調節RP2可調節報警濃度設定值，當CO濃度超過設定值時，IC3 輸出高電平，VT3 導通，蜂鳴器報警。

（如圖4，電壓放大電路）

（如圖5，報警電路）

五、元件損壞指示電路 傳感器氣敏元件損壞時，會對探測電路的測量結果造成嚴重的影響，因此有必要設置一種指示氣敏元件是否正常工作的指示電路，如下圖所示。IC4、VT4、組成氣敏元件損壞指示電路，IC4接成比較器，其輸入端的電位約為4.3V。氣體元件正常工作時，R6、R7的壓降大于4.3V，IC4輸出為負，VT4截止，LED1（紅）不亮，當傳感器加熱絲被燒斷時，R6、R7懸空，其壓降為0，IC4輸出為高電平，VT4導通，LED1亮，紅燈顯示元件已損壞。

（如圖6）

六、電路調試

（1）將電源接通經過熱清洗后將傳感器放置在清潔空氣中，由于敏感元件的電阻很大，IC2 放大倍數近似于1。因此用電壓表測量H點、L點之間的電壓應很小，否則電路或傳感器接線有故障。

（2） 調節電位器RP2，使IC3的負輸入端的電壓為2.90V

（3） 將傳感器放大裝有300ppm氣樣的密封塑料袋內，調節RP1，使IC2的輸出為3.00V。此時電壓比較器IC3正輸入大于負輸入，其輸出正飽和而使VT3導通報警。

第三章 電路設計總結

一、優點總結

通過實際生活的需要而設計的CO檢測報警電路，此電路設計體現了該電路具有的優點，總結如下：

第一、首先針對需要被檢測的有毒氣體CO，選用什么樣的氣敏元件至關重要。要選擇對一氧化碳有極高的靈敏度，這樣才能使檢測更準確，對一氧化碳有無以及濃度大小作出靈敏判斷，并且要求濕度、溫度穩定性好，以適應生產生活環境中濕度和溫度的變化。通過查閱資料找到針對一氧化碳CO靈敏度極高的是氣敏元件UL281。這樣關鍵器件的選用問題解決了。

第二、選出的UL281對CO具有極高的靈敏度，但它不是孤立存在的，還要設計出與其相匹配的電路及探測報警電路。根據UL281的結構及其特點設計電路，既保證了UL281要求電源供電穩定，又保證了UL281的加熱絲加熱的要求。此電路還可通過滑動變阻器RP1 調節放大倍數。出于對報警安全嚴謹的考慮，還設計了氣敏元件損壞指示電路，為了防止因元件損壞無法檢測而造成無法報警，因此設計了氣敏元件損壞指示電路。

二、 有待改進的地方總結 即使該電路的設計具有解決問題的主要優點和特點，但任何一項電路設計都不可能是完美的、沒有缺憾的，因此我根據實際生活需求概括出此電路在實際應用中有待改進的地方如下：該電路設計只是根據實際的問題需要設計的探測報警電路原理圖，如果把理論應用到實際生產生活中還要考慮產品如何才能更方便的使用。我想到的就是電源供電的問題。該設計用的是直流12V電源，不方便日常生活使用，在產品制作工藝上，電源部分設計成交流電源（生活用電），通過橋式整流等電路轉換成直流電，作為電源供電，我想這樣會更有益于日常生活推廣使用。

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[9] 《實用電子文獻》， 北京：電子工業出版社，1990-1995

[10] 《電子技術應用》 ， 北京：電子工業出版社，1985—1992