一種基于NE555定時(shí)器的氣敏報(bào)警器的設(shè)計(jì)

高志東，白澤生

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

一種基于NE555定時(shí)器的氣敏報(bào)警器的設(shè)計(jì)

高志東1，白澤生2

（1.西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安710048；2.延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安716000）

利用NE555定時(shí)器和MQ-2A氣敏傳感器設(shè)計(jì)了一種可燃性氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警器。一個(gè)NE555定時(shí)器主要起延時(shí)作用，一個(gè)NE555定時(shí)器起信號(hào)處理和控制作用。可燃?xì)怏w的濃度不同將使氣敏傳感器轉(zhuǎn)化的電信號(hào)大小不同，從而控制報(bào)警及排風(fēng)系統(tǒng)工作。試驗(yàn)表明，該報(bào)警器可用于多種可燃?xì)怏w的不同環(huán)境工作，具有電路簡(jiǎn)單，工作可靠，便于使用調(diào)節(jié)等特點(diǎn)。

氣敏傳感器；NE555定時(shí)器；氣體濃度監(jiān)測(cè)；報(bào)警；排風(fēng)

工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有許多場(chǎng)所需要使用天然氣、煤氣和液化石油氣等易燃、易爆氣體，出于安全的考慮，這些場(chǎng)所都需要安裝可燃性氣體的監(jiān)測(cè)、報(bào)警和控制裝置。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NE555定時(shí)器和MQ-2A型氣敏傳感器的氣敏報(bào)警器，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警和自動(dòng)啟動(dòng)排風(fēng)扇的功能，當(dāng)有氣體泄漏時(shí)，通過(guò)MQ-2A氣敏探頭的監(jiān)測(cè)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警聲并啟動(dòng)排風(fēng)扇，從而避免和防止事故的發(fā)生。

1 設(shè)計(jì)原理

設(shè)計(jì)原理如圖1所示。在設(shè)計(jì)氣敏報(bào)警器時(shí)，主要考慮使電路簡(jiǎn)單，工作可靠，成本低和易于實(shí)現(xiàn)，因此在方案選擇時(shí)，采用了NE555作為定時(shí)器作為延時(shí)，因?yàn)镸Q-2A型氣敏傳感器需要預(yù)熱才能達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)。電源接通后，一路是向延時(shí)電路提供+12 V電壓，另一路是向氣敏傳感器的加熱絲提供+5 V電壓，使其預(yù)熱以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中氣體的濃度，當(dāng)氣體濃度超過(guò)一定值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警并同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)扇。

2 氣敏傳感器與定時(shí)器

2.1 MQ-2A氣敏傳感器

半導(dǎo)體可燃?xì)怏w傳感器MQ-2是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器，在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，尤其對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。MQ-2所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。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)。

圖1 原理框圖

MQ-2氣敏傳感器有初始特征，即在電路工作前必須給氣敏傳感器進(jìn)行預(yù)加熱使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)才能使其正常工作。因此，需要在電路中設(shè)計(jì)延時(shí)部分，在延時(shí)期間給氣敏傳感器預(yù)熱，使氣敏傳感器能夠達(dá)到穩(wěn)定的工作狀態(tài)[1-3]。

2.2 NE555定時(shí)器

NE555是屬于555系列的用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容便可產(chǎn)生電路所需的各種不同頻率之脈沖信號(hào)。只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL、CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合，其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載，計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。

NE555是8引腳集成IC，具有兩種封裝形式，一種是DIP雙列直插8腳封裝，另一種是SOP-8小型（SMD）封裝形式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)電路板位置等情況選擇一種[4-7]。

3 總體電路及工作過(guò)程

氣敏報(bào)警器總體電路如圖2所示。主要有電源電路、延時(shí)電路、氣體濃度檢測(cè)傳感與處理電路、報(bào)警器等組成[8-10]。

圖2 總電路圖

當(dāng)直流電源接通時(shí)，7812輸出的12 V電壓送555定時(shí)器開(kāi)始工作，因電容兩端電壓不能突變，則左邊的555定時(shí)器的“2”腳、“6”腳為低電平，“3”腳輸出高電平，復(fù)合功率開(kāi)關(guān)管BG1導(dǎo)通，繼電器常開(kāi)接點(diǎn)閉合；同時(shí)電容兩端電壓不斷上升，一定時(shí)間后，“3”腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)復(fù)合功率開(kāi)關(guān)管BG1截止，繼電器常閉接點(diǎn)閉合，為后面報(bào)警電路提供12 V電源。此電路延時(shí)三分多鐘，這段時(shí)間后氣敏傳感器開(kāi)始正常工作。

7805輸出的5 V電壓供給傳感器預(yù)熱，為防止過(guò)流，將一個(gè)680 Ω左右的電阻串聯(lián)到傳感器電路中。氣敏傳感器把可燃性氣體濃度信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并把此電壓信號(hào)輸入到555定時(shí)器，輸出的高低電平來(lái)控制繼電器和報(bào)警電路。當(dāng)空氣中可燃?xì)獬^(guò)一定濃度時(shí)，半導(dǎo)體氣敏器件MQ-2A的電導(dǎo)率增加，阻值變小，在負(fù)載電阻RL上的電壓值變大，NE555電路翻轉(zhuǎn)，輸出端“3”腳為低電平，復(fù)合功率開(kāi)關(guān)管BG2飽和導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電流使繼電器吸合，電源接通排風(fēng)扇，同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。當(dāng)空氣中可燃?xì)鉂舛冉档偷皆试S值及以下時(shí)，NE555電路的兩比較器輸入端“2”、“6”腳均為低電平，“3”腳翻轉(zhuǎn)輸出為高電平，復(fù)合功率開(kāi)關(guān)管BG2截止，報(bào)警電路不工作，蜂鳴器停止鳴響并斷開(kāi)風(fēng)扇。由于氣敏傳感器探頭有加熱時(shí)間，為避免在剛通電時(shí)，傳感器導(dǎo)電率變化較大引起后級(jí)報(bào)警電路工作，為此在12 V供電電路內(nèi)加一延時(shí)開(kāi)關(guān)，加熱3分鐘后再接通電路。電源接通時(shí)，紅色發(fā)光二極管D1亮，表示延時(shí)電路及傳感器預(yù)熱正常。延時(shí)結(jié)束后綠色發(fā)光二極管D2亮，表示監(jiān)測(cè)及報(bào)警電路開(kāi)始工作。RL為可調(diào)電位器，根據(jù)不同氣體的要求調(diào)節(jié)報(bào)警點(diǎn)[10-11]。

4 電路調(diào)試與試驗(yàn)

待電路預(yù)熱結(jié)束正常工作后，把傳感器放置在純凈空氣中，調(diào)節(jié)RL使其值為2.5 kΩ，測(cè)量傳感器輸出的電壓，這個(gè)電壓是傳感器的靜態(tài)值，連續(xù)測(cè)量10次，測(cè)量值如表1所示。

表1 傳感器MQ-2靜態(tài)測(cè)試電壓值

保持RL的值不變，點(diǎn)燃廢紙讓煙霧飄入傳感器MQ-2（距離約100cm），測(cè)量傳感器輸出的電壓，連續(xù)測(cè)量10次，測(cè)量值如表2所示。

表2 普通煙霧作用時(shí)傳感器MQ-2的輸出電壓值

繼續(xù)保持RL的值不變，用常用的打火機(jī)向傳感器MQ-2噴內(nèi)部氣體（主要是丁烷，距離約20cm），測(cè)量傳感器輸出的電壓，連續(xù)測(cè)量10次，測(cè)量值如表3所示。

表3 可燃?xì)怏w作用時(shí)傳感器MQ-2的輸出電壓值

以上僅僅是列出了兩種不同情況下的測(cè)試值，通過(guò)多次測(cè)試數(shù)值表明，同樣的煙霧源，距離越近，傳感器輸出的電壓越大；不同的煙霧源，濃度越大，輸出的電壓越大。試驗(yàn)說(shuō)明，電路對(duì)煙霧源的濃度反應(yīng)是非常靈敏的，電路的工作狀態(tài)也是可靠穩(wěn)定的。在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，由于不同的可燃?xì)怏w在空氣中含量的安全值是不同的，煙霧濃度使傳感器輸出的門(mén)限電壓也不同，也就是報(bào)警點(diǎn)的值不相同，只需要根據(jù)不同要求簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)變阻器就可以設(shè)定門(mén)限電壓值，從而確保電路可靠工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明，該報(bào)警器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)丁烷、酒精、天然氣等氣體的監(jiān)測(cè)，尤其對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高。需要指出的是，由于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、油霧等環(huán)境條件的變化，灰塵等附著在元件表面，會(huì)使氣敏傳感器性能變差，靈敏度下降，因此盡量不要讓報(bào)警器長(zhǎng)期在腐蝕性氣體環(huán)境中工作，如果長(zhǎng)期停止使用要放置在干燥無(wú)腐蝕性氣氛的環(huán)境中。

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A gas sensor based on NE555 timer alarm design

GAO Zhi-dong1，BAI Ze-sheng2
（1.School of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.College of Physics and Electronic Information，Yanan University，Yanan 716000，China）

Using NE555 timer and MQ-2 a gas sensor designed a combustible gas monitoring alarm.A timer NE555 mainly plays a role of time delay，a control signal processing and NE555 timer. Combustible gas concentration of different turn gets sensor signals in different sizes，thus control alarm and exhaust system work.Alarm test shows that it can be used in a variety of combustible gas of different working environment，has simple circuit，reliable operation，easy to use adjustment，etc.

gas sensor；NE555 timer；gas concentration monitoring；call the police；exhaust air

TN99

：A

：1674-6236（2017）02-0114-03

2016-04-20稿件編號(hào)：201604205

陜西省2013年科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013K02-14），陜西省2014年科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014K02-08-01）

高志東（1996—），男，陜西佳縣人。研究方向：電路設(shè)計(jì)與信號(hào)處理。