基于TGS813的家用可燃气体泄漏报警装置的设计

摘要：提出基于气敏传感器TGS813的家用可燃气体泄漏报警通风装置的设计方案。该设计的系统利用TGS813对可燃性气体进行监测，当气体浓度超标时，传感器输出的电压信号将大于设定电压，比较器比较之后正向输出，经过功率放大，最后驱动音响报警电路及排气装置。该设计具有线路简单、成本低、操作方便等优点。
关键词：气敏传感器；电源电路；检测电路；报警音响电路

0 引 言
    燃气(人工煤气、天然气、液化石油气)的普及，提高了生产效率、市民的生活质量，但在使用燃气的过程中，因燃气泄漏、废气等原因造成的燃气爆炸、中毒等意外事故时有发生，给人们的生命和财产安全带来了严重的威胁，因此安全使用燃气一直是燃气主管部门工作的重中之重。燃气泄漏报警器能有效监测环境中可燃气体或毒性气体(如CO)的浓度，一旦其浓度超出报警限定值，就能发出声光报警信号，并且能自动开启排风扇把燃气排出室外，甚至能通过联动装置自动切断燃气供应防止燃气继续泄漏，起到安全防范的作用。但报警器选用得是否合理，直接关系到其功能的充分发挥。该设计所研究的可燃性气体报警器正是应这种要求而开发的。
    该设计所研究的可燃性气体报警系统是利用传感器对可燃气体浓度信号进行监测并且转变成电压信号，然后与设定的电压信号进行比较，当气体浓度超过设定值时实现智能报警并能打开风扇进行换气。目前市场上家用可燃性气体报警器的价格一直居高不下，并且需要定期更换传感器，更让人们进一步加大了投资，使得普通用户难以承受。该设计的燃气报警装置的线路简单，各种器件的价格相对低廉，这使得整体成本大大降低。相信在科技飞速发展的今天，燃气报警装置的价格逐步降低是必然趋势，燃气报警装置将广泛地被人们认可并普及使用，为人们的人身财产安全树立一道可靠的屏障。该设计采用气敏传感器TGS813对可燃性气体浓度进行监测，正常工作时气敏传感器输出电压信号与设定的电压值通过比较器进行比较。当气体浓度超标时，气敏传感器输出的电压值超过正常时的电压值，从而使比较器正向输出；然后通过三极管放大后，输出驱动音响装置发出声音并且驱动继电器线圈使风扇自动打开，从而实现音响报警及自动换气功能。

1 系统的总体设计
    该设计的可燃性气体报警通风装置，采取单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成。它的电路结构简单，使用元件相对较少，使其制作成本大大降低，经济实用，适应了燃气报警器价格逐步降低的趋势，具有较高的性价比。图1即为可燃性气体报警系统设计的方案框图，其主要组成电路为：电源电路、稳压电路、传感器及设定电压、比较电路、放大电路、风扇控制及报警电路。
    具体方案的工作流程分析：电源电路经过降压变压器向电路提供12 V的直流电源，经过稳压电路的三端稳压管后输出8 V稳定的电压，然后通过传感器后和设定电压进行比较。当可燃性气体浓度不超标的时候，传感器的输出电压比设定电压小，从而使比较电路中电压比较器反相端输出低电平，故不能驱动风扇报警电路工作。而当可燃性气体浓度超标时，传感器的输出电压将大于设定的电压值，从而使比较电路中电压比较器同相端输出高电平，经过放大电路进行信号放大，然后输出驱动风扇控制的继电器线圈使风扇自动打开和音响报警电路发出连续声音报警信号。

2 硬件电路的设计
2．1 电源模块的设计
    稳定的电源是各种电子电路的动力源，被人誉为电路的心脏。众所皆知，所有用电设备，包括电子仪表、家用电器等对供电电压都有一定的要求。该设计的电源电路的主要包括两个部分：电源变压器和三端稳压管的选择。电源模块设计的基本思想是：采用AC220 V／ACl2 V的降压变压器得到一个交流的12 V电压。然后经过单相桥式整流电路把交流电流变成直流电流．再经过滤波电容滤波之后，接到三端稳压管7808后，输出即为稳定的直流8 V电压。
    虽然整流滤波电路能将正弦波变换成较为平滑的直流电压，但是一方面由于电压平均值取决于变压器副边电压有效值，所以当电网电压波动时，输出电压平均值将随之产生相应的波动；另一方面由于整流滤波电路内阻的存在，当负载变化时，内阻上的电压将发生变化，于是输出电压平均值也随之产生相反的变化。因此，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动。随着负载电阻的变化而变化，为了获得良好的直流电压，必须采取稳压措施。即在电源电路中加入了三端集成稳压器LM7808进行稳压。
    三端稳压管是指只有三条引脚输出的集成电路，用78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。一般三端集成稳压电路的最小输入／输出电压差约为2 V，否则不能输出稳定的电压。一般应使电压差保持在4～5 V，即经变压器变压，晶闸管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。因电路需要的电压为8 V，而经变压器及整流装置输出的电压为12 V左右，故该设计选用IC7808型三端稳压管，输出8 V的稳定电压。
    具体的电源模块及三端稳压管连接图如图2所示。

2．2 气敏传感器的选择
    随着微电脑和微电子技术的日益普及和应用，对传感器的性能、数量及用途提出了新的需求，这就使人们更加重视对新型传感器的开发。
    传感器电路设计的基本思想：电路通过三端稳压管IC7808输出8 V的恒定电压，供给传感器的加热电路和检测电路。加热电路需要5 V的电压才能正常工作，所以在传感器的加热电路上串联一个电阻使加热电路能够得到5 V的正常工作电压。检测电路由气敏传感器TGS813，R1和滑动变阻器R1组成，输出电压进入电压比较器的同相输入端，它是R1和RL电阻两端的压降输出。可燃性气体与传感器相接触并且浓度超标时，检测电路的输出电压将会超过设定的基准电压，这时比较器同相端输出高电平，使后面的三极管起到作用．从而驱动喇叭和继电器线圈进行工作。
    气敏传感器种类繁多。这里的通风装置所用的气敏传感器TGS813属N型半导体类气体传感器，其主要成分是二氧化锡烧结体。当吸附还原性气体(例如液化气、天然气、氢气、一氧化碳、有机溶剂蒸气等)时，电导率上升。当恢复到清洁空气中时，电导率恢复。TGS传感器就是将这种电导率变化，以输出电压的方式取出，从而检测出气体的浓度。
    TGS传感器最大优点是寿命长，TGS传感器的灵敏度特性只随四季的温湿度变化而呈周期性变化，并没有单调变化的趋势，说明SnO2半导体气体传感器有极长的寿命。因设计是针对家用可燃性气体的，故选择针对天然气、液化气的TGS813型气敏传感器对气体进行监测。TGS813气敏传感器的主要参数：加热电压为DC／AC(5 V土O．2 V)，着火温度537℃，爆炸极限为5％～15％，温度为200℃<T≤300℃。传感器设定的警告报警浓度应该为LEL(爆炸下限)的10％，危险报警浓度应该为LEL(爆炸下限)的20％，而TGS813型气敏传感器的爆炸极限是5％(空气中的百分比)，也就是50 000 ppm，故报警浓度应为5 000～10 000 ppm。
    为了补偿温度和湿度对传感器特性的影响，同时为了获得更高的精度，故使用热敏电阻或湿敏传感器对电路进行补偿。该设计的传感器电路及温度补偿电路如图3所示。

2．3 信号比较放大回路的设计
    信号比较放大电路的作用：当气体浓度超标时，传感器将输出比设定电压更大的电压信号。该信号经过电压比较器后正向输出，然后在经过放大三极管进行放大，从而有足够的电流去驱动继电器线圈和音响报警装置。信号比较放大的基本电路图如图4所示。

2．4 报警通风装置电路的设计
    报警电路是系统的重要组成部分之一。要求设计的报警装置能够连续报警，故不能够直接在电路中接蜂鸣器和喇叭装置，必须在电路中接有能够连续产生脉冲信号的装置。多谐振荡器是一种自激振荡器，在接通电源以后，不需要外加触发信号，便能自动地产生矩形脉冲，由于矩形波中含有丰富的高次谐波分量，所以习惯上又把矩形波振荡器叫作多谐振荡器。
    555定时器是一种多用途的数／模混合集成电路，利用它能极方便地构成多谐振荡器、施密特触发器等装置。它使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制等很多领域都得到了广泛的应用。故该设计选择NE555构成的多谐振荡器作为脉冲信号源。在NE555多谐振荡器的输出引脚接一个起放大作用的三极管，从而保证电路有足够大的电流去驱动扬声器。风扇控制电路也是系统的组成部分之一。该设计的风扇控制采用了继电器控制的方式。继电器是一种根据外界输入的一定信号(电的或非电的)来控制电路中电流“通”与“断”的自动切换电器。它主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。报警通风装置电路如图5所示。

3 结 语
    该设计的家用可燃性气体泄露报警及通风装置，采取了单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，从而该设计的燃气报警装置有较高的性价比。该智能可燃性气体报警器具有较好的性能，并且价格低廉，适应市场上可燃性气体报警器发展的方向，所以其应用前景广阔。