基于传感器的低成本可燃性气体泄漏报警器设计

液化石油气、煤气等可燃气作为燃料常因产生泄漏而造成中毒和火灾等事故。已有的可燃气体泄漏报警器种类繁多，重要用于工业厂矿，体积大，价格高，难以推广到家用。虽然也有一些简易报警器，但也是结构复杂，价格偏高，推广到家用比较闲难。为此研究了用一个简略的数字和模仿集成电路相联合的技巧解决了装置成本高的问题。研制出了小巧的可燃气体泄漏报警器，它结构简略，成本低廉(主电路元件费只有3元左右，含外壳和电源的全部材料费只有十几元)，且报警敏锐度在传感器的性能领域内任意可调。试用成果表明，该装置应用方便，效果非常好，且只需简略改良即可增长把持功效，可方便实现主动把持开启风扇等装置。该可燃性气体泄漏报警器不仅适于家庭，也适于工矿企业等利用，且其报警敏锐度、报警提示功效、可靠性等优于目前已有产品。

1 系统设计优化比较

目前可燃性气体泄漏报警器的实现技术分为两大类，一类是以单片机为核心的智能型报警器，包括信号调理、A/D采样和输入输出电路等，相对复杂。另一类完全用硬件实现，电路非常复杂。这两类技术都采用较复杂的电路解决可燃气传感器的初始报警问题。而初始报警的原因是由于传感器在开始加电时，其电导率尚未达稳态值，从而导致误报警，约3 min后，传感器的电导率达稳态值，报警才停止。

为了解决初始报警问题，可采用以下两种方案：

1)采用二次报警方案，该方案是将传感器的初始电导率的当量可燃气浓度作为第一阶段报警浓度，这一阶段只让报警灯亮，喇叭不响。第二阶段报警是当可燃气泄露浓度达到一个临界危险浓度时再开启声音报警。这类方案需要较复杂的两阶段比较报警电路，提醒力不强且不可靠，报警灵敏度不可调;

2)采用比较或反馈延时的报警方案，但电路非常复杂，成本较高。因此，采用硬件设计降低成本是关键。这里提出一种采用数字和模拟集成电路相结合的设计方案，解决报警和二次报警的问题，并取得很好效果。

2 器件选择与工作原理

气敏传感器种类繁多，性能各异。这里选用MQ-KC型传感器，它是一种新型的电阻型气敏型元件，可用于天然气、煤气、石油气等检漏报警。具有灵敏度高，长期稳定性好，寿命长，价格低，功耗小，可方便使用电池等特点。MQ-KC型传感器原理：将该传感器接至规定负载，在加电的初始阶段，传感器的电导率呈现一个较高的值，约3 min左右达到稳态值。若将其置于具有一定浓度的可燃气体中，其电导率将升高，在一定范围内，可燃气体浓度越高，传感器电导率也越高，如果将传感器与负载串联，负载即引起电压变化，读取这一变化电压，经比较、放大即可实现报警与控制等功能。

3 硬件电路设计

3.1 基本报警电路

MQ-KC型传感器额定电源电压为9 V，要求连接一只负载电阻。信号取出与比较电路如果用分立元件设计，元件数量多，成本高，且效果不好。为此，选用一片单电源9 V供电，具有一定驱动能力的集成双运放来实现。图1为该基本报警电路。

图1 基本报警电路

图l中，R1是传感器要求的负载电阻，阻值为120 Ω，Vcc为9 V电源电压;A、B为LM358双运放，A为跟随器，起缓冲隔离作用，以便将R1上的电压VR1基本上全部施加到比较器B的同相输入端。RW为报警灵敏度调整电位器。稳态时，调整RW使得加到比较器反相输入端的电压V-略高于稳态时R1上的电压VR1这个电压越高，报警灵敏度就越低。加电并使传感器达到稳态后，MQ-KC为较稳定的固定阻值，当Vcc不变时，VR1基本为一固定值，保持不变。当有可燃性气体泄露时，传感器接触到可燃气，使其电导率上升，电阻下降，使VR1上升，当VR1高于V-时，比较器输出一个大于7 V的电压，从而使蜂鸣器HA发出滴、滴的报警声。若用该电压控制一个继电器，即可实现控制功能。为了提高抗干扰能力，可分别在R1和B的V-端并联一只滤波电容。

R1、R2和RW的取值不宜过小，以降低电源供电电流。其值可由式(1)估算，在估算时，RW可暂不考虑。

令V-=VR1，取R3=2 kΩ，已知Vcc=9 V，即可求出R2。本装置R2=10 kΩ，RW=lO kΩ。