课程设计可燃气体报警器
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在电子科学技术高速发展的今天，电子产品越来越多的应用在我们的日常生活中，像
日常我们工作所用的电脑、手机等等，这些高科技产品给我们带来了极大的方便，这要归功
于科学技术的高度发达。如今，日常生活也越来越走向电子化。工作可靠的可燃气体报警器
是我们所要做的课程设计课题。它的电路主要包括振荡电路、整流电路和光电耦合电路三大
部分。无源停电报警器涉及到《模拟电子技术》、《数字电子技术》中的相关知识。特别是对
一些电路的分析都涉及到《模拟电子技术》中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法、思
路。通过对本设计的模块式的分开分析、设计，如整体电路是有振荡电路、整流电路、光电
耦合电路组成。我们把原本复杂的电路简单化、部分化，最后再把每部分有机的结合起来，
这样大大提高了工作效率，同时思路是相当明确。
课程设计是重要，但更重要的是设计是的思路、方法，我们不能单纯的拿一个产品与另一
项产品作比较。我们面对课题要深深挖掘它所包含的知识点，所含的问题，认真总结解决问
题的方法。面对常用的一些元件电阻、电容、集成电路等等，我们要把他们有机的结合在一
起，争取创造出更多的实验成果。
这里介绍的工作可靠的可燃气体报警器有发生可燃气体泄露时，它就会发出急促的“嘟
-嘟-”报警声。它是改变具有振荡器功能与非门CD4011的工作状态,当起振时陶瓷片B就会发出报警声音。它可用矿井和需要检测可燃气体是否泄漏的场所中。
本电路采用了防误报的延时抗干扰电路，当接通电源，尤其是当突然停电又恢复供电后
致使检测信号输入端短时间变为高电平，由于延时防误报电路同时输入高电平将其平衡，使
电路工作状态保持稳定而不会发生误报现象。
振荡电路、气敏传感器、CD4011
进一掌握传感器电路的应用，熟悉传感器各种特性，锻炼设计的能力
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电路它由气体检测信号比较电路A1、误动作限制电路A2、门控电路A3、执行与指示电路VR1、J、LED等、报警声发生电路F1——F4，警声放大电路VR2、VR3及扬声器以及电
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源供给电路T、TC3等组成
工作原理如下图所示：
电源供给电路
T、TC3
执行与指示气体检测信电路VR1、扬声器号比较电路J、LED等A1
门控电路
A3
误动作限制
警声放大电路A2报警声发生电路VR2、电路F1--F4VR3
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电路原理图如下所示：
IC3VD1~VD4 ~IN4001220V-+9V7806
TC1C2~++100μJZC-22F(9V)9V1000μ/16V
R91.5K1QMVD6RP2LED1J10K（红)34
2VT1RP1IC1 LM324a90133R105Kc1.5KA12*R7R81b*R51.5K5KVT21MLED2*R6VD59013(绿)3.9K10C7g8+100μA39+C4ihR2R422μR151431M4.7KF2F11K62
12VT3R11R12d90121M100KC5A2f13+100pe*C3R347μ1.5K1281011F4F3139
R13R14C61M100K0.033μ可燃气体报警器工作电路
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由运算放大器A1组成的气体检测信号比较电路，将气敏检测原件输出的信号电压输
入同相输入端3脚，而在比较器的反相输入端2脚接入了一个由R3C3网络和运算放大器A2组成的防误报延时电路作为比较基准。当接通电源时，QM元件电极间阻值急剧减少，经过一段时间之后，才能进入稳定状态。在这个过程中，QM元件的4脚的电位会升高，经RP1分压后通过a点取样，使a点电位Ua>Ub，将会导致A1输出高电平发生误报。但是这时由于防误报电路的作用，这种误报现象不会发生。它的原理是这样的：接通电源时A2的同相输入端由于电源通过R1建立一个稳定的电压Ud，A2的反相输入端则是电源通过R2向电容C3充电，在充电初期UeUa，A1输出电平Uc为低电平，这样就使在QM元件输出高电平时，A1保持低电平输出，报警电路不会被触发，防止了误报。
随着时间的延伸，C3的充电过程结束，e点的电位Ue逐渐升高至正常值，Ue>Ud，A2输出电平Uf变为低电平，这时QM元件完成了过渡过程，4脚输出电平变为正常的稳定值，a点与b点电位同时恢复正常的电位关系，电路处于稳定状态。 当发生可燃气体泄露时，QM元件的4脚输出高电平，a点电平升高，但这时由于防误报电
路处于稳定状态，b点电位不会变化，则Ua>Ub，比较器A1输出高电平，该高电平经二极管VD5向C4充电，当C4充电电压达到一定值使Ug>Uh时，门控电路A3输出高电平一路经R8触发VT1导通，使继电器J吸合，接通相应的控制装置的电路，排除险情后（如：接
通排风扇排除泄漏气体，降低气体浓度；接通阀门控制装置，关闭阀门等）。另外一路输入
F1的1脚，触发警报发生器发出信号，并经VT2、VT3放大由扬声器发出警报。报警电路
发生器由CD4011组成，其中F1、F2接成低频振荡器，F3、F4接成高频振荡器，产生的报警信号经VT2、VT3放大使蜂鸣器发出警报声。
电路中的C4为报警延续延时元件，当A1输出高电平时，由于二极管正向电阻很小，
所以C4很快被充电至高电平，但如果当气体浓度很快降低时，A1输出端又变为低电平时，C4经过R5放电，由于C4较大，R5阻值也较大，所以g点电位要经过R5*C4的放电时间常数后才会降低，A3的输出端的延时结束后才会变为低电平。这样就使报警时间得以延续，
以便使排风扇等能充分排除可燃气体。
当A3输出高电平VT1导通时，电源经R9—LED1—VT1—电源负端使红色发光二极管发出险情指示。在平时，由于VT1截止，电源—J—R10—LED2—电源负端使绿色发光二极管发出正常指示
。
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此模块电路是无源停电报警器电路的主题电路
通常振荡电路有4部分组成：放大电路、反馈网络、稳幅环节、选频网络组成。其中反
馈电路是正反馈电路，放大器的输入端外加输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波，此信
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号经过放大器放大输出信号Uo,而它又作为反馈网络的输入信号，在反馈网络的输出端产生
反馈信号Uf。如果把反馈信号Uf，作为输入端的输入信号Ui输入放大器，当Ui与Uf的大小相等且相位相同，输入端可维持一定频率和幅度的信号Uo的输出，从而实现自激振荡。
为了使振荡电路输出一个固定的频率正弦波，要求自激振荡只能在某一频率上产生，而
在其他频率上不能产生，因此振荡电路必须有选频网络，使得只有通过选频网络输出的信号
Uf和Ui相同的条件而产生自激振荡，而其他的频率不能满足条件产生不了自激振荡。
（1）电路构成及工作原理
?电路构成
F1F21
3
212
74LS0474LS00
R11R12
C51M100k
1000P
CD4011
F31F4123
2
74LS0474LS00
R13R14
C61M3k3
0.03u
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图中所示与非门F1与R11、R12,C5构成振荡器；与非门F2与R13,R14,C6构成振荡器；由于数值有差别，所以是两个频率不同的振荡器，即构成振荡电路。电路的工作原理
它是有与非门F1与R11、R12,C5构成振荡器；与非门F2与R13,R14,C6构成振荡器，其原理如下：用门电路组成的多谐振荡器(包括由反相器、与非门和或非门)在各种电子电路中几乎都能见到，用与非门组成的多谐振荡器如图所示。其振荡周期T=2．2R2?C1。
对于本设计，由于两个振荡器所包含的元件数值不同，有振荡周期公式T=2．2R?C可计算出不同的振荡周期即不同的振荡频率。一个是以与非门F1为中心的振荡器，它的振
荡频率f=1/2.2*(R11\\R12)*C5;另一个是以与非门D为中心的振荡器，它的振荡频率
f=1/2.2*( R13\\R14)*C6。显然两者产生频率不同的振荡频率，所以达到振荡效果，通过喇叭
就发出嘟-嘟的声音。
气敏元件QM选用GN-QM7型，热丝电阻Rh=30—35欧姆，洁净的空气中的极间电阻Rs为400—700K，灵敏度K>3,响应时间t1<10s，恢复时间t2<30秒。气敏元件有六个脚1，2脚为热丝脚，可通过120~150mA的加热电流，另外四个脚两两相连构成一对电极。当环境气体浓度变化时，极间电阻值也发生变化，
由4端的电位也发生变化，从而实现气——电转换。
运算放大器IC1采用LM324四运放电路； IC2采用CD4011;IC3用7806；VT1、VT2采用9013,VT3采用9012，β>60。其余元件按图使用。
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QM-N5
QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
特点：
1、用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）
2、灵敏度高
3、响应速度快
4、输出信号大
5、寿命长，工作稳定可靠
技术指标：
加热电压（Vh） AC或DC 5?0.2V 响应时间(trec) ?10S 回路电压（Vc） 最大DC 24V 恢复时间(trec) ?30S
负载电阴（Rl） 2KΩ 元件功耗 ?0.7W 清洁空气中电阻（Ra） ? 2000 KΩ 检测范围 50—10000ppm 灵敏度（S=Ra/Rdg） ?4(1000ppmC4H10中) 使用寿命 2年
QM-N5型半导体气敏元件是以金属氧化物SnO为主体材料的N型半导体气2
敏元件,当元件接触还原性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高. , 特点
用于可燃性气体的检测(CH,CH,H等) 44102
灵敏度高
响应速度快
输出信号大
寿命长,工作稳定可靠
, 技术指标
加热电压(V) AC或DC 5?0.5V H
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回路电压(V) 最大DC 24V C
负载电阻(R) 2KΩ L
清洁空气中电阻(Ra) ?4000KΩ 灵敏度(S=Ra/R) ?4(在1000ppmCH中) dg410响应时间(tres) ?10S
恢复时间(trec) ?30S
检测范围 50-10000ppm
, 基本测试电路
输 出V C V信RLR L号
V H
,
, 使用方法及注意事项
, 元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟
后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理
解决.
, 加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用
为佳.
, 元件在接触标定气体1000ppm CH后10秒以内负载电阻两端的电压可410
达到(V- Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C H30dg410
秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(V- Va)差值的80%(即恢复时间). dg
, 符号说明
检测气体中电阻- R检测气体中电压- Vdg dg
R 与V的关系: Rg=R(V/V-1) dgdgdLCdg
, 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. , 使用条件:温度-15~35?;相对湿度45~75%RH;大气压力80~106KPa , 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使
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, 用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. , 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. , 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用.
CD4011
图1 芯片功能图
图2 CD4011内部保护网络
图3 引脚图
图4 逻辑图
图3 引脚图
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逻辑表达式：Y = A.B
真值表
A=Y.B
动作 X Y Q
禁止 0 0 ?
设定 0 1 1
重置 1 0 0
不变 无 1 1
(1)当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，
故禁止使用。如真值表第一列。
(2)当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。 (3)当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为””1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。 (4)当X=1、Y=1时，因为一个””1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
注：由于资料来源有限，请自行对应逻辑符号。
管脚功能：
1A 数据输入端 2A 数据输入端 3A 数据输入端 4A 数据输入端 1B 数据输入端 2B 数据输入端 3B 数据输入端
4B 数据输入端 VDD 电源正 VSS 地 1Y 数据输出端 2Y 数据输出端 3Y 数据输出端 4Y 数据输出端
VDD电压范围：－０.5V to 18Ｖ 功耗：700mW 小型封装 500mW 双列普通封装
工作温度范
围：
CD4011BM
-55? -
+125? 典最单Conditions Parameter 参数 CD4011BC 测试条件 型大 位 -40? -
+85? 直
流电气特性：
交流电气特性：
Symbol 符号
VDD - 5V 120 250 Propagation Delay Time, High-to-Low Level 传播延迟VDD - 10V 50 100 tPHL ns 时间，从高到低 VDD - 15V 35 70
VDD - 5V 110 250 Propagation Delay Time, Low-to-High Level 传播延迟VDD - 10V 50 100 tPLH ns 时间，从低到高 VDD - 15V 35 70
VDD - 5V 90 200 Transition Time 过渡期 nstTHL,tTLH VDD - 10V 50 100
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VDD - 15V 40 80
Average Input Capacitance 平均输入电容 CIN Any Input 5 7.5 pF
Power Dissipation Capacity 功耗电容 CPD Any Gate 14 pF
单-55? +25? +125? SymbolParameter 位 Conditions 测试条件 符号 参数 最小 最大 最小 典型 最大 最小 最大
VDD=5V,VIN=VDD
Quiescent or VSS 0.25 0.004 0.25 7.5 Device VDD=10V,VIN=VDD μA 0.50 0.005 0.50 15 IDD Current 静or VSS 1.0 0.006 1.0 30 VDD=15V,VIN=VDD 态电流
or VSS
Low Level
Output VDD = 5V 0.05 0.05 0.05 l Voltage 输 VDD = 10V 0.05 0.05 0.05 VOL V IOl<1μA 出低电平电VDD = 15V 0.05 0.05 0.05 压
High Level 5 Output VDD = 5V 4.95 4.95 4.95 10 Voltage 输lIOl<1μA VDD = 10V 9.95 9.95 9.95 VOH V 15 出高电平电VDD = 15V 14.95 14.95 14.95 压
Low Level VDD = 5V, VO = 4.5V 2 Input VDD = 10V, VO = 1.5 1.5 1.5 4 Voltage 输 9.0V 3.0 3.0 3.0 VIL V 6 入低电平电VDD =15V, VO = 4.0 4.0 4.0 13.5V 压
High Level VDD = 5V, VO = 0.5V
Input VDD = 10V, VO = 3.5 3.5 3 3.5 Voltage 输 1.0V VIH 7.0 7.0 6 7.0 V 入高电平电VDD = 15V, VO = 11.0 11.0 9 11.0
1.5V 压
Low Level 0.64 0.51 0.88 0.36 VDD = 5V, VO = 0.4V
Output VDD = 10V,VO = 1.6 1.3 2.25 0.9 Current 输 0.5V IOL mA 出低电平电VDD = 15V,VO = 4.2 3.4 8.8 2.4 1.5V 流
High Level -0.64 -0.51 -0.88 -0.36 VDD = 5V, VO = 4.6V
Output VDD = 10V, VO -1.6 -1.3 -2.25 -0.9 Current 输 =9.5V IOH mA 出高电平电VDD= 15V, VO -4.2 -3.4 -8.8 -2.4 =13.5V 流
IIN Input -0.10 -10-5 -0.10 -1.0 VDD = 15V, VIN = 0V
μA Current 输VDD = 15V, VIN = 0.10 10-5 0.10 1.0 入电流 15V
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稳态时先调节RP2为中间值，因这时Uf=0，为低电平，则Ub=R4*E/(R4+RP2)，其中E为电源电压。然后调节RP1使Ua略小于Ub，则
Uc=0为低电平，报警器处于正常的稳定工作状态。
当用一定的标准的气体样品通过QM元件时，QM元件输出高电平使Ua>Ub,A1输出高电平，这是Uc=E=6V,VD5导通、C4充电，充电结束时Ug=Uc=6V，而h点的电压Uh,在任何时候基本上是稳定的，它等于
Uh=R3*E(R3+R1)=3.6V左右，即Ug>Ub,A3输出高电平，触发报警器报警。当A1输出低电平时，C4经R5放电形成延时，调整C4的容量可调整延时时间的长短。
课程设计是我们学习过程中一个十分重要的环节。是锻炼我们运用所学知识正确分析和解
决实际问题的一个重要方面，也是培养应用型专门人才的要求。所谓复杂电路也就是简单电
路层次构成，用一些常见的电阻、电容、各类型的二极管、三极管，常见的集成芯片，把它
们有机的结合起来，就可以做出实用的产品来。另外，在设计电路、分析电路中查阅不少资
料，这样扩展了我在电子方面的知识，也发动了我的创造思维。
经一个月的课题研究，从选题和资料、分析和计划、实际产品设计、调试维护阶段、毕
业设计说明书写等等中，我对电子产品的开发产生了浓厚的兴趣,通过这次毕业设计我学到了很多电路知识像《模拟电子技术》、《数字电子技术》,电脑知识，以及相关软件的知识，如Microsoft Office Word2003等等，从中学到了知识也得到了实际的应用。特别是通过本次
设计巩固我的理论知识,像对振荡电路、整流稳压滤波电路、电容滤波电路、多种类型二极
管、三极管等更加充分的了解、记忆。
电子技术的研究才刚刚开始，相信以后这项技术的研究会逐渐深入，涉及的研究领域也
将更广。希望这项技术的研究能为人们以后的生活、工作带来更大的便利，为人们提供更为
舒适、完美的生活方式。
我会在日后的开发中深入学习，加深研究，我会争取把本系统应用到实际工作中，使之
产生商业价值。电子技术发展日新月异，我会在以后的研发中加入新技术，使之更趋完善，
总之本次毕业设计是我的电子研发之路的良好开端。我会以此为契机，在以后的电子开发工
作中取得更好的成绩。
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[1]赵家贵.传感器电路设计手册.北京：中国计量出版社2002 [2]何希才.实用传感器接口电路实例.北京：中国电力出版社2007 [3]陈有卿.实用555时基电路300例.北京：中国电力出版社2005 [4]沈锦飞.电源变换应用技术.北京：机械工业出版社.2007 [5]常健生.检测与转换技术.北京:机械工业出版社.1997 [6]刘畅生.传感器简明手册及应用电路.西安:西安电子科技大学出版社.2006 [7]于彤.传感器原理及应用.北京:机械工业出版社.2008 [8]王煜东.传感器应用技术.西安:西安电子科技大学出版社.2006 [9]杨帮文.新编传感器实用宝典.北京:机械工业出版社.2005 [10]肖景和.实用遥控电路.人民邮电出版社.2003
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附录一：原理图
IC3~VD1~VD4
IN4001-+220V9V7806
TC1C2~++
100μJZC-22F(9V)9V1000μ
/16V
R9
1.5K1QMVD6RP2LED1
10K（红)34J2VT1RP1IC1 LM324a90133R105Kc1.5KA12*R7R81b*R51.5K5KVT21MLED2*R6VD59013(绿)3.9K10C7g8100μA39C4i+hR2R422μR15143+1M4.7K1K62F2F112VT3R11R12d90121M100KC5A2f13100pe
*C3R347μ+1.5K1281011139F4F3
R13R14C61M100K0.033μ
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