武汉理工大学华夏学院信息工程课程设计报告书课程名称传感与检测技术课程设计总评成绩学生姓名、学号林明森10212510103学生专业班级测控1101班指导教师姓名李莉课程设计起止日期2013.01.17~2013.01.25课程设计任务书学生姓名：林明森专业班级：测控1101指导教师：李莉工作单位：信息工程系题目: （注意该位置加上自己所选题目，宋体，四号字不加粗）初始条件：1.运用所学的传感器原理相关知识和相关电子技术知识；2.自行进行系统电路设计；3.PC机及相关应用软件；要求完成的主要任务:1.根据被测的非电量选择传感器；。

2.根据传感器选择测量电路。

3.对传感器及其测量电路进行仿真测试。

4.撰写课程设计说明书。

时间安排：第1天下达课程设计任务书和日程安排，根据任务书查找资料；第2～4天完成方案论证，传感器系统的设计，参考有关文献，完成仿真测试；第5天结果分析整理、撰写课程设计报告，验收和答辩。

指导教师签名： 2013 年 01 月 21 日一、课程设计项目名称基于QM-N5气敏传感器报警二、项目设计目的及技术要求1.完成气敏传感器报警的设计和调试。

2.了解传感器的基本知识，掌握传感器的使用方3.掌握555基时电路的应用。

4.遇到有害气体报警。

三、项目设计方案论证(可行性方案、最佳方案、软件程序、硬件电路原理图和PCB 图 )一、方案的论证一种是以AT89C51单片机为基础来实现这个方案，当外部的温度和烟雾和有害气体被传感器捕抓到的时候，传感器讲此非电信号转换成电信号，然后在送到555定时器芯片，当4脚给出一个高电平的时候，扬声器或者LED 发出报警信号或者光信号。

来达到警示的目的。

但是要编写汇编程序，而且硬件设施的要求多很多。

一种是以传感器为基础连接传感器和AD623和NE555定时器来实现这个方案，当外部的温度和烟雾和有害气体被传感器捕抓到的时候，传感器讲此非电信号转换成电信号，然后在送到555定时器芯片，当4脚给出一个高电平的时候，扬声器或者LED 发出报警信号或者光信号。

来达到警示的目的。

此方案简单已完成，而且用的地方多。

综合上述，我们选择了方案二来完成本次设计。

二、硬件电路原理图三、QM-N5传感器介绍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。

a 实物图b 引脚图图2.1.1 QM-N5气敏传感器实物图和引脚图其中：a 为实物图、b 为引脚图烟雾，有害气体等QM-N5气敏传感器AD623放大NE555 定时振荡器扬声器图b中：1脚和3脚并联，记做B；4脚和6脚并联，记做A2脚记做f′、5脚记做f，f′—f之间加热电源A、B作为输出端其具体连线如图2.1.2所示图2.1.2 QM-N5气敏传感器连线图特点：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QM-N5技术指标如下表2.1表2.1 QM-N5技术指标及其详细参数加热电压（V H）AC或DC 5±0.2V 响应时间(tres)≤10S回路电压（V c）最大DC 24V 恢复时间(trec)≤30S负载电阴（R L）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=R a/R dg）≥4(在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.1)特点用于可燃性气体的检测(CH4,C4H10,H2等)灵敏度高响应速度快输出信号大寿命长,工作稳定可靠2)技术指标加热电压(VH) AC或DC 5±0.5V回路电压(VC) 最大DC 24V负载电阻(RL) 2KΩ清洁空气中电阻(Ra) ≤4000KΩ灵敏度(S=Ra/Rdg ) ≥4(在1000ppmC4H10中)响应时间(tres) ≤10S恢复时间(trec) ≤30S检测范围 50-10000ppm3)基本测试电路图2.1.3使用方法及注意事项1)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.2)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.3)元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(Vdg - Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢复时间).4)符号说明检测气体中电阻- Rdg 检测气体中电压- VdgR dg 与Vdg的关系: Rdg=RL(VC/Vdg-1)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.555集成电路原理详细介绍说明在数字系统中，为了使各部分在时间上协调动作，需要有一个统一的时间基准。

用来产生时间基准信号的电路称为时基电路。

时基集成电路555就是其中的一种。

它是一种由模拟电路与数字电路组合而成的多功能的中规模集成组件，只要配少量的外部器件，便可很方便的组成触发器、振荡器等多种功能电路。

因此其获得迅速发展和广泛应用。

时基集成电路555工作原理如下：图a所示为555时基电路内部电路图。

管脚排列如图b所示。

整个电路包括分压器，比较器，基本RS触发器和放电开关四个部分。

图3.1 555定时器内部框图及引脚排列[4]（1）分压器由三个5kW的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC（8端），下端接地（1端），为两个比较器A1、A2提供基准电平。

使比较器A1的“+”端接基准电平2VCC／3（5端），比较器A2的“-”端接VCC／3。

如果在控制端（5端）外加控制电压。

可以改变两个比较器的基准电平。

不用外加控制电压时，可用0.01mF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。

（2）比较器A1、A7是两个比较器。

其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。

由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。

因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大于2VCC／3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。

当低电平触发端（2端）的触发电平略小于VCC／3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。

（3）基本RS触发器比较器A1和A2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD 和SD。

因此，基本RS触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。

图中的4端是低电平复位端。

在4端施加低电平时，可以强制复位，使Q=0。

平时，将4端接电源VCC 的正极。

（4）放电开关图中晶体管VT 构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS 触发器的Q 端。

当Q=0时，VT 截止；当Q=1时，VT 饱合导通。

可见晶体管VT 作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。

从CA555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al ，VT7的基极电位接在由三个5kΩ电阻组成的分压器的上端，电压为2/3VDD ；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电1/3VDD 。

在电路设计时，要求组成分压器的三个5kΩ电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/3VDD 和2/3VDD 。

VTl4-VTl7与一个4.7kΩ的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。

VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA 的电流。

VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA 以上电流的放电晶体三极管。

双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。

对等效功能电路和CA555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表，其详细参数如下表3.1。

表3.1引脚 2 6 4 3 7 电平 ≤1/3VDD 1.4V * 高电平 悬空状态 电平 <1/3VDD ≥2/3VDD 1.4V 低电平 低电平 电平 <1/3VDD >2/3VDD 1.4V 保持电平 保持 电平**0.3V低电平低电平由表可看出，S 、R 、MR 的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色 [1]3.2 555组成的单稳态触发器电路及原理 3.2.1电路组成图3.1所示是用555定时器构成的单稳态触发器。

R 、C 是定时元件，ui 是输入信号，下降沿有效，加在555的 端，u 0是输出信号。

3.2.2 工作原理（1）没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号即u i 为高电平时，电路工作在稳定状态—Q=0、Q _=1, u 0=U OL , T D 饱和导通。

若接通电源后，u i =U iH , 555定时器中基本RS 触发器是处在0状态，即Q=0、 Q —=1 、u 0=U OL 、T D 饱和导通，则这种状态将保持不变。

若接通电源后，u i =U iH ，555定时器中基本RS 触发器是处在1状态，即Q=1、 Q —=0 、u 0=U OH 、T D 截止，则这种状态是不稳定的，经过一段时间之后，电路会自动地返回到稳定状态。

因为T D 截止，电源V CC 会通过R 对C 进行充电，u C 将逐渐升高，当u c =u TH 上升到2V CC /3时，比较器C 1输出0，将基本RS 触发器复位到0状态，Q=0、 =Q —，U 0=U OL 为低电平，T D 饱和导通，电容C 通过T D 迅速放电，使u c ≈0,即电路返回到稳态。

（2）U i 下降沿触发当U i 下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态——Q=1、=Q —.u 0=U OH 、 T D 截止。

因为u i =由高电平跳变到低电平时，比较器C 1的输出跳变为0，基本RS 触发器立刻被置成1状态，立即稳态。

（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C 充电的渐变过程，充电回路是 V CC →R →C →地，时间常数为τ1=RC ，在电容上电压u c =u TH 上升到2V CC /3以前，显然电路将保持暂稳态不变。