便携式三态瓦斯报警器模块的设计与实现方法与流程

本发明涉及一种体积小巧、功能新颖、容易携带、容易被集成的便携式三态瓦斯报警器模块电路的技术与实现方法，尤其是一种不同于传统瓦斯报警器“二态”报警结构的“三状态”报警模式，所以这种“三态”报警器才是较完美的瓦斯报警器结构。

背景技术：

在现代煤矿企业，瓦斯报警器是最重要的安全设备之一，任何一个符合生产条件的大、中、小型煤矿，如果按照现有的安全设备加以详尽的规章制度的执行，煤矿井底的瓦斯爆炸是完全可以避免的，但每年瓦斯爆炸的事故仍然接连发生，包括一些大型煤矿。

主要原因还是由于瓦斯报警器的报警设置门限值预设的不是很科学，传统瓦斯报警器以一个固定的门限值作为报警阈值电压，由于工作面环境或瓦斯报警器本身元件的影响，门限值会发生变化，所以瓦斯浓度只要一临近预设定门限值，报警器很可能就会强烈声光报警，但往往这时瓦斯的浓度可能还不危险，长期“狼来了”式的“误报警”，造成了煤矿工人的厌烦以及侥幸心理，煤矿工人常常将瓦斯传感器探头沉入水底，以避免瓦斯报警器的骚扰，工人这种盲目的操作是造成瓦斯爆炸频繁发生的主要原因之一。

这种传统瓦斯报警器属于“二态”报警器，缺少一种临界状态警示，是造成工人厌烦的主要原因。

虽然瓦斯报警器的重要性不容置疑，但由于其高昂的价格，不可能人手一台进行配置，设计一种瓦斯报警浓度可调的三态便携式瓦斯浓度报警器模块电路，该报警器模块对于瓦斯浓度低于预警值时不会报警，瓦斯浓度高于预警值时声光报警，瓦斯浓度处于临界状态时可以只有光报警、不会产生声音报警，以免引人讨厌。这个临界状态不是一个点，而是一个电压值范围（对应瓦斯浓度范围），在临界范围之内都将“光”报警，不会“声”报警。这个电压值范围是否合适，可以通过多次实地测试来最终确定。

这个临界电压范围不同于斯密特触发器（或滞回比较器）的回差电压，回差电压是上升沿阈值和下降沿阈值的差值，回差电压的存在只会令工人更讨厌，因为延迟会产生持续时间更长的报警，而我们所讲的临界电压范围属于线性电压（或上升或下降）范围的一部分，没有转折电压。

所以这种“三态”报警器才是较完美的瓦斯报警器结构，这种结构可以衍生到别的工矿环境应用，比如温度报警、水位报警、压力报警、磁力报警等。

这种三态便携式瓦斯报警器模块可以独立成为一个便携式瓦斯报警器随身携带，也可以集成在矿灯或矿工帽里成为一种具有三态瓦斯报警功能的矿灯或矿工帽。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小巧、功能新颖、容易携带、容易被集成的便携式三态瓦斯报警器模块电路，该报警模块可以集成在矿灯或矿工帽里成为一种具有三态瓦斯报警功能的矿灯或矿工帽。

为实现上述目的，本发明提供一种便携式三态瓦斯报警器模块电路，其包括一个瓦斯传感器电路、一个基准电压电路、一个线性放大器电路、一个滞回比较器电路、一个多谐振荡器电路、一个通用比较器电路、一个电流放大电路、一个报警电路。所述瓦斯传感器电路和所述基准电压电路组成瓦斯测量电桥的两个臂，瓦斯浓度升高，测量电桥失去平衡，电桥输出微弱的电信号进入所述线性放大器电路a1进行放大，被放大的瓦斯浓度信号从a1的1脚输出进入通用比较器电路a3的反相输入端；同时运放a2通过电阻网络r10/r6由输出端向同相输入端引入正反馈，构成所述滞回比较器电路，利用由电容c1和电阻r9组成的微分电路与所述滞回比较器电路构成所述多谐振荡器电路；所述多谐振荡器电路的输出端通过电阻r10产生代表瓦斯浓度临界值范围的方波信号，该方波信号进入所述通用比较器电路a3的同相输入端，通用比较器a3将代表工作面瓦斯浓度信号的反相端电压与代表瓦斯浓度临界值范围的方波信号进行比较，a3的输出端信号通过限流电阻r11由所述电流放大器电路t1放大，t1的集电极输出信号驱动所述报警电路声光报警。

所述基准电压路，由+12v电源、电阻r1、调零电位器p1、电阻r2、工作地依次串接组成，电位器p1的滑动端输出基准电压，通过电阻r3进入运放a1的反相输入端。

所述瓦斯传感器电路，由+12v电源、瓦斯传感器的补偿端c、灵敏度调整电位器p2、瓦斯传感器的检测端d、工作地依次串接组成，电位器p2的滑动端输出瓦斯浓度信号进入运放a1的同相输入端。

附图说明

附图1、附图2、附图3、附图4、附图5用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1是传统二态瓦斯报警器方框图。附图2是三态瓦斯浓度报警器原理图。附图3是滞回比较器的“磁滞回线”。附图4是多谐振荡器振荡波形。附图5是瓦斯浓度报警器三态报警曲线分布图。

具体实施方式

在现代煤矿企业，瓦斯报警器是最重要的安全设备之一，任何一个符合生产条件的大、中、小型煤矿，如果按照现有的安全设备加以详尽的规章制度的执行，煤矿井底的瓦斯爆炸是完全可以避免的，但每年瓦斯爆炸的事故仍然接连发生，包括一些大型煤矿。

主要原因还是由于瓦斯报警器的报警设置门限值预设的不是很科学，传统瓦斯报警器以一个固定的门限值作为报警阈值电压，由于工作面环境或瓦斯报警器本身元件的影响，门限值会发生变化，所以瓦斯浓度只要一临近预设定门限值，报警器很可能就会强烈声光报警，但往往这时瓦斯的浓度可能还不危险，长期“狼来了”式的“误报警”，造成了煤矿工人的厌烦以及侥幸心理，煤矿工人常常将瓦斯传感器探头沉入水底，以避免瓦斯报警器的骚扰，工人这种盲目的操作是造成瓦斯爆炸频繁发生的主要原因之一。

这种传统瓦斯报警器属于“二态”报警器，缺少一种临界状态警示，是造成工人厌烦的主要原因。

虽然瓦斯报警器的重要性不容置疑，但由于其高昂的价格，不可能人手一台进行配置，设计一种瓦斯报警浓度可调的三态便携式瓦斯浓度报警器模块电路，该报警器模块对于瓦斯浓度低于预警值时不会报警，瓦斯浓度高于预警值时声光报警，瓦斯浓度处于临界状态时可以只有光报警、不会产生声音报警，以免引人讨厌。这个临界状态不是一个点，而是一个电压值范围（对应瓦斯浓度范围），在临界范围之内都将“光”报警，不会“声”报警。这个电压值范围是否合适，可以通过多次实地测试来最终确定。

这个临界电压范围不同于斯密特触发器（或滞回比较器）的回差电压，回差电压是上升沿阈值和下降沿阈值的差值，回差电压的存在只会令工人更讨厌，因为延迟会产生持续时间更长的报警，而我们所讲的临界电压范围属于线性电压（或上升或下降）范围的一部分，没有转折电压。

所以这种“三态”报警器才是较完美的瓦斯报警器结构，这种结构可以衍生到别的工矿环境应用，比如温度报警、水位报警、压力报警、磁力报警等。

这种三态便携式瓦斯报警器模块可以独立成为一个便携式瓦斯报警器随身携带，也可以集成在矿灯或矿工帽里成为一种具有三态瓦斯报警功能的矿灯或矿工帽。

传统瓦斯浓度报警器工作原理

既然传统瓦斯浓度报警器报警声会令工人厌烦，但工业界大量采用必定有其存在的合理性。

传统瓦斯报警器的电路结构可以称之为“二态”报警器，利用一个比较器将瓦斯传感器输出的模拟信号电压与一个基准电压做比较，比较器输出一个“二值”信号，就是比较器输出信号只有0或1两种状态，二值信号可以直接送给微控制器处理，也可以驱动振荡电路产生多谐振荡信号，推动发声电路实施报警，如附图1所示。

传统瓦斯报警器对于工业计算机控制来说是很适合的，因为计算机本来就只识别0或者1的二进制数制，这种“非对即错”的单一逻辑概念对于计算机远程控制来说产生的指令失真非常小，但对于一般的瓦斯报警器来说稍显不足，中间缺少一种瓦斯浓度处于临界状态的警示。

在临界状态瓦斯报警器仍然需要报警，但不同于瓦斯浓度处于危险状态的强烈报警，属于危险状态的报警必须坚决执行：加强通风、甚至停止生产；临界状态报警只要引起工人警觉即可，尽量减轻大家的厌烦。

瓦斯浓度可调的三态瓦斯浓度报警器

利用电子元件随瓦斯或甲烷等可燃性气体浓度变化、其参数会发生改变的特性，可构成一个电子仪器以检测任一范围的瓦斯浓度状态，该电子元件就是甲烷传感器或瓦斯传感器。

甲烷传感器

甲烷传感器是统称，所有可以检测甲烷或瓦斯浓度的传感器都可以称为甲烷传感器，甲烷传感器在煤矿安全检测系统中用于煤矿井巷，采掘工作面、采空区、回风巷道、机电峒室等处连续监测甲烷浓度，当甲烷浓度超限时，使报警电路自动发出声、光报警，可供煤矿井下作业人员、甲烷检测人员、井下管理人员等随身携带使用，也可供上述场所固定使用。

本设计为了描述方便，使用载体催化气敏元件mc114作为瓦斯传感器元件，当然红外或激光甲烷传感器同样可以适用该设计作为瓦斯敏感元件。

三态瓦斯浓度报警器电气原理

本设计将瓦斯浓度信号通过放大电路、比较器电路，最终用来控制一个发光灯具和一个音响报警器件（有源蜂鸣器）实施报警，在预置的瓦斯浓度范围以下时lamp（红色）和有源蜂鸣器amd都不起作用；当瓦斯浓度上升到最低预置值时lamp闪亮，实施光报警，直流蜂鸣器静默，这里的预置值不是一个固定电压，为一个电压范围；当瓦斯浓度超过最高预置值时，lamp和直流蜂鸣器amd俱导通，lamp常亮、直流蜂鸣器amd强烈报警。

最高预置值可以设置为瓦斯浓度对应的任意电压值，最低预置值可以为0，也可以为某个瓦斯浓度对应的电压值。在这一电压范围值之内报警模式是一样的，如上述，这种报警告诉职工瓦斯浓度正在升高，但还没到比较危险的程度。

电路附图2给出了三态瓦斯报警器的完整电气原理图。

从附图2可以看到，该报警器包括瓦斯传感器电路、基准电压电路、线性放大器电路、滞回比较器电路、多谐振荡器电路、比较器电路、电流放大电路、报警电路。

瓦斯传感器电路

瓦斯传感器电路采用载体催化气敏元件mc114作为瓦斯传感器元件，mc114型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作，由检测元件和补偿元件以及基准电压产生电路配对组成电桥的两个臂，遇可燃性气体时检测元件电阻升高，桥路输出电压变化，该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大，补偿元件起参比及温湿度补偿作用。

如图2所示，图中的“d”代表mc114瓦斯传感器检测元件，“c”代表补偿元件，电阻r1、r2、电位器p1构成基准电压产生电路，传感器元件“d”和补偿元件“c”以及基准电路配对组成电桥，电桥一旦失去平衡，立即输出微弱的电信号由后级放大器放大。

瓦斯浓度的采样电压信号调零可以通过基准电路元件中的电位器p1的滑动端来调节；瓦斯浓度报警器的灵敏度可由电位器p2调节。

由理想运算放大器a1构成的线性放大器电路

工作面瓦斯浓度发生变化时，瓦斯采样电桥输出微弱的电信号，该信号可以经过理想运算放大器放大、a/d转换，形成的数字信号可以供微控制器来处理，或显示瓦斯浓度或再通过运算形成报警信号实施报警，这时的理想运算放大器处于线性工作状态。

电桥输出的电信号当然也可以直接经过比较器、或滞回比较器输出“二值”信号，直接推动振荡器电路工作，供扬声器发声报警，这时的理想运算放大器处于非线性工作状态。這也是传统瓦斯报警器常用的电路结构，这种电路结构有本文引言里提到的种种缺点，这里不再赘述。

本文设计瓦斯报警器的电路结构是上述两种理想运算放大器应用的综合体现，既有线性工作方式的应用、又有非线性工作方式的应用。

一个理想的运算放大器如果输出与输入之间加以合适的负反馈电阻，理想运放工作于线性放大工作模式；输出与输入之间没有任何反馈即处于开环工作模式，理想运放构成比较器电路；如果输出与输入之间加以正反馈电路，理想运放构成滞回比较器电路。

在图2中，理想运放a1与负反馈电阻r4、限流电阻r3构成一个同相比例运算电路，a1处于线性放大器模式，电压放大倍数可以由以下公式计算：

上式表明同相比例运算电路输出与输入同相，且输出大于输入。

所以通过调整电阻r3、r4的比例，可以改变理想运放a1的电压放大倍数，按照图示电阻计算，a1可将电压变化放大约10倍。被放大以后的输出电压将被送到a3的比较器电路，通过比较器a3可以调整瓦斯报警器的关断门限。

由滞回比较器a2构成的多谐振荡器电路

滞回比较器又称施密特触发器，迟滞比较器。这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状，如附图3所示。

因滞回比较器具有电压的滞后特性，常用它对脉冲波形整形，使波形的上升沿或下降沿变得陡直；有时还用它作电压幅度鉴别，在数字电路中它也是很常用的器件。在本设计中利用滞回比较器将电容充放电形成的指数曲线变换为矩形波，构成一个多谐振荡器电路。

在图2中，电阻r10/r6为理想运算放大器a2的输出端与同相输入端之间引入正反馈网络，构成一个滞回比较器。12v直流电源通过电阻r5、r7，在r5、r6、r7的交点“r”处为滞回比较器提供一个参考电压，由于参考电压的引入，上文的滞回比较器实际上形成了一个“加了参考电压的滞回比较器”，滞回比较器的阈值电压可由以下公式求得：

其中ut+为上升沿阈值电压，ut_为下降沿阈值电压，uref≈6v，vcc=12v。

在图2中，电解电容c1与电阻r9构成的微分电路与滞回比较器一起形成了一个多谐振荡器电路，振荡过程简述如下：

报警器上电以前，电解电容c1没有存储能量且左、右端电位皆为0，比较器a2输出为0。报警器上电瞬间，基于电容电压不能突变的特性，电容c1的两端电位皆跃升到大约6v的基准电压附近，大于a2滞回比较器的下降沿阈值电压ut—，小于上升沿阈值电压ut+，12v电源通过电阻r5、r9以及比较器a2的输出端为电容c1反向充电，电容c1右端电压ua2-13(比较器a2的输入端13脚电压)逐渐降低，电压下降到滞回比较器a2的下降沿阈值电压ut—，再减小一个无穷小量时，a2的输出ua2-14由低电平0v翻转为高电平12v。

由于基准点“r”处的电位变化很小，故比较器a2的输出12v电压通过电阻r9、r7为电容c1正向充电，电容c1右端电压（即ua2-13电压）逐渐升高，当ua2-13电压升高到滞回比较器a2的上升沿阈值电压ut+，再增大一个无穷小量时，a2的输出端电平ua2-14由高电平12v反转为低电平0v，至此，对电容c1的下一个反向充电过程又重新开始，这个过程循环不停，构成多谐振荡器电路，形成如附图4所示的多谐振荡波形。

多谐振荡器的振荡频率由电容c1、电阻r9、r10、r6来调整，如果需要光报警闪亮的话，其大约调整在＜10hz（因为人眼的视觉暂留显影约能持续0.1s左右），如果光报警常亮即可，振荡频率可以高些。

通常使用这种振荡器信号都是直接从滞回比较器a2的输出端（14脚）取信号，在本设计中，则是从电阻r6和r10的结点“p”处取信号，这里振荡波形峰峰值的摆动比比较器a2输出处更小，并且送到比较器a3作为a3的第二输入信号（反相端信号）是十分理想的。

比较器电路a3与报警电路

理想运放a3电路处于开环工作模式，故可以作为一个比较器看待，它将来自线性运放a1代表瓦斯浓度的电压值与来自滞回比较器a2的方波信号做比较，输出信号将驱动报警电路工作。滞回比较器a2输出的方波信号通过电阻r10构成瓦斯浓度是否安全或危险的预置值，这里的预置值是一个电压范围，方波的峰值和谷值经过r10降压作为最高预置值和最低预置值，故通过调整电阻r6、r10的比值，可以随意调整瓦斯报警器的预置值范围，在这个范围范围之内，报警器都将“光”报警，而不会启动强烈的声报警。

当瓦斯传感器mc114探测到的瓦斯浓度值ua1-1低于预置值范围时，线性运放a1的输出电压低于来自a2的方波信号的谷值（最低预置值，下同）,即代表瓦斯浓度的直线（假定瓦斯浓度逐渐上升，实际情况也可能如此）完全处于代表预置值的方波信号电压之下，如图5的瓦斯浓度报警器三态报警曲线的t≤t1部分，这时由于运放a3的同相端输入信号电压始终低于反相端输入信号电压，故比较器a3的输出始终为零。

由晶体管t1构成的电流放大电路处于截至状态，发光lamp及直流有源蜂鸣器皆没有电流通过，瓦斯报警器没有任何警示，说明工作面瓦斯浓度处于安全状态。r11为t1基级限流电阻，由于t1基—射阻抗较低，如果比较器a3直接连接晶体管t1，较大的基级驱动电流可能会损坏比较器a3。

当瓦斯传感器探测到的瓦斯浓度所代表的电压值ua1-1处于代表预置值方波信号的峰值（最高预置值）和谷值之间时，相当于如图5所示的t1≤t≤t2部分，这时由于运放a3的同相端输入信号电压一会大于反相端的最低预置值电压，一会低于最大预置值电压，故比较器a3的输出信号为一个方波信号，输出方波频率与滞回比较器a2的多谐振荡频率相同，但a3输出方波幅值是12v且与多谐振荡信号反相。

瓦斯浓度处于t1≤t≤t2时，比较器输出的振荡信号通过晶体管t1放大电流，形成的直流脉冲电压推动瓦斯报警器lamp闪亮。

由于有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，虽然某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，故这时有源蜂鸣器amd处于静默状态，说明工作面的瓦斯浓度正在上升但还不到危险状态，但必须引起工作人员的警觉，时刻准备撤离工作面，或加强通风，降低瓦斯浓度。

当瓦斯传感器探测到的瓦斯浓度所代表的电压值ua1-1，完全处于代表瓦斯浓度预置值方波信号的电压值ua2-12之上时，相当于如图5所示的t≥t2部分，这时由于运放a3的同相端输入信号电压始终大于反相端输入信号电压，故比较器a3的输出始终为高电平12v，12v电压经过电阻r11限流后驱动晶体管t1完全导通，瓦斯报警器lamp常亮，有源蜂鸣器警声大作，说明工作面瓦斯浓度已经处于危险状态，工作人员必须撤离现场，保证安全。

制作与注意事项

调零电位器p1需要通过实地测试并与标准瓦斯报警器配合来调整，为了提高控制精度，p1、p2采用双圈电位器，报警临界状态的最高和最低预置值可以由电阻r6/r10调整。

为了改变led闪光频率，用不同的电容值去替换c1，较大的值反映较慢的速度。

报警模块可以集成在矿灯里，或集成在矿工帽里，报警模块的12v供电可以直接由矿灯供电，如果矿灯电压不匹配，可适当修改控制电路的参数，运放lm324单电源供电时，供电范围为3v~32v。

这款三态瓦斯报警器，一改传统二态瓦斯报警器不太人性化的缺点，充分利用了运算放大器所特有的三种工作模式：线性、比较、滞回比较，提供一种崭新的报警模式，这种报警模式完全可以利用到其它工矿环境如温度检测、气压检测等。

这种报警模式的缺点是在瓦斯浓度处于临界状态时，led闪亮，但瓦斯浓度处于危险状态时不能实现闪亮模式，只能处于常亮模式。