【课程设计】指针表型燃气报警器 47415Y - 嘉立创EDA开源硬件平台

mcu太贵的时代，用模拟电路，指针表。(MP-4传感器）实现燃气报警器。 主要功能，检测空气中甲烷含量，如> 1000PPM ，声光报警，继电器动作。 USB供电或（12V-24V）供电,24V供电时可以提供4-20ma输出模式。 MP-4传感器 需要一路加热供电，和传感器侧供电。需要开机预热至少60S。
1）传感器断线检测功能。 U2.1组成正向放大器，放大传感器加热电流，R14 3R 检流电阻，正常在50ma 左右，Q1导通，AL1输出低电平。反之输出高电平。 U2.2 构成电压比较器，正常传感器在洁净空气中有大约0.02V 输出（实测）。正常时 比较器输出低电平。如传感器侧断线(传感器输出0V)输出高电平。 2）传感器报警 U5.1组成差分放大器，减去零点（R51调整），放大十倍去指针表显示。 U5.2组成电压比较器，传感器值大于设定值（R50调整），输出高电平。 3）开机预热 R5 和CP3 组成RC充电电路 ，U1.1组成电压比较器，开机60S 大概后输出低电平。 4）蜂鸣器驱动 U1.2组成振荡电路，产生方波驱动无源蜂鸣器，频率由R34 ，C11，C12决定。Q3可以关闭振荡，输出低电平。Q5选择加入C12改变振荡频率。 5）继电器驱动 Q6 Q4 组成自锁驱动，SW3可以选择是否自锁。 6）4-20mA输出 U8.1组成电流源，U8.2组成电流放大器。传感器故障时由Q9拉低输入，使输出为零。 U7 DC-DC电路产生24V转5V，供电。SW4 选择USB或外部供电。 7)测试按键说明 测试按钮SW1  按下按键后， 30K电阻并联传感器 ，电压大该 150mV 左右（忽略传感器电阻，理论值）。 指针表在1.5V左右。蜂鸣器响，继电器吸合，AL3 亮。 电流输出11.5mA 左右。150mV 放大10倍1.5V，到U8 ，（0.8V  + 1.5V ）/2=1.15V。 转换成 11.5mA。 可以用来测试后端电路是否正常。
\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-2021\.5\.30\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\- 电路板调试完成，有二处飞线。验证功能正常。 电路上修改过的，已更新原理图，PCB。 视频已更新 [https://www.bilibili.com/video/bv1sK4y1R7r9](https://www.bilibili.com/video/bv1sK4y1R7r9) \-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-2021\.6\.15\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\- 补充下视频中用镊子短路电阻的说明： 1）短路传感器电流采样R11，相当于传感器加热组开路，没有电流，电压为零，放大器输出为零，低频报警。 2）短路传感器输出R17，相当于传感器输出零，低频报警。 3）短路开机预热电阻R5，快速使CAP3充电，电压上升，关闭报警。
另外，实测振荡电路可以正常工作，振荡器工作大约60S后，C12上确实会产生最低-0.4V的电压，但不会击穿Q5。
 \-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-补充电路功能说明\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\-\- 1）由TL431 产生2.5V基准电压（VREF），供传感器，比较器使用。  2）传感器电路，1脚，2脚为加热电极。3脚，4脚为测量电极。 AVCC为5V供电，R14为加热电极电流检测电阻，传感器通电时大约50mA电流，R14上产生大约150mV。 VREF为测量电极供电，R17分压后，传感器4脚输出电压。 测试按钮SW1  按下按键后， 30K电阻并联传感器 ，电压大该 150mV 左右（忽略传感器电阻，理论值）。
 
3）开机预热电路，上电时由R5向CAP3充电，CAP3上的电压逐渐升高。大约60S后CAP3上电压大于2.5V。 U1.1构成电压比较器，当反向输入端小于同向输入端（2.5V）时运放输出高。AL0高电平，报警。  4）传感器加热电极断线检测。通电时R14上产生大约150mV，U2.1同向放大器放大25倍，运放输出大约3.75V，经Q1反向输出。当传感器加热电极断线时,R14上0V，运放输出0V，经Q1反向输出5V，AL1高电平，报警。 
5）传感器测量电极断线检测。传感器正常工作是，传感器4脚输出电压大于10mV。 当断线时，传感器4脚没有电压，由U2.2电压比较器，当反向输入端小于同向输入端（电阻分压后6.4mV），运放输出高，AL2报警。
 6）传感器电压转换成指针电压表。传感器4脚输出电压输入运放U5.1构成的差分放大器，减去电位器R51处电压（减去传感器的零点电压，手动调整），放大10倍，后输出到指针表电压表显示SOUT。  7）传感器报警。当检测到甲烷时，传感器4脚输出电压变高，经上运放U5.1输出后（SOUT信号）进入U5.2构成的电压比较器， 当同向输入端大于反向输入端（电位器R50的电压，报警阈值由R50调整），运放输出高，AL3报警。
 8）继电器驱动。当AL0，AL1，AL2，AL3，（由二极管构成或门）任意一路输出高电平时，输入Q4驱动继电器吸合。 自锁，Q4 导通时Q6也同时导通，Q6集电极高电平又输入Q4基极，产生自锁。按下SW2时Q4基极强制低电平，解除自锁状态。 SW3选择自锁或不自锁。
9）蜂鸣器驱动电路。U1.2组成振荡电路，产生方波驱动无源蜂鸣器，频率由R34 ，C11，C12决定。Q3可以关闭振荡。Q5选择加入C12降低振荡频率。 AL0，AL1，AL2，AL3（由二极管构成或门）任意一路输出高电平时，都会使振荡器开始工作。 当AL0，AL1，AL2（由二极管构成或门）任意一路输出高电平时，Q5导通，会降低振荡频率，产生低频报警声。提示传感器故障。 当只有AL3输出高电平时，振荡器开始工作，Q5不导通，产生高频报警声。提示甲烷超标报警。
 10）4-20mA输出电路。4-20mA输出是常见的工业输出方式，当24V供电时有效。由SOUT信号输入U8.1组成带加法器的电流源（跟随器），R89,R90,分压产生0.8V与SOUT信号相加并除以2， 当传感器SOUT信号0V时Q8发射极上输出0.4V（流过R87 0.4mA）。由图可知，R76和R87的电流是一样的，其电压成镜像关系。 U8.2和PMOS Q7 组成电压跟随器，（R92并联R73）上的电压和R76上的电压是一样的。R7 比（R92并联R73）是10倍。 故流过（R92并联R73）的电流是R76上的10倍（SOUT信号0V时输出4mA）。 D16 稳压管拉低电压，是输入电压在运放的工作范围（否则需要轨至轨运放）。 当AL0，AL1，AL2（由二极管构成或门），传感器故障时由Q9导通，拉低输入为0V，使输出为0mA。（0mA 一般表示传感器故障）

 11）5V供电电路，USB通供5V，当24V供电时U7降压后产生5V供电。开关选择供电方式。
 12）24V供电电路与指示灯。LC滤波后供给4-20mA电路使用。