家用一氧化碳報警器的製作方法
2023-05-17 12:26:21
專利名稱：家用一氧化碳報警器的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種報警器，用於家庭防止不完全燃燒引起的CO中毒，屬於有毒、有害氣體監測、報警技術領域。
已有的家用CO報警器，多數採用低靈敏傳感器，靈敏度只能達到1000ppm，不能有效防止CO中毒。少數雖然採用了高靈敏傳感器，但在傳感器加熱電壓循環變換電路設計上，都存在抗電磁幹擾能力差、穩定性差的弱點；在信號轉換處理電路中，同樣存在抗幹擾能力差、穩定性不高的問題。因此，不能充分發揮傳感器的作用，限制了靈敏度的提高。同時，由於幹擾和報警器本身不穩定，容易產生誤報和漏報，仍不能有效地防止CO中毒事故。
本實用新型的目的是提出一種新的家用CO報警器，它採用專門檢測CO的高靈敏半導體氣敏傳感器，並配以高抗電磁幹擾的加熱電壓循環變換電路，使加熱電壓循環變換周期時間穩定不受幹擾；信號轉換處理電路中採用溫度補償、濾波和積分抗幹擾措施，使整機具有高抗電磁幹擾能力和高穩定性，並且靈敏度達到50ppm。在冬季家庭燃煤取暖時，居室內可以出現較長時間的濃度為50至數百ppm的CO氣體，本實用新型能有效地防止這種情況下的CO中毒和高濃度時的CO中毒事故。在家用電器日益增多的今天，高抗電磁幹擾能力是家用報警器可靠工作的必要條件。
本實用新型由電源供給單元、傳感器、加熱電壓循環變換單元、信號比較處理單元、報警單元、延時單元構成。
電源供給單元將220伏工頻交流電轉換成6伏直流供給整機各部分。傳感器採用HQ－5型半導體氣敏器件，它對CO有高的靈敏度，對CO以外的氣體具有較高的解析度，它將CO氣體濃度轉變為電信號。傳感器循環工作在加熱清洗和測試狀態，其加熱極電壓需要5V／2V循環變換。加熱電壓循環變換單元由方波發生電路和電壓變換電路兩部分組成。方波發生電路的正反饋迴路中加有積分環節，以濾除幹擾，提供穩定的、周期為60秒／30秒的不對稱方波信號，控制由電晶體開關電路構成的電壓變換電路，完成加熱電壓循環變換。信號比較處理單元將傳感器送來的信號電壓與給定電壓比較，如果信號電壓高於給定電壓，將輸出信號使報警單元發出聲光報警信號。這一單元採用了溫度補償、輸入信號濾波和積分式信號採集、信號保持處理環節，使信號不受電磁幹擾，正確反映CO濃度。報警單元由控制振蕩電路和音頻振蕩電路兩部分組成。控制振蕩電路由時基電路和阻容元件構成多諧振蕩器，產生周期為1.5秒／1秒的不對稱方波，驅動多功能指示燈閃爍，同時控制音頻振蕩電路，使其工作在振蕩／停振的循環中，使報警聲斷續。音頻振蕩電路由時基電路和阻容元件構成多諧振蕩器，產生1.5毫秒／1毫秒的不對稱方波，送至揚聲器。兩個振蕩電路使揚聲器產生斷續蜂音報警。延時單元有兩個作用1、在報警器剛接通電源時，傳感器需預熱10分鐘才能正常工作，在預熱期間，延時單元使報警器不能發出聲音，完成初始延時功能。2、當報警器發出報警聲，人們知曉後，可以按下消音按鈕，使延時電容放電，報警聲暫停，完成消音延時功能。這時人們可以通過指示燈閃爍與否來判斷CO濃度情況。延時完畢，電路自動復原，準備下一次報警。
本實用新型與已有的家用CO報警器相比，其突出特點是抗電磁幹擾能力強，穩定性好，消除了誤報和漏報。它所提供的高靈敏度能更有效地防止CO中毒。由於設有延時式消音電路，使用更加方便、可靠。傳感器使用壽命長，如以每年冬季使用4個月計，可使用5年以上。報警器可以在0－30℃的環境中正常工作。同時具有功率消耗低(＜3W)，成本低，製造容易等特點，適宜普及家庭使用，也可用於企事業單位。
附
圖1、附圖2為本實用新型的電路結構方框圖。
附圖3為本實用新型的信號比較處理單元電原理圖。
附圖4為本實用新型的報警單元和延時單元電原理圖。
附圖5為本實用新型的加熱電壓循環變換單元電原理圖。
附圖6為本實用新型的電源供給單元電原理圖。
以下結合附圖對本實用新型的實施例加以詳細敘述。
本實用新型是由電源供給單元1、傳感器2、加熱電壓循環變換單元3、信號比較處理單元4、報警單元5、延時單元6組成。
電源供給單元1由變壓器T，二極體VD6、VD7、VD8、VD9，電容C12、C13和三端穩壓集成電路N3組成。變壓器T將220伏交流電變為10伏，經VD6－VD9橋式整流，電容C12濾波後送入N3(7806)，經穩壓後獲得穩定的6伏直流電送至各單元。
傳感器2選用HQ－5型半導體氣敏器件，它對CO有高的靈敏度，對CO以外的氣體有較高的解析度，且穩定性好、壽命長。它循環工作在兩種狀態清洗狀態和測試狀態。在清洗狀態時，傳感器加熱極接高電壓5伏，時間是60秒，此時傳感器溫度較高，使氣體脫附，保證傳感器工作零點穩定；在測試狀態，加熱極接低電壓2伏，時間是30秒，此時傳感器溫度較低，對CO氣體有很高的靈敏度，遇到CO氣體時，電阻值下降，使負載電阻R1上電壓升高，將CO濃度轉換為電信號送至信號比較處理單元4。傳感器加熱電壓和其循環周期時間必須穩定，才能使傳感器正確反映CO的濃度。
加熱電壓循環變換單元3由方波發生電路3a和電壓變換電路3b構成。方波發生電路由集成電壓比較器N1d，電晶體VT1，二極體VD5，電阻R22、R23、R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31，電容C8、C9、C10組成。其中R25、R26、R27、C9和R29、R30、R31、C10構成兩個積分抗幹擾環節。N1d的14腳接R25一端，R25另一端接R26一端和C9正極，C9負極接地，R26另一端接R27一端和VT1基極，R27另一端接地；R29一端接VT1集電極和R28，R29另一端接R30一端、C10正極和R31一端，R30另一端和C10負極接地，R31另一端接電源＋6V。其工作原理如下在接通電源瞬間，C8兩端電壓為零，使N1d的9腳即電壓比較器的同相輸入端電壓低於反相輸入端電壓，N1d的14腳輸出低電位，VT1截止。通過恰當選擇R28、R29、R30、R31的數值，使N1d的8腳對地電壓為4伏。電源通過R21、R22對C8充電，在充電過程中，VD5正極與R21、R22交點電位始終低於VD5負極電位，VD5截止，不影響充電。當C8兩端電壓充到4伏以上時，比較器N1d翻轉，14腳輸出高電位，VT1導通使N1d的8腳電位下降至2伏；同時VD5導通，C8通過R22、VD5和VT1放電，直至C8兩端電壓下降到低於2伏時，比較器再次翻轉，C8又開始充電……在N1d的14腳形成周期為60秒(低電位)／30秒(高電位)的不對稱方波，輸出至電壓變換電路。當幹擾脈衝使N1d提前翻轉時，由於在N1d的14腳和VT1基極間接有由R25、R26、R27和C9組成的積分抗幹擾環節，其RC時間常數為0.2秒，幹擾脈衝持續時間遠小於積分環節的時間常數，使幹擾不能影響VT1正常工作狀態，不能形成正反饋使N1d的8腳電位改變；同時，由於在N1d的8腳上接有電容C10，C10與R29、R30、R31一起組成另一個積分抗幹擾環節，其RC時間常數為0.3秒，遠大於幹擾脈衝持續時間，使N1d反相輸入端的比較電壓穩定不變。以上兩個積分環節使整個方波發生電路不受幹擾。方波發生電路產生的周期為60秒／30秒的不對稱方波信號，輸出至電壓變換電路3b。3b由電晶體VT2、VT3、VT4、電阻R24、R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38，電容C11，發光二極體VH2組成。各電晶體工作在開關狀態。當N1d的14腳為低電位時，VT2截止、VT4導通，使W1點對地電壓為1伏，為傳感器加熱極提供5V電壓，同時VT3導通，W2點為低電位，使工作在清洗狀態的傳感器的輸出信號被旁路。這是因為此時傳感器的輸出不能正確反映CO濃度。當N1d的14腳為高電位時，VT2導通，VT4截止，使W1點對地電壓為4V，為傳感器加熱極提供2V的工作電壓。同時，VT3截止，不影響W2點電位。VH2用來指示傳感器工作狀態。加熱電壓循環變換單元3為傳感器2提供了穩定不受幹擾的、周期為60秒／30秒、電壓為5V／2V的加熱電壓。
信號比較處理單元4由信號比較電路4a和信號積分保持電路4b構成。信號比較電路4a由集成電壓比較器N1a，電阻R1、R2、R3、R4，電容C1、C2組成。其中R2、C1組成輸入信號濾波抗幹擾環節，R2一端接傳感器2和電阻R1，另一端接C1和N1a的7腳，C1負極接地。R2、C1時間常數為0.1秒，幹擾脈衝因持續時間遠小於0.1秒被濾除。R3、R4、C2組成比較電壓濾波抗幹擾環節。熱敏電阻R3對傳感器進行溫度補償。R3一端接＋6V，另一端接N1a的6腳、C2正極和R4一端，C2負極和R4另一端接地。由R3和R4分壓為N1a提供比較電壓。當有幹擾脈衝侵入時，因R3、R4、C2組成的充放電迴路時間常數為0.1秒，遠大於幹擾脈衝持續時間，故比較電壓穩定不變。R3是負溫度係數熱敏電阻。當環境溫度升高時，傳感器靈敏度變高，N1a的7腳輸入電壓升高，這時R3電阻值下降，比較電壓也升高，使報警點不變。信號積分保持電路4b由集成電壓比較器N1b，電阻R5、R6、R7、R8、R9，電容C3，二極體VD1構成。R5一端接＋6V，另一端接N1a的1腳、VD1正極和R6，R6另一端接VD1負極、C3正極和N1b的5腳，C3負極接地。R7一端接＋6V，另一端接N1b的4腳和R8一端，R8另一端接地。當N1a的7腳電位低於6腳電位時，N1a的1腳為低電位，N1b的5腳也為低電位，低於N1b的4腳電位，N1b的2腳W3點輸出低電位，使報警電路不工作。當傳感器2工作在測試狀態的30秒時間內，傳感器負載電阻R1上的電壓經R2送到N1a的7腳，一旦環境CO濃度超過了50ppm時，該電壓高於N1a的6腳的比較電壓，N1a翻轉。N1a的1腳輸出高電位，電源通過R5、VD1向C3充電。R5、C3的時間常數為0.68秒。因信號電壓持續時間較長，C3上的電壓被充到接近＋6V，使N1b的5腳電位高於4腳電位，比較器翻轉，N1b的2腳輸出高電位，啟動報警電路。幹擾脈衝因持續時間遠小於0.68秒被濾除。當傳感器工作在測試狀態30秒以後，進入清洗狀態。此時，傳感器輸出不能正確反應CO濃度，故信號被加熱電壓循環變換單元中的VT3旁路，N1a的1腳輸出低電位，C3通過R6和N1a放電，放電時間常數為90秒，以保證報警信號不中斷。
報警單元5由控制振蕩電路5a和音頻振蕩電路5b構成。控制振蕩電路5a由集成時基電路N2a，電阻R16、R17、R18，電容C5，二極體VD4組成多諧振蕩器，產生周期為1.5秒／1秒的不對稱方波，由N2a的5腳輸出，一路控制發光二極體VH1，另一路控制5b。音頻振蕩電路5b由集成時基電路N2b，電阻R19、R20，電容C6、C7組成多諧振蕩器，產生周期為1.5毫秒／1毫秒的不對稱方波，送至揚聲器B。N2a、N2b是集成雙時基電路NE556。當N2a的4腳為低電位時，控制振蕩電路5a停振，N2a的5腳輸出低電位，使音頻振蕩電路5b停振，揚聲器B不發聲。當CO濃度超限時，信號比較處理單元送來高電位至W3點，5a振蕩，N2a的5腳高低電位交替變化，使VH1閃動；同時使5b工作于振蕩－－停振的循環狀態，揚聲器B發出斷續蜂音報警。
由三色發光二極體VH1、電阻R14、15組成多功能指示燈。R14一端接＋6V，另一端接VD2正極和VH1綠色管蕊正極，VD2負極接N1c的13腳和VD3負極，R15一端接＋6V，另一端接VH1紅色管蕊正極，VH1的負極接N2a的5腳、R18和VD4負極。當接通電源時VH1負極為低電位，紅色管蕊亮；此時由於延時時間未到，N1c的13腳輸出低電位，通過VD2將VH1綠色管蕊正極接到低電位，綠蕊不亮，此時VH1發紅光，表示電源接通；當延時單元延時時間到、N1c的13腳為高電位時，紅綠管蕊同時亮，VH1發橙色光，表示預熱完畢。當VH1的負極為高電位時，VH1熄滅。在報警時，由於VH1負極高低電位交替出現，故VH1閃動，表示報警。
延時單元6由集成電壓比較器N1c、電阻R10、R11、R12、R13，電容C4，按鈕S，二極體VD2、VD3構成。R12和R13分壓使N1c的10腳電壓為4V。接通電源後，電源通過R11向C4充電，R11、C4時間常數為600秒。當C4正極即N1c的11腳電位低於4V時，比較器輸出低電位，通過VD3使報警單元中N2b的8腳為低電位，音頻振蕩電路不能振蕩；C4正極電位高於4V時，比較器輸出高電位，完成初始延時。由於消音按鈕S一端接C4負極，另一端接R10一端，R10另一端接C4正極、R11一端和N1c的11腳。當報警被人們知曉後，使用者可以按下S，使C4通過R10和S放電，N1c的13腳輸出低電位，報警聲暫停。這時，使用者可以通過觀察VH1是否閃動來判斷CO濃度的情況。經過600秒後，自動恢復到N1c輸出高電位狀態。從而實現初始延時和消音延時兩種功能。在本單元和單元3、單元4中，集成電壓比較器N1a、N1b、N1c、N1d是集成四電壓比較器LM339。
權利要求1.家用一氧化碳報警器，由電源供給單元1、傳感2、加熱電壓循環變換單元3、信號比較處理單元4、報警單元5、延時單元6構成，其特徵是電源供給單元1為整機提供6伏直流電壓；傳感器2採用高靈敏的HQ-5型氣敏器件，將CO濃度轉換為電信號；由方波發生電路3a和電壓變換電路3b構成高抗電磁幹擾的加熱電壓循環變換單元3，為傳感器2提供加熱電壓，並送控制信號至信號比較處理單元4；由信號比較電路4a和信號積分保持電路4b構成高抗電磁幹擾的信號比較處理單元4，對由傳感器2送來的電信號進行處理後控制報警單元5；由控制振蕩電路5a和音頻振蕩電路5b構成報警單元5，報警信號被送到揚聲器B和多功能發光二極體指示燈VH1；由延時單元6完成初始延時和消音延時功能，其輸出信號控制報警單元5的音頻振蕩電路5b。
2.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是由集成電壓比較器N1d，電晶體VT1，二極體VD5，電阻R21、R22、R23、R25、R26、R27、R28、R29、R30、R31，電容C8、C9、C10構成高抗電磁幹擾的方波發生電路3a，其中R25、R26、R27、C9和R29、R30、R31、C10構成兩個積分抗幹擾環節。N1d的14腳接R25一端，R25另一端接R26一端和C9正極，C9負極接地，R26另一端接R27一端和VT1基極，R27另一端接地，該積分環節時間常數為0.2秒，R29一端接VT1集電極和R28，R29另一端接R30一端，C10正極和R31一端，R30另一端和C10負極接地，R31另一端接電源＋6V，該積分環節的時間常數為0.3秒。
3.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是由集成電壓比較器N1a，電阻R1、R2、R3、R4，電容C1、C2構成信號比較電路4a。其中R2、C1組成輸入信號濾波抗幹擾環節，R2一端接傳感器2和電阻R1，另一端接C1和N1a的7腳，C1負極接地，該環節時間常數為0.1秒；R3、R4、C2組成比較電壓濾波抗幹擾環節，熱敏電阻R3對傳感器進行溫度補償，R3一端接＋6V，另一端接N1a的6腳、C2正極和R4一端，C2負極和R4另一端接地，該環節時間常數為0.1秒。
4.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是由集成電壓比較器N1b、電阻R5、R6、R7、R8、R9，電容C3，二極體VD1構成信號積分保持電路4b。R5一端接＋6V，另一端接N1a的1腳、VD1正極和R6一端，R6另一端接VD1負極、C3正極和N1b的5腳，C3負極接地。R7一端接＋6V，另一端接N1b的4腳和R8一端，R8另一端接地。N1b的2腳接R9一端，R9另一端接＋6V。R5、C3的時間常數為0.68秒。
5.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是以三色發光二極體VH1做為多功能指示燈，當其發紅光時，表示電源接通；發橙色光時，表示延時已到；發光閃爍時，表示CO濃度超限報警。由VH1、R14、R15組成，R14一端接＋6V，另一端接VD2正極和VH1綠色管蕊正極，VD2負極接N1c的13腳和VD3的負極，R15一端接＋6V，另一端接VH1紅色管蕊正極，VH1的負極接N2a的5腳、R18和VD4負極。
6.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是延時單元6具有初始延時和消音延時雙重功能，由集成電壓比較器N1c、電阻R10、R11、R12、R13，電容C4，按鈕S，二極體VD2、VD3構成。按鈕S一端接C4負極，另一端接R10一端，R10另一端接C4正極、R11一端和N1c的11腳。按下按鈕S使C4放電，起到消音延時作用。
7.根據權利要求1或2或3或4或6所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是N1a、N1b、N1c、N1d是集成四電壓比較器LM339。
8.根據權利要求1所述的家用一氧化碳報警器，其特徵是N2a、N2b是集成雙時基電路NE556。
專利摘要家用一氧化碳報警器，由電源供給單元1、傳感器2、加熱電壓循環變換單元3、信號比較處理單元4、報警單元5、延時單元6構成。採用高靈敏的CO傳感器，並配以高抗電磁幹擾的加熱電壓循環變換電路、信號積分抗幹擾環節和溫度補償環節，使報警器工作穩定、可靠，當CO濃度達到50ppm時，發出聲、光報警。設有多功能指示燈和消音功能。並具有功耗低、成本低等特點。適用於防止冬季居室內燃煤取暖引起的CO中毒和其它監測CO的場合。
文檔編號G08B21/00GK2107044SQ9122958
公開日1992年6月10日 申請日期1991年12月3日 優先權日1991年12月3日
發明者焦長寶 申請人:焦長寶