CN105674575A - 一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器 - Google Patents

一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，包括热水器本体，热水器本体的外壳外表面装有热水器控制面板以及与安全相关的一氧化碳浓度显示器和蜂鸣器，热水器本体内部的下半空间布置有燃气燃烧室，燃气燃烧室外部绕有热水管道，燃气燃烧室顶部设置有排气孔，热水器本体内部的上面空间布置有装在热水器外壳内的一氧化碳检测装置；热水器外壳内部空气通过其上的透气窗与外部连通，一氧化碳检测装置通过其上的线路进出孔与外部设备相连。本发明在使用时能够做到实时检测一氧化碳浓度，在一氧化碳浓度超过允许浓度后能发出报警信号并马上切断燃气热水器工作电源，保障使用者的生命安全。而且结构简单、体积小巧、功能可靠。

Description

一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器
技术领域
本发明涉及燃气热水器技术领域，尤其是涉及一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器。
背景技术
在人们的家庭生活中，对于热水的供应需求是巨大的。目前，大多数城市家庭都装有燃气热水器，通过燃烧天然气来加热自来水。
天然气的主要成分是甲烷，无色、无味、本身不具有毒性，当其充分燃烧时，产生的二氧化碳和水蒸气也不会对人体产生危害。但是，甲烷在不充分燃烧时，会产生一氧化碳气体。
一氧化碳的主要危害一方面是与人体内血红蛋白结合，使其无法再结合氧而使人中毒，严重的可导致昏迷甚至死亡；另一方面则是与空气混合达到爆炸极限时，由于电火花或是与某些物体发生碰撞而爆炸造成人员伤亡和财产损。
由于燃气热水器多安装于厨房或者卫生间等不易于通风的地方，一旦氧气浓度下降，很容易造成甲烷的不完全燃烧，这无疑给燃气热水器的使用带来了一定的安全隐患。
目前，市场上存在一些检测一氧化碳浓度的仪器，由于其质量、体积和易用性等方面的限制，一般广泛用于矿山、汽车等空气安全质量检测的地方，很少将其用于家庭生活。此外，由于燃气热水器仅在使用时可能产生一氧化碳气体，单独的检测仪器若是一直开启会造成仪器的老化和不必要的浪费，若是不断的手动开启和关闭不仅繁琐，而且可能遗忘，非常不人性化。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，该热水器每次开启燃气热水器后自动检测一氧化碳浓度并实时显示，在超过警戒浓度后，采取报警等措施以提示相关人员，尽量将可能造成的损失降到最小。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，包括热水器本体，热水器本体的外壳外表面装有热水器控制面板以及与安全相关的一氧化碳浓度显示器和蜂鸣器，热水器本体内部的下半空间布置有燃气燃烧室，燃气燃烧室外部绕有热水管道，燃气燃烧室顶部设置有排气孔，热水器本体内部的上面空间布置有装在热水器外壳内的一氧化碳检测装置；热水器外壳内部空气通过其上的透气窗与外部连通，一氧化碳检测装置通过其上的线路进出孔与外部设备相连。
进一步的，所述一氧化碳浓度检测装置包括一氧化碳传感器、电流放大电路、单片机、继电器控制电路、数码管；所述一氧化碳传感器与电流放大电路的输入端相连，电流放大电路的输出端连接到单片机的具有AD转换功能的输入引脚，单片机的控制数码管显示的输出引脚连接至数码管，单片机控制蜂鸣器报警的输出引脚连接至蜂鸣器；单片机继电器的输出引脚连接至继电器控制电路的输入端。
进一步的，所述电流放大电路包括运放U1A、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2；其中，所述电阻R1的一端、电容C1的一端以及一氧化碳传感器12均与运放U1A的负极输入端相连；运放U1A的正极输入端接地；运放U1A的输出端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的一端相连后作为电流放大电路的输出端与单片机的具有AD转换功能的输入引脚相连；电容C2的另一端接地。
进一步的，所述继电器控制电路包括三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D3、继电器K1；单片机控制继电器通断的引脚与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接12V电源；三极管Q1的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端、电容C3的一端、二极管D3的负极均与继电器K1线圈的一端相连；电容C3的另一端、二极管D3的正极以及继电器K1线圈的另一端均接地；继电器K1的常开开关串接在热水器的电源线上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)将一氧化碳浓度检测装置集成在燃气热水器内部，并进一步合理分配了内部空间；设计一种电流放大电路，由于一氧化碳传感器输出的是微弱的电流信号，因此信号放大电路在信号采集中占据重要的地位，所以需要一种具有抗干扰能力、高增益的放大电路，实现对传感器输出电流信号的放大和转换。
(2)选择一款集成有AD转换模块的单片机芯片(如TMS320F2812)，通过单片机芯片对放大电路输出的电压信号进行AD转换，得到当前空气中一氧化碳浓度。将该浓度与允许值对比，然后输出相应的控制信号来控制其他外设的工作(如蜂鸣器和LED数码管)以及实现对燃气热水器总电源的控制。选择恰当的蜂鸣器和数码管，使得数码管能够实时显示当前环境一氧化碳的浓度，蜂鸣器根据单片机的控制信号在一氧化碳浓度超过允许值后发出警报。选择恰当的电磁继电器，使得燃气热水器的电源控制回路能在一氧化碳浓度超标后，切断热水器电源，防止天然气的进一步不完全燃烧产生更多的一氧化碳。
(3)在使用时能够做到实时检测一氧化碳浓度，在一氧化碳浓度超过允许浓度后能发出报警信号并马上切断燃气热水器工作电源，保障使用者的生命安全。
(4)结构简单、体积小巧、功能可靠。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的正视图；
图3是本发明的俯视图；
图4是本发明的侧视图；
图5是本发明的一氧化碳浓度检测装置的原理框图；
图6是本发明的一氧化碳传感器的元件结构图；
图7是本发明的电流放大电路图；
图8是本发明的单片机程序流程图；
图9是本发明的继电器控制电路图；
其中：1.外壳，2.一氧化碳检测装置，3.透气窗，4.线路进出孔，5.燃气燃烧室，6.热水管道，7.蜂鸣器，8.一氧化碳浓度显示器，9.热水器控制面板，10.排气孔，11.传感器透气孔，12.工作电极，13.辅助/参比电极，14.电解液，15.传感器壳体，16.过滤器。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。
如图1-4所示，本发明包括热水器本体，热水器本体的外壳1外表面装有热水器控制面板9以及与安全相关的一氧化碳浓度显示器8和蜂鸣器7，热水器本体内部的下半空间布置有燃气燃烧室5，燃气燃烧室5外部绕有热水管道6，燃气燃烧室5顶部设置有排气孔10，热水器本体内部的上面空间布置有装在热水器外壳1内的一氧化碳检测装置2；热水器外壳1内部空气通过其上的透气窗3与外部连通，一氧化碳检测装置2通过其上的线路进出孔4与外部设备相连。
如图5所示，所述一氧化碳浓度检测装置包括一氧化碳传感器、电流放大电路、单片机、继电器控制电路、数码管；所述一氧化碳传感器12与电流放大电路的输入端相连，电流放大电路的输出端连接到单片机的具有AD转换功能的输入引脚，单片机的控制数码管显示的输出引脚连接至数码管，单片机控制蜂鸣器报警的输出引脚连接至蜂鸣器7；单片机继电器的输出引脚连接至继电器控制电路的输入端。
选择一款具有优良特性的一氧化碳传感器(如SureCell--CO(M)型敏感元件)，该传感器能够产生与CO气体浓度成正比的电流信号。如图6为一氧化碳传感器的元件结构图，一氧化碳气体通过微小的传感器透气孔11进入到传感器内部，在过滤器15中可以加入活性炭过滤一些不需要的气体，同时将一氧化碳保留，最终一氧化碳气体分子到达工作电极12表面。采用这种方法可以允许适量气体与传感电极发生反应，以形成充分的电信号，同时防止电解质漏出传感器。
在工作电极表面，一氧化碳发生氧化还原反应，化学方程式为：
CO+H2O→CO2+2H++2e-
O2+4H++4e-→H2O
其中，自由电子的数量与一氧化碳气体的浓度成正比，经过工作电极12引出，放大后检测处理。辅助/参考电极13的作用是给工作电极12提供稳定的电动势。
如图7所示，电流放大电路包括运放U1A、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2；其中，所述电阻R1的一端、电容C1的一端以及一氧化碳传感器12均与运放U1A的负极输入端相连；运放U1A的正极输入端接地；运放U1A的输出端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的一端相连后作为电流放大电路的输出端与单片机的具有AD转换功能的输入引脚相连；电容C2的另一端接地。
电流放大电路选择了反馈式安培计的接法输入电流Iin流入运放U1A的输入端，也流经反馈电阻R1。所以输出电压反映的是输入电流，灵敏度由反馈电阻R1决定：
Vout＝-Iin*R1
选择一款集成有AD转换模块的单片机芯片(如TMS320F2812)，通过单片机芯片对放大电路输出的电压信号进行AD转换，得到当前空气中一氧化碳浓度。将该浓度与允许值对比，然后输出相应的控制信号来控制其他外设的工作(如蜂鸣器和LED数码管)以及实现对燃气热水器总电源的控制。单片机TMS320F2812内置12位ADC转换模块，采样幅值为0～3V，用来对上述放大信号进行AD转换和滤波处理，将滤波后的结果与允许的最大浓度比较，若小于，则在一氧化碳浓度显示器8上显示当前一氧化碳浓度值，若大于，则启动蜂鸣器7报警，15s后若没有人手动关闭燃气热水器，TMS320F2812将会控制继电器主动切断燃气热水器电源，防止危害的进一步扩大，如图8所示。
如图9所示，所述继电器控制电路包括三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D3、继电器K1；单片机控制继电器通断的引脚与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接12V电源；三极管Q1的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端、电容C3的一端、二极管D3的负极均与继电器K1线圈的一端相连；电容C3的另一端、二极管D3的正极以及继电器K1线圈的另一端均接地；继电器K1的常开开关串接在热水器的电源线上。
当GPIO口输出高电平时，三极管Q1导通，继电器K1的控制回路相应导通，吸下衔铁切断燃气热水器主电源；当GPIO口输出低电平时，三极管关断，继电器K1的控制回路相应关断，燃气热水器正常工作。选择恰当的电磁继电器K1，使得燃气热水器的电源控制回路能在一氧化碳浓度超标后，切断热水器电源，防止天然气的进一步不完全燃烧产生更多的一氧化碳。

Claims (4)

1.一种可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，包括热水器本体，其特征在于：热水器本体的外壳(1)外表面装有热水器控制面板(9)以及与安全相关的一氧化碳浓度显示器(8)和蜂鸣器(7)，热水器本体内部的下半空间布置有燃气燃烧室(5)，燃气燃烧室(5)外部绕有热水管道(6)，燃气燃烧室(5)顶部设置有排气孔(10)，热水器本体内部的上面空间布置有装在热水器外壳(1)内的一氧化碳检测装置(2)；外壳(1)内部空气通过其上的透气窗(3)与外部连通，一氧化碳检测装置(2)通过其上的线路进出孔(4)与外部设备相连。
2.根据权利要求1所述的可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，其特征在于，所述一氧化碳浓度检测装置包括一氧化碳传感器、电流放大电路、单片机、继电器控制电路、数码管；所述一氧化碳传感器(12)与电流放大电路的输入端相连，电流放大电路的输出端连接到单片机的具有AD转换功能的输入引脚，单片机的控制数码管显示的输出引脚连接至数码管，单片机控制蜂鸣器报警的输出引脚连接至蜂鸣器(7)；单片机继电器的输出引脚连接至继电器控制电路的输入端。
3.根据权利要求2所述的可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，其特征在于，所述电流放大电路包括运放U1A、电阻R1、电阻R2、电容C1和电容C2；其中，所述电阻R1的一端、电容C1的一端以及一氧化碳传感器12均与运放U1A的负极输入端相连；运放U1A的正极输入端接地；运放U1A的输出端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端、电阻R1的另一端、电容C1的另一端以及电容C2的一端相连后作为电流放大电路的输出端与单片机的具有AD转换功能的输入引脚相连；电容C2的另一端接地。
4.根据权利要求2所述的可检测一氧化碳浓度的燃气热水器，其特征在于，所述继电器控制电路包括三极管Q1、电阻R3、电阻R4、电容C3、二极管D3、继电器K1；单片机控制继电器通断的引脚与三极管Q1的基极相连，三极管Q1的集电极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端接12V电源；三极管Q1的发射极与电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端、电容C3的一端、二极管D3的负极均与继电器K1线圈的一端相连；电容C3的另一端、二极管D3的正极以及继电器K1线圈的另一端均接地；继电器K1的常开开关串接在热水器的电源线上。
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