火灾烟雾报警器课程设计.docx
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火灾烟雾报警器课程设计
课程设计（论文）任务书
题目：
火灾烟雾报警器
系部：
信息工程系
专业：
应用电子技术
摘要：
家庭使用液化气、燃气等可燃气体作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。
本次设计内容包括可燃气体报警电路的结构及其工作原理。
此报警电路以气敏半导体传感器为主要组成部分，气敏半导体传感器检测到可燃气体时通过电导率的改变来控制多谐振荡器及正反馈振荡器间歇工作，通过报警电路从而达到报警的目的。
关键字：
气体传感器，555集成器
目录
1.1、气敏传感器QM-5元件的介绍，和使用方法及注意事项
2、555集成电路原理详细介绍说明
3、555组成的单稳态触发器电路及原理
2.1、火灾烟雾报警器系统设计方案框图
2、电源电路设计
3、火灾烟雾报警器电路设计（工作原理、元件选择、安装调试）
3、结语
1.1、QM-N5型气敏元件
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。
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
技术指标：
加热电压（Vh）
AC或DC5±0.2V
响应时间（trec）
≤10S
回路电压（Vc）
最大DC24V
恢复时间（trec）
≤30S
负载电阴（Rl）
2KΩ
元件功耗
≤0.7W
清洁空气中电阻（Ra）
≤2000KΩ
检测范围
50—10000ppm
灵敏度（S=Ra/Rdg）
≥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.
☐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
☐技术指标
加热电压（VH）AC或DC5±0.5V
回路电压（VC）最大DC24V
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50-10000ppm
☐基本测试电路
☐使用方法及注意事项
✧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.
✧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.
✧元件在接触标定气体1000ppmC4H10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1000ppmC4H1030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）.
✧符号说明
检测气体中电阻-Rdg检测气体中电压-Vdg
Rdg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.
✧使用元件前请详细参看本说明。
1.2、555集成电路原理
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。
（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。
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、555组成的单稳态触发器电路及原理
1．电路组成
图10.22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（2脚），u0是输出信号。
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ui为高电平时，电路工作在稳定状态—Q=0、
=1,
u0=UOL,TD饱和导通。
若接通电源后，ui=UiH,555定时器中基本RS触发器是处在0状态，即Q=0、
=1、u0=UOL、TD饱和导通，则这种状态将保持不变。
若接通电源后，ui=UiH，555定时器中基本RS触发器是处在1状态，
即Q=1、
=0、u0=UOH、TD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TD截止，电源VCC会通过R对C进行充电，uC将逐渐升高，当uc=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，将基本RS触发器复位到0状态，Q=0、=
，
U0=UOL为低电平，TD饱和导通，电容C通过TD迅速放电，使uc≈0,即电路返回到稳态。
（2）Ui下降沿触发
当Ui下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态——Q=1、=
.u0=UOH、TD截止。
因为ui=由高电平跳变到低电平时，比较器C1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VCC→R→C→地，时间常数为τ1=RC，在电容上电压uc=uTH上升到2VCC/3以前，显然电路将保持暂稳态不变。
（4）自动返回（暂稳态结束）时间
随着C充电过程的进行，uC=uTH逐渐上升，当uC=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到0状态，即Q=0、
=1、u0=UOL、TD饱和导通，暂稳态结束。
（5）恢复过程
当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数τ2＝RCES•C（RCES是TD的饱和导通电阻，很小），经3~5τ2后，C放电完毕，uC＝uTH＝0，恢复过程结束。
恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可接收新的输入触发信号。
图所示是单稳态触发器的工作波形图。
2.1、系统方案图设计
火灾烟雾报警器系统设计方案框图
2.2、电源电路设计
电源电路图
本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9V。
可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo =1.2V～3.7V， Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max= 40V。
R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压Vo为：
（1）
R1的值为120Ω-240Ω，流经R2的波动电流为5mA～10mA， RP1为精密可调电位器，电容C3与RP1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管D5的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。
集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同，稳压器的最大允许电流ICM
（2）
式中，Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差，（Vi-Vomax）为稳压器的最大输入、输出电压差。
由式
（1）可得Vo≈1.25（1+RP1/R1），取R1=240Ω，则RP1max=1.49KΩ，故取RP1为4.7KΩ的精密线绕可调电位器。
由式（2 ）可得输入电压Vi的范围为
（3）
副边电压V2≥Vimin/1.1=12/1.1 V，取V2=11V，副边电流I2>Iomax=0.8A ，取I2 = 1A，则变压器副边输出功率P2≥I2V2=11W，查表之后可以知道变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=15.7W。
为留有余地，选功率为20W的电源变压器。
整流二极管D1， D2， D3与D4选IN4001 ，滤波电容C1， C2可以取2200μF/25V的电解电容。
应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他器件。
2.3、火灾烟雾报警器电路设计
火灾烟雾报警器
2.3.1、工作原理：
电路如图所示。
采用QM-N5气敏传感器，实现气电转换，555时基集成电路及其周围元器件组成触发电路和报警电路。
由于气敏元件工作时，要求其加热电压相当稳定，所以利用12v电源对气敏元件的加热丝进行稳压，报警器就能稳定地工作在180-260v范围内。
电路工作时，由555时基电路组成自激多谐振荡器，利用它的复位端进行触发。
当气敏元件接触到可燃气体和烟雾时，其阻值降低，使555时基电路复位端即4脚电压上升，当电压达到555时基电路电源电压Ucc的1/3时，其输出端即3脚输出高电平，驱动扬声器发出报警声。
2.3.2、元件选择：
电源采用蓄电池12v供电。
如采用交流电供电，可选输出功率大于5w，二次电压为9v的电源变压器。
气敏元件可选用QM-N5气敏传感器或PS810型光电式感烟器等通用性较强的气敏元件，适应于天然气、煤气、液化石油气、一氧化碳及醚类、苯类等挥发性气体及木材、纸张、棉布、塑料制品的燃烧烟雾进行报警。
2.3.3、安装调试:
把全部元器件按电路图安装无误，调试时，报警器通电预热10余分钟，调节电位器RP（选用小型实心微调电位器），使报警器进入报警器状态，把上述气体接近气敏元件，报警器应发出报警声。
调试报警灵敏时把报警器通电10余分钟后，置于密封透明袋中，然后向袋中注入浓度为0.08%的一氧化碳标准气体，观察报警器是否报警。
若数分钟后不报警，表明报警器的灵敏度太低，应把电位器RP中心抽头向下微调一些。
重复上述操作，直到报警器报警为止。
最后，把一氧化碳标准气体的浓度降到0.06%，重复上述操作，报警器应当不报警。
3、结语
该设计的家用可燃性气体泄露报警，采取了单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，从而该设计的燃气报警装置有较高的性价比。
该智能可燃性气体报警器具有较好的性能，并且价格低廉，适应市场上可燃性气体报警器发展的方向所以其应用前景广阔。
产品实物图
参考文献：
1、赵勇，胡涛、传感器与检测技术、机械工业出版社2010-09-01
2、杨志忠数字电子技术、高等教育出版社、2008-8
3、李永生杨莉玲，半导体气敏元件的选择性研究[J]传感器技术2002
4、王元庆，新型传感器原理及应用[M]北京：
机械工业出版社2002
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