红外线烟雾粉尘报警器设计.docx

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红外线烟雾粉尘报警器设计

《电子技术课程设计》任务书

一引言

现代社会高速发展，人口密度很大，因此一旦发生火灾，一个小小的火灾报警器显得尤为重要。

为了保护人们的生命财产安全，林林总总的报警器也应运而生。

烟雾是火灾的前兆，在夜间人们往往不易发觉。

感烟式火灾报警电路能及时检测火灾产生时的烟雾并予以报警，有利于及早扑灭火灾。

另外，工厂粉尘浓度超标能引起爆炸。

根据科学界研究表明能引起爆炸的粉尘达470余种。

这里介绍一种红外线高灵敏度烟雾、粉尘报警器，它能对火灾和工厂粉尘进行监视报警，具有较高的实用价值。

二课程设计内容及要求

题目：

红外线烟雾粉尘报警器

要求：

电源电压DC12V，利用光电传感器作为烟雾和粉尘检测传感器，利用语音芯片完成声音报警。

注：

①可以采用BT401型红外发光二极管、光敏管3DU4、晶体管或者OP等芯片制作。

1.综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。

2.一人一题，所设计的电路必须制作成功，并且全部或者部分通过计算机仿真。

课程设计必须自己独立完成，不得从网上下载，一经发现该课程成绩记零分。

3.课程设计设计说明书（报告）应包括有：

①电路工作原理分析

②电路元器件参数设计计算

③电路调试说明

④电原理图和PCB图（必须自己画）

⑤元器件装配图（必须自己画）

⑥元器件清单

⑦自己的收获和体会

⑧要求字数不得少于3500字

⑨要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel等软件绘制电原理图（SCH）、元器件布局图和印制电路板（PCB）。

4.所有的文档和表格必须采用Word形式。

5.同类型的设计题可以组成一个设计组，组员之间可以开展研究与讨论。

雷同者均计0分。

6.阅读有关芯片英文参考资料，理解资料内容。

7.英文资料中的曲线、参数、方框图、引脚端封装等图（不包括电原理图和PCB图）可以直接采用（pdf文档中的图可放大300倍后裁剪到Word文档中），图中的英文可以采用英文（中文）方式翻译在图下。

8.英文资料中的一些词，如果翻译拿不准，可以采用英文（中文）方式标注。

9.设计资料中的有关的公式可以直接采用。

10.课程设计结束，需要交制作的作品、文字稿和电子稿，采用Word文档形式。

11.成绩评定：

①按ABCDE分档，其中：

优秀为A，良好为B，中等为C，及格为D，不及格为E。

②课程设计设计说明书占60%，实物制作占40%。

三正文

（1）电路方案的选择

方案一:

利用灯丝HQ-2作为烟雾探测传感器，当被检测的空气中无烟雾时，其电阻比较大，其后的滑线变阻器RP输出电压不会使模拟电子开关导通，报警器不工作；当被监视的场所产生烟雾时，HQ-2灯丝的电阻迅速减小，使RP输出电压升高，随着烟雾浓雾的升高，电子开关导通，语音芯片得电工作，报警信号经放大后发出报警声。

但这种电路比较简单，灵敏度不高，故予以放弃。

方案二：

利用发光二极管、光敏电阻作为烟雾粉尘检测传感器，利用电子开关、语音芯片完成报警，光敏电阻对于某段波长的照度变化很敏感，当照度增加时，电阻率急剧较小，照度和电阻率可呈现线性关系。

但是对于这种报警器，发光二极管发出的可见光发散性大而且自然界中的其它可见光等其它因素会干扰光敏电阻的接收，因此不采用。

方案三:

利用光电传感器作为烟雾和粉尘检测传感器，利用语音芯片完成声音报警。

这种报警器成本低，灵敏度高，所以采用此方案。

（2）电路工作原理分析

电路原理图（SCH）如下:

图一红外线烟雾、粉尘报警器

红外线发光管VD1和光敏三极管VT1组成了串联反馈式感光电路，三极管VT2、VT3二极管IN4148等组成了电子开关电路，语音芯片和VT4、Speaker等组成了模拟声发生器。

电源部分采用直流DC6V。

当被监视的环境里空气洁净，无烟雾、无粉尘时，VD1以预先调好的起始电流发光，VT1因受其光照内阻降低，使得串联电路的电流增大，此电流流过VD1使它发光强度增大，再照射到VT1，使VT1内阻变得更小，如此循环形成了强烈的正反馈过程，串联回路的电流迅速上升到最大值。

此时，负载电阻R1上产生的电压降经隔离二极管VD2使VT2饱和导通，VT3截止，语音芯片无电不工作，喇叭不发声，即不报警。

当被监视的环境里烟雾急骤增加或粉尘物质超标时，空气的透光性变差使得VD1光通量减小，VT1内阻变大，串联回路的电流随之减小，如此循环形成了负反馈过程，最终导致VD1的电流稳定在起始电流值。

此时，R1上的压降<1.2V，VT2截止，VT3随之饱和导通，语音芯片得电工作，喇叭便发出响亮的报警声来。

C1为抗干扰电容，可避免短暂的烟雾或粉尘引起的报警。

（3）电路元器件参数设计计算

3.1电源部分：

考虑到成本问题采用DC6-12V,这是因为语音芯片在3V电压下即可工作及提供电压保证红外发光二极管能发生足够使红外接收管光敏三极管工作和电阻减小电流增大。

事实上电源部分可采市电供电，220V交流电压经变压器降压，桥式整流，滤波，可输出6-12V直流电压。

3.2红外发光二极管：

选择SE303，这种发光二极管在市面上最为常见，其外形和发光二极管LED相似，发出红外光管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA，下面介绍红外发射二极管的工作原理。

图二红外发光二极管的伏安特性曲线

红外发射二极管的伏安特性曲线及电气符号如上图，阳极（P极）加正，阴极（N极）电压加负，此时二极管所加电压为正向电压，同时亦产生正向电流，提供了红外发光二极管发射出光束的能量。

当加入电压超过切入电压之后，电流便急剧上升，而周围的温度对二极管的切入电压影响亦很大，当温度较高时，使其切入电压数值降低，反之亦反。

红外线发光二极管工作在反向电压时，只有很小的漏电流，但方向电压超过崩溃电压时，便产生很大的电流。

一般红外发光二极管反向耐压为3-6V，在使用时尽量避免有这一情况发生。

3.3红外接收管：

采用3DU12，这种光敏三极管与红外发射管SE303发出的光谱相适合，接收到红外线时压降一般为1.2V，未接收时压降为3.2V，下面介绍光敏三极管工作原理。

光敏三极管的等效电路如下，光敏三极管一般在基极开放情况下使用（外部有两条导线的情况比较多，而将电压施加到集电极与射极之间。

在此状态下，光线入射于基极之表面时，受到反偏压之基极、集电极间即有光电流（Iλ）流过，发射极接地之晶体管的情形也一样，电流以晶体管之电流放大率（hfe）被放大而成为流至外部端子之光电流（Ic）。

达林顿晶体管工作情况；电流再经过晶体管的电流放大率被放大，其结果流至外部导线之光电流即为初段之基极、集极间所流过之光电流与初段及后段之晶体管的电流放大率三者之积。

图三光敏三极管的等效电路及电器符号

光敏三极管特性曲线如下

图四光敏三极管照度特性曲线

图五光敏三极管波长特性

图六光敏三极管管电流/正电压特性

3.4电子开关器件选择

VT2、VT3用VT2、VT3用9014型硅NPN三极管，β>80；

VT4用PCM＝1W的9013型NPN三极管；V作为音频放大和收音机1W推挽输出

参数符号测试条件最小值典型值最大值单位

集电极漏电流ICBOVCB=30V,IE=0100nA

发射极漏电流IEBOVBE=5V,IC=0100nA

集电极、发射极击穿电压BVCEOIC=1mA,IB=025V

发射极、基极击穿电压BVEBOIE=100μA,IC=05V

集电极、基极击穿电压BVCBOIC=100μA,IE=030V

集电极、发射极饱和压降VCE

VD2用1N4148型硅开关二极管，。

RP1、RP2均用5K型微调电阻器。

R1～R3均用RTX-1/4W型碳膜电阻器，阻值分别为1K、220、47K。

C1、C2、C3均用CD11-16V型电解电容器，电容大小分别为100u、4.7u。

扬声器用YD100-1型8Ω、0.5W电动式扬声器。

3.5语音芯片的选择

语音芯片最好采用KD9561型四声模拟声报警集成电路，三极管一般选择8050或9013。

本报警器中可将第二选声端SEL2接低电平VSS，则它输出的是火灾发生时最能引起人们注意的消防车电笛声。

也可将5脚SEL1经过一限流电阻接上VDD或者电源正极。

其示意图及引脚图如下：

KD9561引脚图及接法

事实上也可以采用其他芯片替代，只要能报警引起人们的警觉而且声音足够大即可,语音芯片工作电压为3V。

3.6参数计算

当空气中没有烟雾时:

UR1=U-UVD1-UVd2=6-1.4-1.2=3.4V

IR1=UR1/R=3.4/220=15.4mA

VT2导通，VT3截止，报警器不发声。

当空气中烟雾含量上升，报警器发出声音时：

UR1=U-UVD1-UVd2=6-1.4-3.2=1.4V

IR1=UR1/R1=1.4V/220=6.3mA

VT2截止，VT3导通，报警器发声。

（4）电路工作原理部分仿真（multisim仿真）

仿真电路图如下:

仿真说明：

（1）红外发光二极管及光敏三极管用滑线变阻器R6替代，当空气中没有烟雾粉尘时，光敏电阻接收红外线电阻减小，串联回路电流增大。

为此，可将滑线变阻器R5调至0%，R6调至15%时，仿真结果如下：

由

由仿真结果可知IR1=13.349mA，U=VDD=12.365mV<3V，语音芯片不工作，即喇叭不发出报警声。

（2）当被检测的空气中烟雾粉尘含量上升时，光敏三极管接收到的红外线越来越少，电阻增大，串联电流减小。

为此，可将滑线变阻器R5调至0%，R6调至45%，仿真结果如下：

由仿真结果可知IR1=7.149mA，U=VDD=3.507V>3V，语音芯片工作，即喇叭发出报警声。

（3）报警电路灵敏度的调节，这相当于当被检测的空气中的烟雾含量比较少时，但是这种红外线烟雾粉尘报警器能检测出来并予以报警。

为此可将滑线变阻器R5调至50%，R6调至15%，仿真结果如下：

由仿真结果可知IR1=13.342mA，U=VD=2.684V<3V，语音芯片不工作，即喇叭不发出报警声，但是电压U比较接近3V，当空气中烟雾粉尘的含量较少时，光敏三极管也可马上做出反应，电阻减小，串联电流增大，U增大超过3V，语音芯片工作，即喇叭发出报警声。

（4）总结：

仿真结果满足设计要求，即设计方案通过仿真，可以进行制作分析。

（4）印制电路板图（PCB）

（5）

红外线烟雾粉尘报警器PCB图

四电路组装调试说明

4.1使用的主要仪器及仪表

（1）组装过程中用到的仪器设备有：

万用板，电烙铁，焊锡，导线等

（2）调试过程中用到的仪器设备有：

万用表等

4.2调试电路的方法及技巧

（1）检查电路是否断路时，可以用万用表的电压档去测量两点之间是否在电压或用二极管档位检测，若存在电压或万用表为发出声音，则说明已经短路，反之亦反。

（2）检查电路是否短路时，可以用万用表的电流档位去测量两点之间是否存在电流，若不存在电流则说明已经短路，反之亦反。

4.3测试的数据及与计算结果比较分析

调试电路时，可以通过调节RP2来调节报警电路的灵敏度，下面是其中的一种工作情形。

（1）报警器不发出声音时：

UVD1=1.6V

UVT1=1.2V,RVT1=1.1K

UR1=2.9V，IR1=8.6mA

VDD=2.8V

VT2：

Ube=0.9V,Ubc=1.0V,导通

VT3:

Ube=1V,Ubc=-1.2V截止

（2）报警器发出声音时：

UVD1=1.4V

UVD1=3.2V，RVT1=2M

UR1=1.1V，IR1=5mA

VDD=3.4V

VT2:

Ube=0.6V,Ubc=-1V,截止

VT3:

Ube=1.1V,Ubc=0.4V,导通

（3）上述

（1）

（2）中的实际测量结果与计算结果相比较，在误差允许的范围内，满足要求，说明电路制作成功。

4.4调试中出现的故障、原因及排除方法

（1）起初制作时红外发光二极管VT1与光敏三极管没有保持管头正对而是管身正对，导致光敏三极管没有接收到红外线，电阻很大，压降高。

用万用表测量了一下，VT1两端的电压为4.6V，R1两端的电压几乎为0，VT2截止，VT3导通，报警器在没有烟雾粉尘的情况下报警，显然电路制作不成功，后来重新拆了再焊接让管头正对。

（2）在

（1）的基础上，焊接的时候，红外发光二极管VT1焊接的时间过长，导致VT1损坏，测试的时候，报警器在没有烟雾粉尘的情况下报警。

用万用表测量了一下，VT1两端的电压达到了5.4V，出现这种情况，便想到VT1已损坏，后来换了一个红外发光二极管，重新来过。

五收获和体会

第一，在资料的查找与阅读过程中，可以尽早的到图书馆或书店或者网上查阅课程设计的相关资料，做到明确自己要做什么，要做准备哪些准备工作。

第二，在电路方案的选择上，一定要弄清电路工作原理，各种方案的优点与缺点，结合现实生活中的情况确定方案。

第三，在材料购买的过程中，可谓一波三折，在所在地购买往往很多元件都买不到必须选择网上购物而且买的元件数量不是很多，有些老板态度很不好，懒得理会你，所以必须以礼待人，厚着脸皮一家家地去询问，另外，在网上购买有时实物与图片不符且要一段时间才能收到。

第四，在制作过程中，芯片要自己去查阅相关找资料，了解引脚信息，即学即用，焊接的时候要果断而又细心，不然一旦发生错误就要一根根的去检查，费时又费力。

总之，通过这次课程设计，及巩固了课堂上所学到的东西，又掌握了课堂上所学不到的。

在此基础上学习了数电、模电基本方法和科学思维方式，学会了独立自主的完成一次课程设计，同时培养了严谨科学的学习态度。

六参考文献

1实用报警电路（2005年人民邮电出版社，编著：

黄继昌乔苏文，陈有卿等）

2《电子技术基础》（高等教育出版社，模拟部分、数字部分，第五版，编著：

康华光邹寿彬秦臻）

3

4（838电子）

5（XX文库）

七附录

元器件清单列表

1红外发光二极管SE303（1个）

2光敏三极管3DU12（1个）

3NPN型三极管9014（2个）、9013（一个）

4开关二极管IN4148（1个）

5微调电阻器5K（2个）

6碳膜电阻220欧（1个）、1K（1个）、47K（1个）240K（1个）

7电解电容器100u（1个）、4.7u（1个）

8语音芯片TS-DS88（1个）、KD9561（1个）

9电动式扬声器8欧、0.5W（1个）

10电烙铁、剪钳、镊子、松香一个、焊锡丝若干，导线若干，6V直流电源，万用表一个