智能仓库火焰报警器设计与制作光电子技术课程设计大学论文.docx
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智能仓库火焰报警器设计与制作光电子技术课程设计大学论文
光电子技术课程设计
智能仓库火焰报警器设计与制作
目录
第一章：
设计要求3
第二章：
基本原理4
2.1原理4
2.2背景与意义5
2.3发展趋势5
第三章：
硬件电路设计6
3.1电子元器件介绍6
3.1.1智能仓库火焰报警器硬件电路元件清单6
3.1.2电源指示发光二极管6
3.1.3电压取样电位器7
3.1.4蜂鸣器8
3.1.5火焰传感器10
3.1.6轻触开关11
3.1.7半导体三极管12
3.1.8通用运算放大器LM35813
3.1.9双D触发器401313
3.2电路原理图设计15
3.2.1电路原理图设计整图及工作原理分析15
第四章：
智能仓库火焰报警器的制作17
4.1硬件电路PCB布局及焊接安装17
4.1.1硬件电路PCB布局图17
4.1.2硬件电路焊接安装18
4.2硬件电路调试19
4.2.1硬件电路调试19
第五章：
总结20
第六章：
参考文献22
设计要求
安装智能仓库安全防火报警系统是现代仓库必备的安全系统，该系统具有火灾报警和防盗报警功能。
通过综合运用所学知识设计仓库安全防火报警系统，掌握传感器应用技术，培养学生对控制系统的设计分析能力。
可利用火焰传感器检测仓库光源、红外辐射线等，当以上两项发生异常时，系统认为发生了火灾，发出报警信号，直到人工消除异常，才自动停止报警。
如果改进火焰传感器检测的设备，改用热释电红外传感器检测人体辐射的红外线变化探测移动人体，还可以实现防盗检测。
要采用万能板焊接智能仓库火焰报警器，因为这种电子制作方法，不仅能培养学生的焊接技术，还能提高识别电路图和分析原理图的能力，为日后维修、设计电子产品打下坚实的基础。
第二章：
基本原理
2.1原理
物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。
感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。
根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。
火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。
火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。
区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。
集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。
光辐射探测器。
一种是红外光辐射探测器。
物质在燃烧时，由化学反应产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。
另一种是紫外光辐射探测器，则利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能打开开关电路报警。
火灾报警器是重要的安全设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。
它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队”。
2.2背景与意义
火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。
火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。
据统计，我国70年代火灾平均损失不到2.5亿元，80年代火灾平均损失接近3.2亿元。
进入90年代，特别是1993年以来，火灾造成的直接损失上升到年均十几亿元，年均死亡2000多人。
严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。
残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。
随着电子产品在人类生活中的使用越来越广泛，由此引起的火灾也越来越多，在我们生活的四周到处潜伏着火灾隐患。
智能化火灾报警系统已并非传统意义上的简单的报警设备，而是融入了计算机技术、电子技术、自动控制技术、传感器的应用等各领域知识。
伴随着科学技术的不断进步，火灾报警系统必将得到更快的发展。
2.3发展趋势
火灾报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。
第三章：
硬件电路和软件设计
3.1电子元器件介绍
3.1.1智能仓库火焰报警器硬件电路元件清单
序号
名称
代号
规格
数量
1
电阻
R3,R5
1K
2
2
电阻
R1,R4
10K
2
3
电阻
R2
30K
1
4
电位器
RP1
10K（103）
1
5
瓷片电容
C1
0.1UF（104）
1
6
发光二极管
LED1
3MM
1
7
火焰传感器
VD1
5MM-940nm
1
8
轻触开关
S1
6*6*7
1
9
三极管
VT1
9013
1
10
蜂鸣器
HA1
5V有源
1
11
双集成运放
U1
LM358
1
12
双D触发器
U1
CD4013
1
13
IC座
DIP8P
1
14
IC座
DIP14P
1
15
单排针
VCC,GND
1*4PIN2.54mm
2
16
万能板
7*9CM
1
17
拖焊专用铜导线
0.5铜导线
2
18
拖焊专用焊锡
凯纳0.8,带松香
2
19
焊接专用图纸
高清原理图
A4
1
3.1.2电源指示发光二极管
本电路中采用发光二极管、电阻串联构成电源指示电路。
发光二极管将电能转变为光能，电阻将电能转变为热能。
发光二极管，通常称为LED，内部是具有发光特性的PN结。
当给这个PN加正向偏置电压时，PN结导通，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。
发光二极管引脚有正负之分，一般长的为正，短的为负。
也可以从内部看到，接触面小的为正，接触面大的为负。
外边有切口的为负，另一边就为正。
发光二极管外形如下图所示。
发光二极管外形
3.1.3电压取样电位器
电位器是可变电阻的一种，其电阻值的大小可以人为调节，以满足电路的需要。
可以逐渐地改变和它串联的用电器中的电流，也可以逐渐地改变和它串联的用电器的电压，还可以起到保护用电器的作用。
如下图所示为104（100K）的电位器。
可调电阻100K可调范围
本电路使用的电位器是103（10K）的可调范围,通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。
电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。
3.1.4蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，在电路中用字母组合HA表示。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5-15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5-2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
蜂鸣器还可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的“源”不是指电源。
而是指震荡源。
也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要通电就会发声。
而无源蜂鸣器内部不带震荡源，所以如果用直流电信号无法令其鸣叫，必须用1K-5K的方波去驱动它才能发出不同频率的声音。
有源蜂鸣器比无源蜂鸣器的成本要高，因为有源蜂鸣器里面多个震荡电路。
无源蜂鸣器便宜，声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果。
本电路设计采用电磁式5V有源蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于一般的TTL电压无法直接驱动，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管构成驱动电路，如下图所示：
3.1.5火焰传感器
火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1-10μm或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长<300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4μm附近的CO2辐射光谱作为探测信号。
紫外线传感器只对185-260nm狭窄范围内的紫外线进行响应,而对其它频谱范围的光线不敏感,利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。
到达大气层下地面的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300nm，故火焰探测的220m-280nm中紫外波段属太阳光谱盲区（日盲区）。
紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源一太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻。
所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此之外，它还具有反应时间极快的特点。
与红外探测器相比，紫外探测器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。
因而充气紫外光电管正日益广泛地应用于燃烧监控、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。
但对于传统的紫外光电管器件，由于结构设计和制备工艺的限制，其噪声和灵敏度是一个互相矛盾的参数。
一般而言，需将灵敏度控制在一个合适的水平，过高的灵敏度对器件的低噪声指标是十分困难的，因为灵敏度和噪声信号都是由光敏管发出，传统的检测器会将两种信号同时放大。
所以其灵敏度比较差,检测距离小,不能抗雷电的干扰,存在一定的误报率。
因而需要基于现有或新发展的探测原理方法，与其它学科技术交叉，通过改进信号采集和处理等方法来改善系统性能。
本电路采用的火焰传感器可以检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏，性能稳定，工作电压5V，火焰传感器探头的工作温度为-25摄氏度到85摄氏度，在使用过程中一定要注意火焰传感器探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。
3.1.6轻触开关
轻触开关，又叫按键开关，由嵌件、基座、弹片、按钮、盖板等组成，轻轻按下开关接通，松开即断开。
本电路使用的是四脚轻触开关，外型尺寸大小为6*6*7MM，在轻触开关底部我们可以看“北”字图形，如下图所示。
轻触开关工作原理
轻触开关是使用时轻轻点按开关按钮即可使开关接通，当松开手时开关即可断开，其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。
3.1.7半导体三极管
三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。
其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号,也用作无触点开关，俗称开关管。
本电路使用的是NPN型的三极管9012，当把有字的面向自己，引脚朝下，总左往右排列是发射极E，基极B，集电极C。
如下图所示。
三极管的引脚图
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。
这是三极管最基本的和最重要的特性。
我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。
电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
3.1.8通用运算放大器LM358
LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，引脚功能如下：
LM358引脚功能排列
LM358引脚功能介绍
1脚：
第一运放输出端
2脚：
第一运放反向输入端
3脚：
第一运放同向输入端
4脚：
接地端
5脚：
第二运放同向输入端
6脚：
第二运放反向输入端
7脚：
第二运放输出端
8脚：
正电源引脚
本电路设计利用了LM358中的其中一个运算放大器构成电压比较器，信号从第一运放反向输入端（2脚）和同向输入端（3脚）输入，经比较后由第一运放输出端（1脚）输出。
如果3脚电压大于2脚电压，则1脚输出高电平；如果3脚电压小于2脚电压，则1脚输出低电平。
3.1.9双D触发器4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
D触发器在时钟脉冲CP的前沿（正跳变0到1）发生翻转，触发器的次态
取决于脉冲上升沿到来之前D端的状态，即
=D。
因此，它具有置0、置1两种功能。
由于CP=1期间电路具有维持阻塞作用，所以在CP=1期间，D端的数据状态变化，不会影响触发器的输出状态。
和
分别是决定触发器初始状态
的直接置0、置1端。
当不需要强迫置0、置1时，
和
端都应置高电平（如接+5V电源）。
此外74LS74、74LS175等均为上升沿触发的边沿触发器。
触发器的应用很广，可用作数字信号的寄存，移位寄存，分频和波形发生器等。
CD4013真值表
1CP（3脚）
1D（5脚）
1RD（4脚）
1SD（6脚）
1Q（1脚）
1/Q（2脚）
↑
0
0
0
0
1
↑
1
0
0
1
0
↓
x
0
0
Q
Q
x
x
1
0
0
1
x
x
0
1
1
0
x
x
1
1
1
1
本电路设计把双D触发器设计成了RS触发器，由6脚为置位输入端，4脚为清零输入端，1脚为输出端。
3.2电路原理图设计
3.2.1电路原理图设计整图及工作原理分析
根据电路框图及以上各个单元电路的设计，原理图设计整图如下：
由R1和LED1构成了电源指示电路，当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态。
由R2、R3、RP1、C1、VD1、LM358构成了了火焰感应电路，RP1调到中间位置，产生2.5V左右的基准电压送到LM358的3脚（同相输入端），火焰传感器从来到信号送到LM358的2脚（反相输入端），两个电压信号进行比较后通过LM358的1脚输出火焰控制信号Si。
如果3脚（同相输入端）电压大于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为高电平。
如果3脚（同相输入端）电压小于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为低电平。
正常工作时没有火焰的，火焰传感器截止，提供给LM358的2脚（反相输入端）的电压为高电平，大于3脚（同相输入端）电压的，输出火焰控制信号Si为低电平给信号处理电路。
由S1和R4构成了手动控制电路，产生手动控制信号Ci送到信号处理电路的清零端。
当轻触开关S1按下后，产生手动控制信号Ci为高电平。
当轻触开关S1松开后，产生手动控制信号Ci为低电平。
由双D触发器4013、R5信号处理电路，其中4013搭建成RS触发器，高电平有效，主要负责处理火焰感应信号Si和手动控制电路产生清除信号Ci，并产生相应的输出控制信号Ki给报警电路。
当4013的置位信号端6脚电压为高电平时，产生输出控制信号高电平给报警电路。
当4013的清零信号端4脚电压为高电平时，产生输出控制信号低电平给报警电路。
由三极管VT1（9013）和蜂鸣器HA1（5V有源电磁式）构成了报警电路。
当三极管VT1的基极电压为高电平时，三极管VT1导通，蜂鸣器鸣叫，产生报警声。
当三极管VT1的基极电压为低电平时，三极管VT1截止，蜂鸣器不工作，报警声消失。
第四章：
智能仓库火焰报警器的制作
4.1硬件电路PCB布局及焊接安装
4.1.1硬件电路PCB布局图
采用Protel99se绘制电路原理图，再根据原理图对PCB图进行布局，设计PCB图，如下图所示。
4.1.2硬件电路焊接安装
根据元件布局图和走线图，采用万能版焊接电路，焊接成功的智能仓库火焰报警器顶层如下图所示：
智能仓库火焰报警器底层走线如下图所示：
4.2硬件电路调试
4.2.1硬件电路调试
制作完成后，接上5V直流电压，用打火机在火焰传感器上方30CM处点火，报警器立刻报警。
手动按下报警消除按键（轻触开关），报警声停止。
如下图所示：
第五章：
总结
本次课程设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。
本系统通过设计一个以传感器为核心的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。
本报警器电路结构简单、可维护性好。
由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。
但是也存在不少的不足。
由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。
由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。
由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。
通过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。
在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。
而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。
本课程设计是在我的指导老师钱显毅老师的关怀与细心指导下完成的。
从课题的选择到最终的完成，钱显毅老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持，并且在耐心指导之余，钱显毅老师仍不忘拓展我们的文化视野。
值得一提的是，钱显毅老师宅心仁厚，闲静少言，不慕荣利，对学生认真负责，在他的身上，我们可以感受到一个学者的严谨和务实，这些都让我们获益菲浅，并且将终生受用无穷。
毕竟“经师易得，人师难求”，希望借此机会向钱显毅老师表示最衷心的感谢！
此外，本课程设计最终得以顺利完成，也是与班级其他同学的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的毕业设计指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，在此向他们表示深深的感谢！
通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
大学是象牙塔，也是一个小社会，面对生活的冲击。
我曾经欢笑过，也曾经悲伤过。
这几年的风风雨雨塑造了我的人生观和世界观。
回首过去，我以诚待人无愧于心，那一步步深深的脚印全是我生活点滴的写照；展望未来，我昂首阔步满怀信心，大学生活便是我前进路上的坚强后盾。
我外向乐观的性格改变了我许多，乐于助人，勤俭节约，来帮助比我更需要帮助的人，曾多次参加学校和系组织的活动，开拓了自己的视野，来超越自我，在老师和同学中得到了好评和充分的肯定。
总之，这次传感器课程设计我学习了很多，经过了一个星期的不停更改和制作终于成型了！
心里很开心，也希望老师能满意！
第六章：
参考文献
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