基于防火监测及硬件电路Multisim的仿真设计.docx
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基于防火监测及硬件电路Multisim的仿真设计
基于防火监测及硬件电路Multisim的仿真设计
摘要
本文介绍了一种防火检测电路及其工作的基本原理，使用EDA软件Multisim10.0建立光电信号转换部分的仿真模型。
硬件电路包括光电检测电路和声光报警电路两部分。
在光电检测电路部分,采用VTT1116型硅光敏三极管作为燃烧火焰检测的光电转换器件，光敏管输出的电压信号Va经过两级通用型运算放大器放大，放大后的电压信号为
。
作为比较电压输出到声光报警电路。
声光报警电路由四个相同的报警单元组成。
每个单元均采用高精度电压比较器LM311作阈值电压比较。
当
大于阈值，LED点亮,蜂鸣器发出报警声。
点亮的LED个数越多，表明火灾形势越严重。
关键词：
火焰检测;声光报警；multisim仿真。
Firemonitoringandhardware—basedsimulationofMultisimcircuitdesign
Abstract：
Thisthesisintroducestheworkbasicprincipleoffiredetectioncircuit，andsetsthesimulationmodelofthephotoelectricsignalconversioncircuitbyEDAsoftwareMultisim10。
0。
Thehardwarecircuitsincludestwoparts,thatis,photoelectricdetectioncircuitandsoundandlightalarmcircuit.Forthephotoelectricdetectioncircuit,weuseVTT1116asthephotoelectricdetectioncomponentwhoseoutputisconveyedtothesoundandlightcircuitafteramplificationbytheInternally—compensatedduallownoiseoperationalamplifier。
Thesoundandlightalarmcircuitcontainfoursameunits.EachunithasaLM311asthevoltagecomparator。
Whentheamplifiedvoltageofthephotistor’semitterregionlargerthanthethreshold,theLEDislightedandthebuzzersounds.MoreLEDislighted,thefireismorefierce。
Keywords:
photoelectricdetection；soundandlightalarm;thesimulationofmultisim。
第一章绪言
1。
1学术背景及意义
1。
1。
1学术背景
火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。
（GB5907—86）
火灾可以按照不同的标准进行分类。
为了方便在防火检测中有效的区分出不同种类的物质，本文根据国家标准GB4968-85《火灾分类》的规定，采用按燃烧特征的不同将火灾分成A、B、C、D四类，即:
A类火灾，B类火灾,C类火灾,D类火灾。
1．A类火灾
A类火灾指固体物质火灾。
这种物质往往具有有机物性质，一般在燃烧时能产生灼热的余烬。
如木材、棉、毛、麻、纸张火灾等。
该种类型燃烧火焰主要呈黄色，温度在130℃—1000℃不等。
本次毕业设计针对纸张、棉麻,燃烧火焰温度约180℃.
2．B类火灾
B类火灾指液体火灾和可熔化的固体火灾。
如汽油、煤油、原油、甲醇、乙醇、沥青、石蜡火灾等.
该种类型燃烧火焰主要呈黄色，燃烧火焰温度大半在400℃-500℃左右，本次毕业设计主要针对酒精灯和石蜡。
3．C类火灾
C类火灾指气体火灾.如煤气、天然气、甲烷、乙烷、丙烷、氢气火灾等。
该种类型燃烧火焰主要成蓝色,燃烧火焰温度约在1600℃—1700℃左右。
本次毕业设计主要针对煤气、甲烷。
4．D类火灾
D类火灾指金属火灾。
如钾、钠、镁、钛、锆、锂、铝镁合金火灾等.
各种金属在燃烧时现象区别较大，如镁在空气中燃烧，发出耀眼白光;钠在空气中燃烧,火焰黄色；铁在氧气中燃烧，火星四射,（没有火焰）生成的四氧化三铁熔融而滴下等。
此处仅针对钾、理两种金属而言，它们燃烧的火焰为紫色，燃烧火焰温度在1000℃-1300℃左右。
由于光强越强，温度越高，光敏三极管的光电流越大。
因此，可以通过连接在光敏三极管发射极的电阻上的电压大小判断燃烧物质的温度,从而判断火灾的种类。
不过由于燃烧物质现象的多样性，此处燃烧物质的判断有一定局限性。
1.1。
2意义
在众多的灾害中，火灾已成为我国长发性、破坏性和影响力最强的灾害之一，其直接损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝，而其发生的频率则居各灾种之首。
不仅造成重大的经济损失和人员伤亡，而且给人们心灵留下了一定的精神创伤，对社会的稳定也产生了不良影响。
根据世界火灾统计中心以及欧盟的研究成果，许多发达国家每年火灾损失占GDP的0.2%左右，而整个火灾成本约占GDP的1%左右，人员死亡率在十万分之二左右。
为了预防火灾给人类带来的危害，就需要发展响应更快、可靠性更高的火灾防治技术。
防火监测是所有建筑及重要场所不可缺少的部分。
生活中难免遇到火灾的发生，为了在火灾来临之前防患于未然,因此一个火灾报警器是十分必要的，因而我们模拟设计了火灾报警电路。
它包括了温度传感器、放大器、电阻、模拟电路实验箱、发光二极管、蜂鸣器等等。
其中温度传感器是一个热敏电阻,它通过感知温度的变化来改变电路中电流的大小，并影响电路中二极管和蜂鸣器中所通过的电流，使其产生变化。
而后通过multisim软件仿真的实现来使二极管发光以及使蜂鸣器报警，从而来实现预防火灾及减小火灾危害的作用。
1.2国内外文献综述
为了寻求减少火灾经济损失和人员伤亡的方法，首先基于对火灾燃烧机理的研究，找出发生火灾的固有特征；通过对火灾固有特征的分析比较,判断火灾是否发生，为选择或设计火灾探测报警的手段提供理论依据。
随着人们对火灾机理理解的不断深入，逐渐发展了众多的火灾探测手段：
利用火灾中产生的火焰、烟雾、高温、气体、光和声音等火灾的表现特征,各种各样的火灾探测器，如感焰、感温、感烟以及复合火灾报警器等，用以警示火灾的发生。
当今的火灾探测技术产品中，数量最多、应用最广的是接触型火灾探测器.他们在大量建筑物（写字楼、公寓楼等）中获得广泛使用。
离子探测器出现之后，感温探测器被排挤到了次要地位。
迄今,离子探测器占到已装火灾探测器总量的90%。
20世纪80年代后，火灾探测器与其他技术开始了更广泛的交叉和结合，探测智能、检测智能和抗干扰算法在火灾探测技术中的应用，使火灾探测技术进入了一个全新发展的时期,与信号处理技术、人工智能技术和自动控制技术更紧密的联系在一起，火灾探测算法在改进探测系统性能上的作用日益突出。
传统的火灾探测器中感温探测器、感烟探测器和感火烟探测器的工作原理均是基于火灾中温度的变化或利用火灾厌恶、火焰的电学和光学等物理特性来进行识别的。
这种识别模式很难可靠地发现早期火灾，如感烟探测器不能探测到究竟火焰，感温探测器不易探测到阴燃火源。
在现代高大空间建筑中,当存在遮挡和环境干扰的时候，常规的感烟、感温探测器由于火灾燃烧产物在空间传播受空间高度和面积的影响，很难对火灾发生快速响应。
复合探测器和多种新型探测器的不断涌现是探测器性能越来越完善，也较好地解决了上述问题。
多传感/多判据探测器技术发展,从响应火灾不同信号的多个传感器获得信号，并从这些信号寻出多样的报警和诊断判据.通过把两种或两种以上探测方式融合在一起制成复合探测器,可增强探测器功能，同时弥补各种探测方式的缺点.
第二章防火检测电路
本文所设计的防火检测电路包括光电检测部分和声光报警部分。
2。
1光电检测电路
2.1.1。
光电检测电路原理图
图2-1光电检测电路原理图
该光电检测电路原理图可以分成三个部分：
光电转换电路、信号放大电路、电源及抗干扰电路。
下面一一介绍这三个部分的工作原理.
（1）光电转换部分
图2—2光电转换部分电路原理图
电路接通，LED1亮，表示电路开始工作。
本次设计采用VTT1116，即Q2，作为检测火焰的光电转换器件。
R7为Q2的偏置电阻，通过调节R7使得光敏三极管Q2工作在放大区.当有物质燃烧时，火焰照射到光敏三极管Q2的基极，产生光电流。
由于处于激发态的各电子放出的光子频率不同，导致火焰光强摇摆不定,光电流变化，a点的电流相应发生变化。
为了控制和稳定Q2射极电流,方便采集光敏三极管的射极输出电压,我们采用三极管Q1作为电流信号采样反馈元件。
当a点电流变大到一定值时，Q1基极电流足够大，使得Q1导通,Q1分Q2基极电流，导致Q2基极电流减小，其发射极电流相应减小,a点电流减小。
从而减缓因外来背景强光干扰而造成Q2进入到饱和工作区，以避免强光干扰信号淹没进入到Q2的有用信号，这样便保证Q2正常工作。
Q1射极电阻R1上电压的直流分量的大小反映了火焰温度值的高低变化。
电位器W3用于调节光敏三极管Q2的采样输出信号幅度。
光敏三极管发射极电压即表示了火焰光的强度。
根据火焰光强度不同可以大致判断四种不同的火灾类型.
（2）信号放大部分
图2—3信号放大部分电路原理图
本次设计采用NE5532两级通用型放大器作为信号放大电路；为提高输入阻抗,U1B采用同端放大.其放大系数为:
（2-1）
U2B采用末极同相放大。
其放大系数为:
（2—2）
在没有光照的条件下，调节电位器W2,使得U1B的输出为零,减小误差.
（3）电源和抗干扰部分
图2-4电源及抗干扰部分电路原理图
U1为LM39100—5.0基准源，为Q1、Q2等组成的前级电路提供了高稳定的+5V基准电压。
L1、C6、C9、C8构成π型滤波器，避免干扰信号进入放大器电路影响输出结果,有效消除周围环境对电路的影响，如:
隐藏在墙壁里接220V电压的电线形成的电场等。
L1为同向引脚工字型磁芯.C9为电解电容。
电解电容由纯电容、电感、电阻组成.电解电容能够堆积更多的电荷,提高电容两端的耐压能力。
但因其本身有电感，故在高频噪音下,滤波功能不足，因此常在其侧并联一个普通电容以起到滤去高频波的作用。
不过，在低频噪音下，可以不用并联普通电容,如C1。
C2、C3、C7功能结构与C9同，在此不再赘述。
图2—5一阶滤波器电路原理图
在以下实验中,信号发生器输出电压频率（即有用信号频率）均确定为100HZ,即周期为0.01s.该一阶RC滤波器处于零输入响应状态，据教材《电路分析简明教程》知，其时间常数的估算公式为:
（2—3）
因此,R4、C1组成一阶滤波器的时间常数远远大于仿真实验中的有用信号.显然，该滤波器的时间常数也必定能够保证Q2有效地检测到火焰.
2。
1.2元件清单列表
表2-1光电检测电路元件清单
值
标号
封装
0.1uf
C5
RT
0.1uf
C6
RT
0。
1uf
C8
RT
0。
1uf
C3
RT
0.47uf
C4
RT
1K
R1
RES6.0
1K
R3
RES6。
0
1mH
L1
L6＊8
2K
R10
RES6.0
2K
R2
RES6。
0
2K
R8
RES6.0
2K
R5
RES6。
0
2KΩ
R7
RES6.0
2SC9013
Q1
TO-92B
4。
7K
W1
VR6
10K
Rx
RES6。
0
20K
R11
RES6。
0
20K
R9
RES6。
0
20K
W2
VR6
22uf/6.3v
C2
RB2.2-5。
4-11
22uf/16v
C7
RB2.2—5。
4—11
47uf/16v
C9
RB2.2—5.4—11
50K
W3
VR6
180Ω
R6
RES6。
0
220R
R12
AXIAL0。
4
220uF/6.3V
C1
RB2。
2-5.4-11
470K
R4
RES6。
0
LED
ED1
LED3
LM39100—5.0
U1
SOT—223
NE5532
U2
DIP8
VTT1116
Q2
TO-46
2。
2声光报警电路
2。
2。
1。
声光报警电路原理图
图2—6声光报警电路原理图
2.2。
2.电路工作原理
如图所示，本电路采用LM311作为比较器，当经过运算放大器放大后的光敏三极管发射极电压
大于比较器负端电压时,比较器输出正电压.
图2-7声光报警电路中的一个报警单元
正电压足够大时,便驱动LED发光，并且使与比较器相连的三极管导通，蜂鸣器发出响声。
图2-8声光报警电路局部
调节电位器W1～W4改变比较器阈值。
阈值的计算公式为：
（2—3）
由于光敏三极管发射极电压即表示了火焰光的强度。
因此，点亮的LED灯的个数即表示了火焰光的强度。
点亮的LED个数越多，表明火势越强烈,应该积极采取有效措施扑灭火苗。
2。
2.3元件清单列表
表4-2声光报警电路元件清单
器件类型
标号
封装
5脚连接器
JP
HDR1X5
LED红色
LED1
BAT—2
LED红色
LED2
BAT-2
LED红色
LED3
BAT—2
LED红色
LED4
BAT—2
蜂鸣器
LS
PIN2
LM311
OPAMP1
DIP-8
LM311
OPAMP2
DIP-8
LM311
OPAMP3
DIP-8
LM311
OPAMP4
DIP-8
2SC9013
Q1
BCY-W3
2SC9013
Q2
BCY—W3
2SC9013
Q3
BCY—W3
2SC9013
Q4
BCY-W3
2K
R1
AXIAL-0.6
2K
R2
AXIAL-0。
6
2K
R3
AXIAL—0。
6
2K
R4
AXIAL-0.6
1K
R5
AXIAL—0.6
1K
R6
AXIAL-0.6
1K
R7
AXIAL-0。
6
1K
R8
AXIAL—0。
6
1K
Ra1
AXIAL-0.6
1K
Ra2
AXIAL—0.6
1K
Ra3
AXIAL—0.6
1K
Ra4
AXIAL—0。
6
1K
Rb1
AXIAL—0.6
1K
Rb2
AXIAL—0。
6
1K
Rb3
AXIAL-0.6
1K
Rb4
AXIAL-0。
6
5K
RW1
VR5
5K
RW2
VR5
5K
RW3
VR5
5K
RW4
VR5
2。
3电路图中主要元器件简介
2。
3.1VTT1116硅型光敏三极管
VTT1116是一种宽领域高灵敏度ＮＰＮ型硅光敏三极管,可感应到波长为160nm—1600nm的光。
它采用的是有透镜的TO-46封装。
该密闭封装很好地保护器件免受恶劣环境的影响。
将逆偏压施至基极接合部。
这类设备与IREDs的VTE11xx系列惊人的相匹配。
2.3.2NE5532内在补偿的双向低噪音运算放大器
1。
NE5532功能特点简介:
NE5532是一种双向高性能低噪音运算放大器。
与大多数标准的运算放大器相比，如：
1485，它显示出更好的抗噪性能，提高了输出驱动能力,明显提高了小信号和电源带宽。
这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备,仪器和控制电路和电话通道放大器。
该运算放大器内在补偿增益，等同于一个运算放器。
2。
NE5532特点:
小信号带宽：
10MHZ
输出驱动能力：
600Ω，10V有效值
输入噪声电压：
5nV/√Hz（典型值）
直流 电压增益：
50000
交流电压增益:
2200-10KHZ
功率带宽：
140KHZ
转换速率：
9V/μs
大的电源电压范围：
±3V-±20V
单位增益补偿
3。
引脚结构
图2-9NE5532引脚结构图
2。
3。
3LM391001A低电压低压差稳压器
1。
产品描述
LM39100—5是输出为5V/1A低压差线性稳压器，它的封装体积小,能提供低电压高电流输出。
该器件能提供低的压差（典型值是在1A时，压差为410mV），以及低接地电流（典型的是在1A时,接地电流为12mA）。
本文采用的LM39100是以SOT—223封装的固定输出稳压器。
它是将输入的+12V电压转化为+5V电源输出提供给光电检测电路作为工作电压。
该器件具有过流限制、热关闭和输入反向保护功能，该器件以得到全方位的保护。
2.特性
将输出电压调节并稳定到1。
24V（内部）;
理想转换为3。
0Vto2.5V，2.5Vto1.8V，2。
5Vto1。
5V；
低剖面SOT—223封装。
图2—10LM39100封装图
3.最大绝对额定值：
电源电压:
（VIN）+2。
25Vto+16V
2.3。
4LM311高灵敏度的电压比较器
1.产品简介
能工作于5。
0到30V单个电源或±15V分离电源，如通常的运算放大器使用一样，是LM311成为一种真正通用的比较器。
该系统的输入可以是与系统地隔离的,而输出则可以驱动以地为参考或以Vcc为参考，或以Vee为参考的负载.此灵活性使其可以驱动DTL，RTL，TTL或MOS逻辑.在电流达到50mA时，该输出还可以把电压输出到50V.因此，该LM311可以用于驱动继电器、灯或螺线管。
2.管脚链接
图2-11LM311管脚连接图
第三章防火检测电路的Multisim10。
0软件仿真
3。
1Multisim简介及特点
1.Multisim简介
NIMultisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，NIMultisim是一个完整的集成化设计环境.NIMultisim10是美国NI公司推出的Multisim新版本。
NIMultisim10用软件的方法虚拟电子与电工元器件以及电子和电工仪器仪表，通过软件将原件和仪器结合为一体。
它是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件.NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能,可以完成电路的瞬态分析、稳态分析等各种电路分析方法.
Multisim 具有一个庞大的元气件库,具备如信号源、基本元气件、模拟集成电路、数字集成电路、指示部件、控制部件等各种元气件。
2.Multisim10。
0特点
Multisim10。
0是EWB的升级，是目前推出的一款高版本的电路设计与仿真软件.它具有以下一些特点:
（1）直观的图形界面创建电路。
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取.
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都与实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）软件带有丰富的电路元件库，提供多种强大的电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
Multisim10。
0软件是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
Multisim10。
0软件具有很强的仿真设计功能,包括：
（1）全功能电路仿真系统：
有元器件的编辑、选取、放置；电路图的编辑、绘制;电路工作状况的测试;电路特性的分析；电路图报表输出、打印；档案的转出/转入。
（2）完整的系统设计工具,其强大功能包含：
结合SPICE、VHDL、Verilog共同仿真;电路图的建立;完整的零件库；SPICE仿真；高阶RF设计功能；虚拟仪器测试及分析功能；计划及团队设计功能;VHDL及Verilog设计与仿真;FPGA／CPLD组件合成；PCB文件转换功能。
3.2防火检测电路的仿真
本文主要仿真三个方面:
Q2发射极电压反应火焰光强的情况；Q1基极电压反应火焰温度的情况;Q1对干扰信号的抑制作用。
下面一一介绍。
3.2.1仿真电路
本文仿真的电路为防火检测的关键部分，即光电检测电路中的光电转换部分。
电路图如下：
图3-1仿真部分电路图
在应用电子仿真软件Multisim进行虚拟仿真时,只要知道了某些器件的电特性或在电路中的作用，就可以灵活采用变通的办法代替进行仿真，这样可以大大拓宽电子仿真软件Multisim的应用范围.
本文利用如下设备模拟火焰燃烧时的光强和温度。
如图所示：
图3—2仿真火焰燃烧时的光强与温度
XFG1为一般信号发生器，本文中该设备用于发出三角波。
用信号的波动模拟火焰的摆动，即火焰强度的变化.4N36为电流传输比为100%的光电耦合器。
改变
的阻值或信号发生器的峰峰值大小，以改变流过发光二级管的电流，从而改变光敏三极管的光电流，最终影响a点电压.
3.2.2仿真Q2发射极电压反应火焰光强的情况
1。
光电转换电路的建模
按照设计方案在Multisim中搭建电路原理图,如下所示
图3-3光强采集电路的建模
XSC1/XSC2/XSC3为虚拟双踪示波器,双击该图标可得相应两端的电压波形。
XSC1显示光敏三极管发射极负载电压，即a点电压;XSC2显示Q1基极电压波形；XSC3显示信号发生器的输出波形.
2。
（1）信号发生器的参数设置
具体操作：
双击XFG1，出现如下界面；按
，选择输出波形为三角波；分别设置信号的频率为100HZ、幅值为5V，并将信号发生器置零。
图3-4信号发生器参数设置
设置
=5.1KΩ时，信号发生器输出电压及a点电压的波形如下：
图3-5信号发生器输出电压波形一
图3-6a点电压波形一
令时间轴上每格表示2ms，幅值轴每格表示5V,信号发生器与a点电压波形比较:
图3-7信号发生器的输出波形与a点交流电压对比图一
从以上图片可以清楚地看出，当信号发生器的电压小于某一值时，光敏三极管没有光电流。
这是因为发光二极管存在导通电压.只有当加在发光二极管两端的电压大于其导通电压时，发光二极管才会发光,光敏三极管才会感应到光电流。
a点电压可以显示出信号发生器的波形变化.
（2）选择aglient函数发生器，双击该设备图标进入参数设置界面；按
，选择输出波形为锯齿波;按
、
、
键，分别设置信号的频率为100HZ、幅值为5V、信号发生器置零;单击旋钮可调节值的大小。
图3—8aglient函数发生器参数设置界面
将
设置为220Ω时,仿真结果如下：
图3—9信号发生器输出电压波形二
a点交流电压波形如下：
图3—10a点电压波形二
令时间轴上每格表示5ms，信号发生器输出电压波形幅值轴每格表示2V,a点电压波形幅值轴每格表示1V。
信号发生器与a点电压波形比较：
图3-10信号发生器的输出波形与a点交流电压对比图二
由于信号发生
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