电路课程设计烟雾报警器报告.docx
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电路课程设计烟雾报警器报告
北京交通大学
电子课程设计报告
烟雾报警器
一，问题背景
当发生火灾或可燃气体泄漏时，为了减少危害，我们需要烟雾气体报警器这一装置。
一旦检测到遇到烟雾或可燃气体，烟雾报警器可立即发出声光来警示人们，同时还可以通过接口自动实现灭火，断气操作，保障生命和财产安全。
烟雾报警器具有广泛的应用价值和意义。
我们这次课程设计就是尝试掌握其原理，设计一个初级的烟雾报警器。
二，设计目的
1，了解传感器的基本知识，掌握传感器的使用方法；
2，进一步加深对模拟电路基础理论和数字电路基础理论的理解；
3，掌握比较器和振荡器的设计方法；
4，提高认识一些器件手册并运用这些器件的能力。
三，设计要求
1，基本部分：
1）电源电压不限，可以使用交流或直流电源；
2）有气体和烟雾时进行报警，无气体和烟雾后仍然维持报警，直至重新上电后才撤消报警；
3）气体和烟雾报警以不同的声光加以区分；
4）气体和烟雾报警分别设置断气、灭火驱动接口；
5）显示报警时间。
2，发挥部分：
1）可以通过无线方式向远端发送报警信息，无线传输所使用的信号调制、解调方式不限，可以使用成品模块；
2）多个报警器报警时互相不影响，在接收端各自有独立的声光指示；
3，设计任务：
1）设计，安装、调试所设计的电路；
2）画出完整电路图，详细说明电路原理，写出设计总结报告。
四，设计原理
1，原理框图
2，原理描述
当发生火灾或可燃气体泄漏，传感器遇到烟雾或可燃气体时，将产生电信号。
信号通过逻辑处理模块使能声光显示及计时模块，实现烟雾报警功能。
五，设计方案
1，设计总图
当传感器遇到可燃气体或烟雾时，比较器的输出由低变高，通过无线发射模块发射信号，无线接收模块接收到信号，使能声光报警及计时，由于触发器的保持功能，所以声光报警及计时延续到重新上电。
考虑到时间和成本，我们只制作了可燃气体的报警，烟雾报警原理完全一样，只需加上烟雾的信号产生电路及不同的声光报警（加以区别），无线发射和接收模块上已经有相关的接口和通道。
2,各子模块的实现方案
1）信号的产生部分
主要器件：
QM-NG1气敏传感器，LM324，电阻若干。
传感器比较电路
由于市场上气体传感器的选择不多，我们只购买到QM-NG1型广谱型气体传感器。
QM-NG1型广谱型气体传感器。
它是采用目前国际上工艺最成熟，生产规模最大的SnO2材料作为敏感基体制作的广谱型气体传感器。
它的最大特点是对各种可燃性气体（如氢气、液化石油气、一氧化碳、烷烃类等气体）以及酒精、乙醚、汽油、烟雾等有毒气体具有较高的敏感性。
QM-NG1的标准工作条件如下：
加热电压（VH）
5±0.2V（AC.DC）
回路电压（VC）
10V（最大DC24V）
负载电阻（RL）
2K（可自定）
清洁空气中电压（VO）
≤1.5V
灵敏度
≥3
响应时间（tres）
≤10S
恢复时间（trec）
≤30S
元件功耗
≤0.7W
使用寿命
5年
QM-NG1的外观及内部构造如下：
其有三对对称管脚，一对为电感，两端接标准电压，另两对相同，为电容，一端接电源正，另一端接负载电阻（根据参数表可设计为2k）。
当遇到可燃气体时，传感器反应为电阻由很大变为很少，从而产生电位变化（负载端电位瞬间变大）。
通过以比较器将变大的电位转换为低电平向高电平转变，这样就达到了信号产生的目的。
简单的运放就能设计一个比较器，LM324物美价廉，自然便是理想的选择。
如是，得到如下电路图：
接通电源，预热约2分钟，当气敏传感器遇到可燃气体后，LM324的3端电压迅速增大，从而比2端电位高，输出端由低变高。
2）无线发收部分
主要器件：
PT2262编码及F05P发射集成模块，PT2272解码及J04V接收集成模块。
集成模块构成及功能。
为了使电路简单并可靠，我们选用了F/J模块，此模块的调制方式为ASK，功率低，稳定性不错，无线发射部分采用PT2262编码，F05P发射，采用应用广泛成熟的电路。
数据可由10～13脚任意一脚输入，1～8脚为地址编码。
接收部分我们采用对应的PT2272、J04V，只要两端有同样的地址码，2272对应脚就会输出高电平。
其基本电路图如下：
通过无线发射、接收部分我们可以实现多路信号的编码、调制、解调，应用时从2262两路（例如10、11脚）分别接气体、烟雾传感电路，在2272对应管脚接相应的不同响应电路（声光显示的不同加以区别），可以实现气体、烟雾分别报警，互相区分，互不干扰。
也可以接入多个报警器，各报警器在感应报警时互不影响，能分别实现自己的功能。
3）信号保持部分
主要器件：
CD4013双D触发器，单刀双掷开关。
CD4013实现信号保持
CD4013为集成D触发器，其芯片管脚图及功能表如下：
由功能表可知，当R，S端为L，L，CP为上升沿时，次态与D相同，同时从表中可以看出R为清零端，高电平有效。
所以，当~Q端接D端时可以实现信号保持电路，并可以清零复位。
如下图：
当CP为上升沿时，触发器输出高电平并能保持下去，直到4脚（CD1）接高电平复位。
74LS74实现信号保持
74LS74与的功能与CD4013相同，只是不同系列的芯片而已，其封装和功能表如下：
同样的得到如下信号保持电路：
相比之下，CMOS系列的芯片高低电平更明显，且价格低，功率低，所以我们选择了CD4013作为信号保持电路。
4）声光显示部分
主要器件：
NE555，发光二极管，1uF电解电容，10nF陶瓷电容，蜂鸣器，电阻若干。
555谐振电路
555定时器构成振荡器是最常用的谐振电路,振荡器输出的脉冲接通蜂鸣器与发光二极管就可以模拟出报警声及灯光闪烁效果.下面是555的管脚及功能表：
55
上图为一基本的谐振电路，其振荡周期为：
充电时间为：
放电时间为：
为了声光效果能更逼真，需要放电的时间比充电的时间长，需要调整R1，R2，C三个参数。
经过仿真得到如下电路图：
上图中555的4脚（RST）为控制端，当4段（RST）为高电平时，555的3脚为输出端，接蜂鸣器和发光二极管显示。
考虑到555的输出驱动，我们在实验箱上对这部分进行了验证，效果很不错。
5）计时显示部分
主要器件：
CD4060,74LS161计数器,74LS00与非门，74LS47译码器，单刀双掷开关，七段共阳数码管。
六-十进制计数器
六-十进制计数器设计的方法有很多选择，例如，利用74LS161（163），74LS193，74LS90（290），CD4518。
无论使用何种芯片，其原理都是实现如下的状态表，并将其译码显示。
N
低位片状态
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
6
0110
7
0111
8
1000
9
1001
进位脉冲
N
高位片状态
0
0000
1
0001
2
0010
3
0011
4
0100
5
0101
1）使用74LS161
当U4的输出端QDQCQBQA为1001时，通过与非门得到低电平，使能置数端实现同步预置0000。
同时可以产生一个时钟脉冲使U5计数一次。
当U5的输出端QDQCQBQA为0101时，通过与非门得到低电平，使能置数端实现同步预置0000。
这样就完成了六-十进制计数器
2）使用74LS193
同理，我们可以得到如下电路图：
这一部分我们在电子钟里面设计过，十分熟悉。
考虑到清零及设计简单（使用最少的与非门），我们选用了74LS161作为最终方案。
计时显示电路
当U4的7脚为高电平时，计数器开始计时，直到重新通电源清零。
注:
由于这部分在数字时钟中已经进行过深入学习,这里不作详细分析.
六，电路焊接与实验调试
1，电路焊接
电路整体分为两部分：
信号产生与发射和信号接收，声光显示及计时，我们分两块板子分别焊接。
在焊接电路的时候，为了方便调试，我们附加了一些开关和发光二极管。
例如：
在计数显示，声光显示的使能端我们接了电源开关，在无线发射和接收通道我们分别接了发光二极管，便于分块调试和快速发现问题。
2，电路调试
1）计数模块我们非常熟悉,所以我们最先调试这一部分.我们将这一部分直接用开关接电源使能,但是这一部分我们还是遇到了一个棘手的问题:
进位脉冲不对,每次都是逢8进位,这个让我们很不解,无论是从理论上还是MULTSIM仿真软件的仿真结果来看,都没有问题,电路上也没有连接错误的地方.经过分析,我们发现我们在设计的时候仅以MULTSIM的74LS161为标准,其时钟触发方式不同,软件是下降沿工作,实际的芯片是上升沿工作,为此我们将进位脉冲进行非逻辑运算,最后调试成功.
2）声光显示部分,由于在实验箱上试验过,调试非常顺利,而且效果也很好.对于传感器信号产生模块,我们是根据比较器的三端的电位来调整变阻器的阻值,并多次重复调整,使其灵敏度达到最理想的效果,并且测试其接到无线传输模块的电位,使其也尽可能大.
3）无线传输模块是集成的,其效果在焊接前已经调试过.各模块的协同整体调试,让我们很困惑,有时候效果出来了,有时出现报警中断,我们一时找不到方向,最后我们将接受模块端的测试灯去掉了,这样就解决了问题.
七，实验体会
通过这次课程设计,我们重温了模拟电路和数字电路的知识,同时学习了阅读器件手册,尝试利用一些新的器件,体验了知识的运用实践.实验中,我们遇到了不少问题,尝试解决这些问题,大大锻炼我们的实践能力.对于电路的焊接工艺,虽然我们做得不够好,但是我们在布局,焊接方面有很大的进步.
实际操作与理论是有一定区别的,实际操作需要基础知识,更是加深了对知识的理解,这就是我们最大的收获.
八，元件清单
名称
数量
QM-NG1气敏传感器
1
LM324
1
无线发收集成模块
1
CD4013
1
555
1
74LS161
2
74LS47
2
CD4060
1
74LS193
1
74LS00
1
10M电阻
1
100K变阻器
1
10K变阻器
3
10K电阻
1
1K电阻
3
320Ω电阻
14
1uF电解电容
1
10nF电容
1
30pF电容
2
石英晶体
1
单刀双掷开关
3
七段共阳数码显示管
2
发光二极管
4
蜂鸣器
1
焊板
2
导线,底座,焊锡
若干
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