烟雾报警电路设计毕业设计说明书.docx

1、烟雾报警电路设计毕业设计说明书烟雾报警电路设计目录摘要为了提前发现并阻止火灾的发生，提高人们的警觉性，防止和减少火灾引起的事故。设计出以模数电和传感器技术为设计方法，基于实用、广泛和典型的原则，由三端集成稳压电路、半导体电阻式烟雾传感器、555集成电路等元器件构成的烟雾报警电路，可实现烟雾检测和声光报警功能。并且运用电子仿真软件进行电路仿真、实物制作来实现设计的功能。电路选用半导体烟雾传感器MQ-2型，对烟雾进行检测。运用555集成电路实现声光报警，及时提醒用户。本设计是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、使用寿命长等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用性。关键词烟雾传感器；555集成

2、电路；声光报警第1章绪论1.1 论文研究背景、目的和意义 1.1.1 论文研究背景 随着科技的发展，越来越多的安全隐患由工业生产和人们的日常生活而产生。为了更早发现和阻止火灾的发生，防止因火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测电路，严密监测环境中烟雾的浓度，及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和家庭生活安全。也是科学技术和社会发展的必然要求。因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要方向。 1.1.2 论文研究目的和意义 为了提前发现

3、和阻止火灾发生，防止和减少火灾引起的燃烧、爆炸等事故，造成社会严重的经济损失，甚至危及人的生命安全。因此，研究烟雾的检测方法与烟雾报警器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。本设计中的烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度并具有声光报警功能的电路。该报警电路是石油化学工业、有气体泄漏可能的生产工厂及家庭防火防爆必备的仪器。因此研究新型、性能稳定、准确监测可燃性气体，并符合国家相关规定的报警器具有极其重要得意义。1.2 国内外发展状况 我国在70年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器，产品数量也在不断增加。但主

4、要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品稳定性上也有很大进步。国外从20世纪30年代开始研究并开发烟雾传感器，且发展迅速，一方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提高；另一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计，美国1996年2002年烟雾传感器年均增长率为27%30%。随着传感器生产工艺水平逐步提高，传感器日益小型化、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推广。 烟雾报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、有毒

5、有害烟雾报警器三大系列产品。1.民用火灾烟雾报警器 民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇到火灾产生的烟雾时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时联动外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外。 2.工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根据检测环境的不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。 第2章方案论证2.1 设计方案的介绍烟雾报警电路是能够检测环境中的烟雾浓度，若达到一定的值时具有报警功能的电路。根据烟雾报警电路的设计要求，在本次的设

6、计中有两种设计方案可选择:一种是由555时基集成电路为核心器件构成的烟雾报警电路，另一种是由LM324集成电路为核心器件构成的烟雾报警电路。以下是对两种不同设计方案的介绍。2.1.1 方案一以555时基电路为核心的报警电路此方案电路的最基本部分是由直流稳压电源、气敏烟雾传感元件和触发电路、声光报警电路等组成。其中，电压降压、整流与稳压电路是由变压器、桥氏整流电路、三端集成稳压器CW7805等器件组成。触发电路和报警电路由可控多谐振荡器(555集成电路)和蜂鸣器等组成。电路选用MQ-2型烟雾传感器实现对烟雾的检测，且其也适用于煤气、天然气、汽油、醇、醚类及各种烟雾的报警，其具有灵敏度高、响应快、

7、抗干扰能力强等优点，且价格低廉，使用寿命长。由于气敏元件工作时要求其加热电压相当稳定，所以利用CW7805三端集成稳压器对气敏元件加热灯丝进行稳压，且要求开机预热3分钟，使报警器能稳定地工作在额定的电压范围内，使电路省电且可靠性更高。其组成框图如图2-1所示：图2-1 电路组成框图本方案是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用价值。2.1.2 方案二以LM324集成电路为核心构成的报警电路。此方案的电路组成框图如图2-2所示，整个电路分为电源、检测、定时报警输出三部分。电路的结构较为简单。其核心的元件是烟雾传感器和LM324集成电路。电源部分是由变压器

8、、电桥、CW7805集成电路、CW7810集成电路几部分构成的。电路检测部分是由烟雾传感器和一个电位器组成，报警电路是由LM324集成块、三极管及扬声器组成。在此方案中烟感元件采用HQ-2气敏管，在电路加点的瞬间，气敏管可能会导通一下，但如果长期搁置时再使用时，没有遇到烟雾时元件的电阻也可能会变小，所以需要预热10分钟的初始稳定时间后才能正常工作。因此，此电路的稳定性不是很高，灵敏度不是很高，容易出现误报警动作。使用的范围有一定的局限性。图2-2 电路组成框图2.2 设计方案的选定根据对前面介绍的两种方案的分析得出，方案一中的555时基电路比方案二中的LM324集成电路性能稳定，电路结构较严密

9、，且更加符合实际中的使用需要。在方案二中在电源部分没有电源的指示灯，在使用中可能会对使用者带来不便，而在电路的报警部分，由于元件和电路本身的问题，可能会在电路的运行中会出现误报警的错误，且在电路的报警电路中，电路的设计中只有指示灯为报警信号。用户在使用时可能不会很容易就发觉出现烟雾的情况，引发火灾，从而带来人身和财产上的损失。相反，在方案一中，设计里面的各个部分的设计考虑的较为严密，在电源部分使用CW7805三端稳压集成电路，产生稳定的5V电压，并且在集成块的两端加上一个反向的二极管，以保护三端稳压集成块，防止过高的电压击穿集成块。在烟雾检测电路部分，采用灵敏度较好的MQ-2型烟雾传感器，以确

10、保整机在工作时不会出现因电路本身而产生的故障。在电路的报警部分，采用较为稳定的555时基电路作为电路的核心器件，在有报警指示灯的基础之上还加入了蜂鸣器，以提醒用户能够及时发现烟雾所引起的事故，以保障安全，使整机的作用得到最大的发挥，满足用户的使用需求。且方案本身是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉等优点的烟雾报警电路，且具有一定的实用价值。根据对两种方案烟雾报警电路应具备的功能要求的比较得出，方案一比方案二的电路设计好。所以在本次的毕业设计中采用第一种方案进行电路的设计，使整机电路更符合设计的要求。第3章单元电路设计3.1 电源电路设计在本设计中采用直流稳压电源为整机供电，直流稳压电源

11、是一种将220V交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个部分共同完成。电路方框图如图3-1所示。根据电路的需要，在电源部分，采用三端稳压集成电路CW7805产生稳定的+5V电压，为整机供电。在三端稳压器两端加入一个二极管，防止过高的电压击穿稳压器。电源电路原理图如图3-2所示。图3-1 直流稳压电源的方框图图3-2 电源电路原理图3.1.1 变压器电源变压器：本设计中运用的是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合电路需要的+12V交流电压，并送给整流电路进行整流。它有两个共用一个铁芯的线圈，即初级线圈和次级线圈。变压器的变压比由变压器的初级和次级线圈电压确

12、定，当初级线圈通上交流电时，变压器铁芯产生交变磁场，次级线圈就产生感应电动势。变压器的线圈的匝数比等于电压比。电压变压器结构图如图3-3所示：图3-3 电压变压器结构图3.1.2 桥式整流电路整流电路：利用二极管的单向导电元件，把50Hz、220V的正弦交流电变换成脉动的直流电。在设计中整流电路采用二极管单相全波整流电路，电路如图3-4所示。在U2的正半周内，二极管D1、D3正偏导通，D2、D4反偏截止；在U2的负半周内，D2、D4正偏导通，D1、D3反偏截止。正负半周内部都有电流流过负载电阻RL，且方向是一致的。每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值

13、的一半。图3-4 单相桥式整流电路3.1.3 滤波电路滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以电容C应该并联在负载两端。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，从而改善了直流电压的质量。本设计中采用单相桥式整流电容滤波电路。电容滤波电路如图3-5所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。电容滤波波形如图3-6所示。输出电压为：U01.2U2 图3-5 单相桥式电容滤波电路 图3-6 单相桥式电容

14、滤波波形图3.1.4 三端集成稳压电路稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化，从而使整机的供电正常。在本设计中采用CW7805三端稳压集成电路。只有三个端子，即输入端、输出端和公共端，称为三端集成稳压器。它的电路符号如图3-7所示，封装形式如图3-8所示。 图3-7 电路符号 图3-8 封装图三端固定输出集成稳压器7805的两种稳压方式如图3-9所示。在本设计的应用中采用正稳压的连接方式。图3-9 三端固定输出集成稳压电路3.2 烟雾检测电路设计烟雾传感器属于气敏传感器，是气电变换器，它将烟雾及气体在空气中的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号，通过

15、烟雾传感器将模拟信号送到555集成电路中，进而由555集成电路完成数据处理及报警控制等工作。烟雾传感器作为烟雾检测报警电路的信号采集部分，是电路中的核心组成部分之一。由此可见，传感器的作用在检测电路和整个电路中都是至关重要的。3.2.1 气体传感器的介绍1.气体传感器的分类 气体传感器种类繁多，从检测原理上可以分为三大类：(1)利用理化性质的气体传感器：如半导体气体传感器、接触燃烧气体传感器等。 (2)利用物理性质的气体传感器：如热导体气体传感器、光干涉气体传感器、红外传感器等。 (3)利用电化学性质的气体传感器：如电流型气体传感器、电势型气体传感器等。2.气体传感器应满足的基本条件一个气体传

16、感器可以是单功能的，也可以是多功能的；可以是单一的实体，也可以是由多个不同功能传感器组成的阵列。但是任何一个完整的气体传感器都必须具备以下条件： (1)能选择性地检测某种单一气体，而对共存的其它气体不响应或低响应。 (2)对被测气体具有较高的灵敏度，能有效地检测允许范围内的气体浓度。(3)对检测信号响应速度快，重复性好。(4)长期工作稳定性好。 (5)使用寿命长。 (6)制造成本低，使用与维护方便。3.2.2 烟雾传感器的选定 烟雾报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气站、喷漆作业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾种类的要求，一般选用接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。

17、采用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。阻缓是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的传感器再放回新鲜空气环境中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。因此按期对探头进行标定，是必须且有效的办法。一般连续使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作

18、为敏感体制作的烟雾传感器，以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点更加突出，且不会发生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体烟雾传感器中，根据各方面的要求，本设计选用MQ-2型烟雾传感器。3.2.3 半导体烟雾传感器简介1.半导体烟雾传感器的结构、外形、分类本设计中采用的MQ-2型烟雾传感器属

19、于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。当其处于200300时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒大小受到该烟雾的浓度的变化而发生变化，相应的就会引起电导率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息。遇到可燃烟雾（如CH4等）时，原来吸附的氧脱附，而可燃烟雾以正离子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放出电子，烟雾以正离子状态吸附也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自动恢复氧的负离子吸附，使电阻值升高到初始状态。这就是M

20、Q-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。MQ-2型传感器的结构如图3-10所示。图3-10 MQ-2型传感器的结构图半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器以及用单晶半导体制作的烟雾传感器。烟雾传感器外形如图3-11所示。按敏感机理分类，可分为电阻型和非电阻型。半导体气敏元件也有N型和P型之分。N型在检测时阻值随烟雾浓度的增大而减小；P型阻值随烟雾浓度的增大而增大。它具有灵敏度高、响应快、体积小、结构简单、使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感器的性能主要是其灵敏度、选择性和稳定性。半导体烟雾传感器的分类如表3-1所示。图3-11 烟雾传感

21、器外形图表3-1 半导体烟雾传感器的分类主要物理特性传感器举例工作温度代表性被测气体电阻式表面控制性氧化锡、氧化锌室温450可燃性气体体控制型氧化钛、氧化钴 氧化镁、氧化锡300450700以上酒精、可燃气体、氧气非电阻式表面电位氧化银室温硫醇二极管整流特性铂/硫化镉、铂/氧化钛室温200酒精、一氧化碳、氢气晶体管特性铂栅MOS场效应管150氢气、硫化氢2.MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 (1) MQ-2型传感器的一般特点： MQ-2型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定、响应时间短、长时间工作

22、性能好。 MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精、粉尘等。 电路设计电压范围宽，18V以下均可；加热电压50.2V。 (2) MQ-2型传感器的特性参数： 回路电压：(Vc)518V 取样电阻：(RL)0.120K加热电压：(VH)50.2V加热功率：(P)约750mW 灵敏度：以甲烷为例R0(air)/RS(0.1%CH4)5 响应时间：Tres10秒 恢复时间：Trec30秒 3.2.4 烟雾检测电路烟雾检测电路是整机电路中最重要的组成部分之一，它的的核心元件是MQ-2型烟雾传感器。烟雾传感器的工作电压由直流稳压电源输出的+5V电压供给。在使

23、用时，将电位器R3的灵敏度调节到最高，当电路处于无烟雾的情况下，烟感元件MQ-2的极片A-B间的阻值较大，该电阻与R3的分压减小，相应使555脚处于低电平，555停振，LED指示灯和蜂鸣器不工作。当烟感元件检测到一定浓度的可燃性气体或烟雾时，其烟感元件极片A-B间的电阻降低，从而使该电阻与R3的分压上升，相应555脚电位上升，当脚的电位上升到2.8V以上时，即电压超过临界值。烟雾传感器将检测到的烟雾信号转换成电信号，最后传输到555时基集成电路中，经过由555时基电路组成的多谐振荡器处理后，由报警电路中蜂鸣器和LED灯发出报警。烟雾检测电路如图3-12所示：图3-12 烟雾检测电路3.3 55

24、5时基集成电路3.3.1 555时基电路简介555集成时基电路称为集成定时器，是一种数字模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需要外接少量的阻容元件就可以构成单稳、施密特触发器和多谐振荡器，因而广泛应用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电路标准的使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器

25、。双极型的电源电压是+5V+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V+18V。555集成电路内部结构如图3-13所示：图3-13 555集成电路内部结构555集成电路是双列直插型8引脚封装，引脚排列方式如图3-14所示。在本设计中选用型号为NE555的集成电路芯片，各引脚功能为：1脚是地端(GND)；2脚称触发端()，是下比较器的输入；3脚是输出端(OUT)，它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；4脚是复位端()，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(CO),可用它改变上下触发电平值；6脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；7脚是放电端(D)，它是内部

26、放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；8脚是电源端(Vcc)。图3-14 555集成电路外引脚排列图3.3.2 555时基电路的工作原理555电路的内部电路含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关VT，比较器的参考电压由三只5K的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为和。C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。为复位端，当=0时，定时器输出OUT为0。当=1时，定时器有以下几种功能：(1)当高触发端，且低触发端时，比较器C1输出为低电平；C1输出的低电平将RS触发器置为0状态，即Q=0 ，使

27、得定时器输出OUT为0，同时放电管VT导通。(2)当高触发端，且低触发端时，比较器C2输出为低电平，C2输出的低电平将RS触发器置为1状态，即Q=1，使得定时器的输出OUT为1，同时放电管VT截止。(3)当高触发端，且低触发端时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。根据以上分析，同时得出555定时器的功能表见表3-2所示。表3-2 555定时器的功能表输入输出THOUTVT00导通10导通1不变不变11截止3.3.3 555时基电路的工作模式在本机中采用555时基电路构成的多谐振荡器工作模式对由烟雾信号转化成的电信号进行处理，如图3-15所示，由555定时器和外接元件R1、R2、C构

28、成多谐振荡器，脚2与脚6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端Dc放电，使电路产生振荡。电容C在和之间充电和放电，从而在输出端得到一系列的矩形波，对应的波形如图3-16所示： 图3-15 555构成多谐振荡器 图3-16 多谐振荡器的波形图输出信号的振荡周期T是： T=tw1+tw2tw1=0.7（R1+R2）C tw2=0.7R2C 根据电路的参数要求，计算出输出信号的振荡周期是T=8.33ms,频率为f=1.2HZ。其中，tw1为Vc由上升到所需的时间，tw2为电容C放电所需的时间。555电路要求R1与R2

29、均应不小于1K，但两者之和应不大于3.3M。外部元件的稳定性决定了多谐振荡器的稳定性，555定时器配以少量的元件即可获得较高精度的振荡频率和较强的功率输出能力。因此，这种形式的多谐振荡器应用很广。3.4 声光报警电路为使报警电路更加完善，在声音报警的基础上，加入LED光闪报警，变化的光信号可以引起用户注意，以弥补嘈杂环境中声音报警的局限性。声光报警电路图如图3-17所示。红灯不亮、蜂鸣器没有鸣叫表示电路处于无烟状态，环境中烟雾浓度极低。红灯闪亮和蜂鸣器发出鸣叫，表示环境中烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快采取相应安全措施。若浓度仍超出报警限，报警器会一直鸣叫，LED灯会一直闪烁以此来提醒用户。

30、用户到达现场后，可断开电源，报警器停止报警。报警电路采用蜂鸣器和LED灯。蜂鸣器：声音响亮，适用于烟雾报警声音源。LED灯：功耗小，节约能量。图3-17 声光报警电路图3.5 整机电路的工作原理设计中的烟雾报警电路主要由烟雾传感器和555集成电路及分立元件组成，电路将检测到的烟雾信号转化成电信号，经过555时基集成电路进行电位分析，判断电位是否大于或等于某个预设值(也就是临界报警值)。为方便调节临界报警值，在烟雾传感器检测电路部分安装了电位器。以下是电路的工作方式与过程：当电源开关闭合后，交流电经过降压、整流、滤波、稳压四个过程后，产生12V和5V的直流电压，给单元电路和整机供电。电路经预热3

31、分钟后，整机进入工作状态。当电路处于无烟雾的情况下，烟感元件MQ-2的极片A-B间的阻值较大，该电阻与R3的分压减小，相应使555脚处于低电平，555停振，LED指示灯和蜂鸣器不工作。当烟感元件接触到可燃性气体或烟雾时，其烟感元件MQ-2极片A-B间的电阻值降低，从而使该电阻与R3的分压上升，相应555脚电位上升，当脚的电位上升到2.8V以上时，555起振，其振荡频率f=1.44(R4+2R5)C5。相应555的输出端脚的输出信号驱动报警电路发出报警，直到烟雾消失后电路才能恢复正常。烟雾报警整机电路如附录1所示。第4章电路仿真与调试电子仿真软件MultiSIM10是由美国国家仪器公司(NI公司)公司推出，而在本次的毕业设计中就运用电子仿真软件MultiSIM10进行虚拟仿真，软件中有许多传感器或新器件，只需要知道它们的特性和在电路中的作用，可以采用相似的元件代替进行仿真，这样可以大大地拓宽电子仿真软件MultiSIM的应用范围。软件在仿真时并不存在损坏和烧毁元件、仪器等问题，只要电路