烟雾报警器.docx

1、烟雾报警器枣庄学院论文题目：烟雾报警器设计系 部： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2014级升本一班 姓 名： 杨学明 201415310144 杨凯 201415310143 赵洪博 201415310149 李小强 201415310116 马鹏程 201415310121 季德程 201415310111 目 录一 绪论 1.1烟雾报警器的发展* 3 1.2传感器的重要作用* 3二 QM-N5气体传感器2.1气敏传感器QM-N5元件的介绍* 42.2使用方法及注意事项* 6三 555集成电路3.1 555集成电路原理详细介绍说明* 73.2 555组成的单稳态

2、触发器电路及原理* 8 3.2.1电路组成* 8 3.2.2工作原理* 8四 报警器的设计4.1系统方案图设计* 104.2电源电路设计* 104.3火灾烟雾报警器电路设计* 12 4.3.1 工作原理* 12 4.3.2 元件选择* 12 4.3.3 安装调试* 12五 程序* 13六 总结* 13七 谢辞* 14八 参考文献* 15烟雾报警器设计摘 要摘 要：火灾作为一种发生频率高、破坏性强的灾害,受到人们的大力重视。随着经济和城市的建设的快速发展,城市高层,地下建筑以及大型综合性建筑日益增多,火灾隐患也大大增加,火灾的数量及造成的损失呈逐年上升趋势。火灾自动报警系统,作为火灾的先期预报、

3、火灾的及时扑灭、保证人身和财产的安全,起到了不可替代的作用。随着电子技术,传感器技术、通信技术、集成电路、微电子技术日臻完善,火灾自动报警系统迎来了良好的发展契机,其智能化程度也越来越高。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。关键字：QM-N5气体传感器; 555集成电路一、绪 论1.1烟雾报警器的发展随着科技的发展，越来越多的巨大的隐

4、患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。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仪表，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。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。 1.2 传感器的重要作用信息技术已成为当今全球性的战略技术，作为各种信息的感知、采集、转换、传输和处理的功能器件传感器，已经成为各个

5、应用领域，特别是自动检测，自动控制系统中不可缺少的核心部件。传感器技术正深刻影响着国民经济和国防建设的各个领域。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和自动控制的主要环节，是信息的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。现在，传感器技术与信息技术，计算机技术并列成为支撑整个现代信息产业的三大支柱。可以设想，如果没有高度保真和性能可靠的传感器，没有先进的传感器技术，那么信息的准确获取就成为一句空话。信息技术和计算机技术就成了无源之水。目前，从宇宙探索，海洋开发，环境保护，灾情预报到包括生命科学在内的每一项现代科学技术的研究以及人们的日常生活等，几乎无一不与传感器和传感器技术紧

6、密联系着。可见，应用，研究和开发传感器技术是信息时代的必然要求。因此，可以毫不夸张的说：没有传感器及其技术将没有现代科学技术的迅速发展。二、 QM-N5气体传感器2.1 QM-N5气敏元件QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。a 实物图 b 引脚图图2.1.1 QM-N5气敏传感器实物图和引脚图其中：a为实物图、b为引脚图图b中：1脚和3脚并联，记做B；4脚和6脚并联，记做A2脚记做f、5脚记做f，ff之间加热电源A、 B作为输出端其具体连线如图2.1.2所示图2.1.2 QM-N5气敏传感器连线图

7、特点：1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）2、 灵敏度高3、 响应速度快4、 输出信号大5、 寿命长，工作稳定可靠QM-N5技术指标如下表2.1表2.1 QM-N5技术指标及其详细参数 加热电压（VH） AC或DC 50.2V响应时间(tres)10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间(trec)30S 负载电阴（RL）2K元件功耗0.7W清洁空气中电阻 （Ra） 2000 K检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年QM-N5型半导体气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件,当元件接触还原

8、性气体时,其电导率随气体浓度的增加而迅速升高.1) 特点用于可燃性气体的检测(CH4,C4H10,H2等)灵敏度高响应速度快输出信号大寿命长,工作稳定可靠2) 技术指标加热电压(VH) AC或DC 50.5V回路电压(VC) 最大DC 24V负载电阻(RL) 2K清洁空气中电阻(Ra) 4000K灵敏度(S=Ra/Rdg) 4(在1000ppmC4H10中)响应时间(tres) 10S恢复时间(trec) 30S检测范围 50-10000ppm3) 基本测试电路图2.1.32.2使用方法及注意事项1) 元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用

9、,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决.2) 加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳.3) 元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(Vdg- Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4 H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢复时间).4) 符号说明检测气体中电阻- Rdg 检测气体中电压- VdgRdg 与Vdg的关系: Rdg=RL(VC/Vdg-1) 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. 使用条件:温度-1535;相对湿度4575%RH;大气压力

10、80106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用. 使用元件前请详细参看本说明。7 三、555集成电路3.1 555集成电路原理详细介绍说明在数字系统中，为了使各部分在时间上协调动作，需要有一个统一的时间基准。用来产生时间基准信号的电路称为时基电路。时基集成电路555就是其中的一种。它是一种由模拟电路与数字电路组合而成的多功能的中规模集成组件，只要配少量的外部器件，便可很方便的组成触发器、振荡器等多种功能

11、电路。因此其获得迅速发展和广泛应用。时基集成电路555工作原理如下：图a所示为555时基电路内部电路图。管脚排列如图b所示。整个电路包括分压器，比较器，基本RS触发器和放电开关四个部分。图3.1 555定时器内部框图及引脚排列4 （1）分压器 由三个5kW的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC（8端），下端接地（1端），为两个比较器A1、A2提供基准电平。使比较器A1的“+”端接基准电平2VCC3（5端），比较器A2的“-”端接VCC3。如果在控制端（5端）外加控制电压。可以改变两个比较器的基准电平。不用外加控制电压时，可用0.01mF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。（2）比较器A1、

12、A7是两个比较器。其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大于2VCC3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。当低电平触发端（2端）的触发电平略小于VCC3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。（3）基本RS触发器 比较器A1和A2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD和SD。因此，基本RS触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。图中的4端是低电平复位端。在4端施加低电平时，可以

13、强制复位，使Q=0。平时，将4端接电源VCC的正极。（4）放电开关图中晶体管VT构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS触发器的Q端。当Q=0时，VT截止；当Q=1时，VT饱合导通。可见晶体管VT作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。 从CA555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5k电阻组成的分压器的上端，电压为2/3VDD；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电1/3VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/

14、3VDD和2/3VDD。VTl4-VTl7与一个4.7k的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。 对等效功能电路和CA555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表，其详细参数如下表3.1。表3.1引脚26437电平1/3VDD1.4V*高电平悬空状态电平1/3VDD2/3VDD1.4V低电平低电平电平2/3VDD1.4V保持电平保持电平*0.3V低电平低电平由表可看出，S、R、MR的

15、输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色 1 3.2 555组成的单稳态触发器电路及原理3.2.1电路组成 图3.1所示是用555定时器构成的单稳态触发器。R、C是定时元件，ui是输入信号，下降沿有效，加在555的 端，u0是输出信号。3.2.2 工作原理 （1）没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号即ui为高电平时，电路工作在稳定状态Q=0、=1,u0=UOL , TD饱和导通。若接通电源后，ui=UiH , 555定时器中基本RS触发器是处在0状态，即Q=0、=1 、u0=UOL 、TD 饱和导通，则这种状态将保持不变。若接通电源后，ui=UiH ，5

16、55定时器中基本RS触发器是处在1状态，即Q=1、=0 、u0=UOH 、TD 截止，则这种状态是不稳定的，经过一段时间之后，电路会自动地返回到稳定状态。因为TD截止，电源VCC会通过R对C进行充电，uC将逐渐升高，当uc=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，将基本RS触发器复位到0状态，Q=0、 =，U0=UOL为低电平，TD饱和导通，电容C通过TD迅速放电，使uc0,即电路返回到稳态。（2）Ui下降沿触发当Ui下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态Q=1、= .u0=UOH、 TD截止。因为ui=由高电平跳变到低电平时，比较器C1的输出跳变为0，基本RS触发器立刻被置成

17、1状态，立即稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C充电的渐变过程，充电回路是 VCCRC地，时间常数为1=RC，在电容上电压uc=uTH上升到2VCC/3以前，显然电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间随着C充电过程的进行，uC=uTH逐渐上升，当uC=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到0状态，即Q=0、=1 、u0=UOL、 TD饱和导通，暂稳态结束。（5）恢复过程 当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数2RCESC（RCES是TD的饱和导通电阻，很小），经352后，C放电完毕，U

18、C UTH 0，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可 接收新的输入触发信号。1 四、报警器的设计4.1 系统方案图设计4.1 火灾烟雾报警器系统设计方案框图4.2电源电路设计4.2 电源电路图 3 6本系统使用外部220V交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器CW317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9V。可调式三端稳压器CW317，其特征参数Vo=1.2V3.7V，Iomax=1.5V，最小输入、输出压差（Vi-Vo）min=3V，最大输入、输出压差（Vi-Vo）max=40V。 R1与RP1组成电压输出调节电路，输出电压V

19、o为：V01.25(1+RP1/R1) (1)R1的值为120-240，流经R2的波动电流为5mA10mA，RP1为精密可调电位器，电容C3与RP1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管D5的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。集成稳压器的输出电压Vo与稳压电源的输出电压相同，稳压器的最大允许电流ICMV0min+(Vt-V0)minVtV0max+(Vt-V0)max （2）式中，Vomax为最大输出电压，Vomin为最小输出电压，（Vi-Vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差，（Vi-Vomax）为稳压器的最大输入、输出电压差。由式（1）可得Vo1.25（1+RP1/R1），

20、取R1=240，则RP1max=1.49K，故取RP1为4.7K的精密线绕可调电位器。由式（2）可得输入电压Vi的范围为V0max+(Vt-V0)minViV0max+(Vt-V0)max 9V+3VVi3V+40V 12VVi43V （3）副边电压V2Vimin/1.1=12/1.1V，取V2=11V，副边电流I2Iomax=0.8A，取I2=1A，则变压器副边输出功率P2I2V2=11W，查表之后可以知道变压器的效率=0.7，则原边输入功率P1P2/=15.7W。为留有余地，选功率为20W的电源变压器。整流二极管D1，D2，D3与D4选IN4001，滤波电容C1，C2可以取2200F/25

21、V的电解电容。应在变压器的副边接入保险丝FU，以防电路短路损坏变压器或其他器件。4.3 火灾烟雾报警电路设计 3 64.3.1工作原理： 电路如图所示。采用QM-N5气敏传感器，实现气电转换，555时基集成电路及其周围元器件组成触发电路和报警电路。由于气敏元件工作时，要求其加热电压相当稳定，所以利用12v电源对气敏元件的加热丝进行稳压，报警器就能稳定地工作在180-260v范围内。电路工作时，由555时基电路组成自激多谐振荡器，利用它的复位端进行触发。当气敏元件接触到可燃气体和烟雾时，其阻值降低，使555时基电路复位端即4脚电压上升，当电压达到555时基电路电源电压Ucc的1/3时，其输出端即

22、3脚输出高电平，驱动扬声器发出报警声。4.3.2元件选择：电源采用蓄电池12v供电。如采用交流电供电，可选输出功率大于5w，二次电压为9v的电源变压器。气敏元件可选用QM-N5气敏传感器或PS810型光电式感烟器等通用性较强的气敏元件，适应于天然气、煤气、液化石油气、一氧化碳及醚类、苯类等挥发性气体及木材、纸张、棉布、塑料制品的燃烧烟雾进行报警。4.3.3安装调试: 把全部元器件按电路图安装无误，调试时，报警器通电预热10余分钟，调节电位器RP（选用小型实心微调电位器），使报警器进入报警器状态，把上述气体接近气敏元件，报警器应发出报警声。调试报警灵敏时把报警器通电10余分钟后，置于密封透明袋中

23、，然后向袋中注入浓度为0.08%的一氧化碳标准气体，观察报警器是否报警。若数分钟后不报警，表明报警器的灵敏度太低，应把电位器RP中心抽头向下微调一些。重复上述操作，直到报警器报警为止。最后，把一氧化碳标准气体的浓度降到0.06%，重复上述操作，报警器应当不报警。 五 程序#include#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintuinttt;uchartemp;/sbitAD_Out=P33;/TLC549输出端/sbitCS=P31;/TLC549片选信号/sbitAD_In=P32;sbitCS=P30;/将CS位定义为P3

24、.0引脚sbitCLK=P36;/将CLK位定义为P3.6引脚sbitDIO=P37;/将DIO位定义为P3.7引脚sbitE=P22;/1602使能引脚sbitRW=P21;/1602读写引脚sbitRS=P20;/1602数据/命令选择引脚sbitlv=P12;sbitjdq=P14;sbitSWITCH=P11;sbitBEEP=P13;/*voiddelay()inti,j; for(i=0;i=10;i+)for(j=0;j0;i-)/变量i由实际参数传入一个值,因此i不能赋初值for(j=0;j0;i-)/变量i由实际参数传入一个值,因此i不能赋初值for(j=0;j0;j-)/蜂

25、鸣器响大约500MSBEEP=BEEP;Delayst(2000);/延时500US发出大约1KHZ频率的响声BEEP=0;/蜂鸣器不响Delay2(500);/将实际参数500传递给形式参数i,延时500ms也就是0.5S/lv=0;/jdq=1;*名称:Delay()*功能:延时,延时时间为1ms*del*输入:del*输出:无六 总结该设计的家用可燃性气体泄露报警，采取了单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，从而该设计的燃气报警装置有较高的性价比。该智能可燃性气体报警器具有较好的性能，并且价格低廉，适应市场上可燃性气体报警器发展的方向所以其应用前景广

26、阔。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.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七 谢 辞毕业设计能够如期完成，我的指导老师尹相雷老师给我了极大的帮助与支持。尹老师学识渊博，学风严谨，待人宽厚。在我遇到困难时能耐心解答直至我明白。尤其在我刚拿到一个带有陌生专业术语的题目想退缩时，尹老师的一翻教导令我受益匪浅。让我明白，没有付出，就没有回报的真谛。还有，人要不断的接受新知识，学习新知识，这样才能在以后的人生道路上