電路課程設計——煙霧報警器

1、北京交通大學電子課程設計報告煙霧報警器一，問題背景 當發(fā)生火災或可燃氣體泄漏時，為了減少危害，我們需要煙霧氣體報警器這一裝置。一旦檢測到遇到煙霧或可燃氣體,煙霧報警器可立即發(fā)出聲光來警示人們，同時還可以通過接口自動實現(xiàn)滅火，斷氣操作，保障生命和財產(chǎn)安全。煙霧報警器具有廣泛的應用價值和意義.我們這次課程設計就是嘗試掌握其原理，設計一個初級的煙霧報警器。二，設計目的 1，了解傳感器的基本知識，掌握傳感器的使用方法；2,進一步加深對模擬電路基礎理論和數(shù)字電路基礎理論的理解；3，掌握比較器和振蕩器的設計方法;4,提高認識一些器件手冊并運用這些器件的能力.三,設計要求1，基本部分: 1）電源電壓不限，可

2、以使用交流或直流電源； 2)有氣體和煙霧時進行報警，無氣體和煙霧后仍然維持報警，直至重新上電后才撤消報警； 3)氣體和煙霧報警以不同的聲光加以區(qū)分； 4）氣體和煙霧報警分別設置斷氣、滅火驅動接口； 5）顯示報警時間。2，發(fā)揮部分： 1）可以通過無線方式向遠端發(fā)送報警信息，無線傳輸所使用的信號調制、解調方式不限,可以使用成品模塊; 2）多個報警器報警時互相不影響，在接收端各自有獨立的聲光指示；3，設計任務: 1)設計,安裝、調試所設計的電路； 2）畫出完整電路圖，詳細說明電路原理，寫出設計總結報告。四，設計原理1，原理框圖氣敏傳感器報警聲光顯示報警時間顯示報警處理邏輯2，原理描述 當發(fā)生火災或可

3、燃氣體泄漏，傳感器遇到煙霧或可燃氣體時,將產(chǎn)生電信號。信號通過邏輯處理模塊使能聲光顯示及計時模塊，實現(xiàn)煙霧報警功能.五，設計方案 1， 設計總圖 當傳感器遇到可燃氣體或煙霧時，比較器的輸出由低變高,通過無線發(fā)射模塊發(fā)射信號，無線接收模塊接收到信號，使能聲光報警及計時，由于觸發(fā)器的保持功能，所以聲光報警及計時延續(xù)到重新上電。 考慮到時間和成本，我們只制作了可燃氣體的報警，煙霧報警原理完全一樣,只需加上煙霧的信號產(chǎn)生電路及不同的聲光報警（加以區(qū)別），無線發(fā)射和接收模塊上已經(jīng)有相關的接口和通道。2,各子模塊的實現(xiàn)方案1） 信號的產(chǎn)生部分主要器件:QM-NG1氣敏傳感器， LM324，電阻若干。 傳感

4、器比較電路由于市場上氣體傳感器的選擇不多，我們只購買到QM-NG1型廣譜型氣體傳感器。QMNG1型廣譜型氣體傳感器.它是采用目前國際上工藝最成熟，生產(chǎn)規(guī)模最大的SnO2材料作為敏感基體制作的廣譜型氣體傳感器。它的最大特點是對各種可燃性氣體（如氫氣、液化石油氣、一氧化碳、烷烴類等氣體）以及酒精、乙醚、汽油、煙霧等有毒氣體具有較高的敏感性。QM-NG1的標準工作條件如下：加熱電壓（VH)5±0.2V（AC.DC）回路電壓（VC)10V（最大DC24V)負載電阻(RL）2K(可自定)清潔空氣中電壓(VO)1.5V靈敏度3響應時間(tres）10S恢復時間（trec）30S元件功耗0.7W使

5、用壽命5年 QMNG1的外觀及內部構造如下:其有三對對稱管腳，一對為電感，兩端接標準電壓，另兩對相同,為電容，一端接電源正，另一端接負載電阻（根據(jù)參數(shù)表可設計為2k)。當遇到可燃氣體時，傳感器反應為電阻由很大變?yōu)楹苌?從而產(chǎn)生電位變化（負載端電位瞬間變大）。 通過以比較器將變大的電位轉換為低電平向高電平轉變，這樣就達到了信號產(chǎn)生的目的。簡單的運放就能設計一個比較器， LM324物美價廉,自然便是理想的選擇。如是，得到如下電路圖： 接通電源，預熱約2分鐘,當氣敏傳感器遇到可燃氣體后，LM324的3端電壓迅速增大，從而比2端電位高，輸出端由低變高。2） 無線發(fā)收部分主要器件:PT2262編碼及F0

6、5P發(fā)射集成模塊,PT2272解碼及J04V接收集成模塊. 集成模塊構成及功能。 為了使電路簡單并可靠，我們選用了F/J模塊，此模塊的調制方式為ASK，功率低，穩(wěn)定性不錯，無線發(fā)射部分采用PT2262編碼，F(xiàn)05P發(fā)射，采用應用廣泛成熟的電路。數(shù)據(jù)可由1013腳任意一腳輸入，18腳為地址編碼.接收部分我們采用對應的PT2272、J04V，只要兩端有同樣的地址碼，2272對應腳就會輸出高電平. 其基本電路圖如下： 通過無線發(fā)射、接收部分我們可以實現(xiàn)多路信號的編碼、調制、解調，應用時從2262兩路（例如10、11腳)分別接氣體、煙霧傳感電路，在2272對應管腳接相應的不同響應電路（聲光顯示的不同加

7、以區(qū)別）,可以實現(xiàn)氣體、煙霧分別報警，互相區(qū)分，互不干擾。也可以接入多個報警器，各報警器在感應報警時互不影響，能分別實現(xiàn)自己的功能。 3） 信號保持部分主要器件： CD4013雙D觸發(fā)器,單刀雙擲開關. CD4013實現(xiàn)信號保持CD4013為集成D觸發(fā)器,其芯片管腳圖及功能表如下：由功能表可知,當R，S端為L，L,CP為上升沿時，次態(tài)與D相同，同時從表中可以看出R為清零端，高電平有效.所以，當Q端接D端時可以實現(xiàn)信號保持電路，并可以清零復位。如下圖：當CP為上升沿時,觸發(fā)器輸出高電平并能保持下去,直到4腳(CD1）接高電平復位。 74LS74 實現(xiàn)信號保持74LS74與的功能與CD4013相同

8、,只是不同系列的芯片而已,其封裝和功能表如下:輸 入輸 出CPD01××1010××0100××不定不定1111011001同樣的得到如下信號保持電路： 相比之下,CMOS系列的芯片高低電平更明顯,且價格低，功率低，所以我們選擇了CD4013作為信號保持電路。4） 聲光顯示部分主要器件：NE555,發(fā)光二極管，1uF電解電容,10nF陶瓷電容,蜂鳴器,電阻若干.555諧振電路 555定時器構成振蕩器是最常用的諧振電路,振蕩器輸出的脈沖接通蜂鳴器與發(fā)光二極管就可以模擬出報警聲及燈光閃爍效果。下面是555的管腳及功能表：TH：閾值輸入端T

9、R:觸發(fā)輸入端CO：控制電壓輸入端OUT:輸出端DIS： 放電端RST： 復位輸入端 55 上圖為一基本的諧振電路,其振蕩周期為: T=0.7R1+2R2 C 充電時間為： t=0.7R1+R2 C 放電時間為： t=0.7R2C 為了聲光效果能更逼真，需要放電的時間比充電的時間長，需要調整R1,R2，C三個參數(shù)。經(jīng)過仿真得到如下電路圖: 上圖中555的4腳（RST）為控制端，當4段（RST）為高電平時，555的3腳為輸出端，接蜂鳴器和發(fā)光二極管顯示?？紤]到555的輸出驅動,我們在實驗箱上對這部分進行了驗證，效果很不錯。5） 計時顯示部分主要器件：CD4060，74LS161計數(shù)器,74LS0

10、0與非門，74LS47譯碼器,單刀雙擲開關,七段共陽數(shù)碼管.六十進制計數(shù)器 六十進制計數(shù)器設計的方法有很多選擇，例如，利用74LS161（163),74LS193，74LS90（290），CD4518. 無論使用何種芯片，其原理都是實現(xiàn)如下的狀態(tài)表，并將其譯碼顯示。N低位片狀態(tài)00000100012001030011401005010160110701118100091001 進位脈沖N高位片狀態(tài)0000010001200103001140100501011） 使用74LS161當U4的輸出端QDQCQBQA為1001時,通過與非門得到低電平,使能置數(shù)端實現(xiàn)同步預置0000.同時可以產(chǎn)生一個時

11、鐘脈沖使U5計數(shù)一次.當U5的輸出端QDQCQBQA為0101時,通過與非門得到低電平，使能置數(shù)端實現(xiàn)同步預置0000。這樣就完成了六-十進制計數(shù)器2） 使用74LS193同理，我們可以得到如下電路圖： 這一部分我們在電子鐘里面設計過,十分熟悉?？紤]到清零及設計簡單（使用最少的與非門）,我們選用了74LS161作為最終方案。計時顯示電路 當U4的7腳為高電平時，計數(shù)器開始計時，直到重新通電源清零。注：由于這部分在數(shù)字時鐘中已經(jīng)進行過深入學習,這里不作詳細分析.六，電路焊接與實驗調試1， 電路焊接電路整體分為兩部分：信號產(chǎn)生與發(fā)射和信號接收，聲光顯示及計時，我們分兩塊板子分別焊接。在焊接電路的時

12、候,為了方便調試,我們附加了一些開關和發(fā)光二極管。例如:在計數(shù)顯示,聲光顯示的使能端我們接了電源開關,在無線發(fā)射和接收通道我們分別接了發(fā)光二極管，便于分塊調試和快速發(fā)現(xiàn)問題。2， 電路調試1) 計數(shù)模塊我們非常熟悉，所以我們最先調試這一部分.我們將這一部分直接用開關接電源使能,但是這一部分我們還是遇到了一個棘手的問題:進位脈沖不對，每次都是逢8進位,這個讓我們很不解，無論是從理論上還是MULTSIM仿真軟件的仿真結果來看,都沒有問題,電路上也沒有連接錯誤的地方。經(jīng)過分析，我們發(fā)現(xiàn)我們在設計的時候僅以MULTSIM的74LS161 為標準,其時鐘觸發(fā)方式不同,軟件是下降沿工作，實際的芯片是上升沿

13、工作,為此我們將進位脈沖進行非邏輯運算，最后調試成功.2) 聲光顯示部分,由于在實驗箱上試驗過，調試非常順利，而且效果也很好。對于傳感器信號產(chǎn)生模塊,我們是根據(jù)比較器的三端的電位來調整變阻器的阻值，并多次重復調整,使其靈敏度達到最理想的效果,并且測試其接到無線傳輸模塊的電位，使其也盡可能大. 3) 無線傳輸模塊是集成的,其效果在焊接前已經(jīng)調試過.各模塊的協(xié)同整體調試，讓我們很困惑，有時候效果出來了,有時出現(xiàn)報警中斷，我們一時找不到方向,最后我們將接受模塊端的測試燈去掉了，這樣就解決了問題.七，實驗體會 通過這次課程設計，我們重溫了模擬電路和數(shù)字電路的知識,同時學習了閱讀器件手冊，嘗試利用一些新的器件,體驗了知識的運用實踐.實驗中,我們遇到了不少問題，嘗試解決這些問題,大大鍛煉我們的實踐能力.對于電路的焊接工藝,雖然我們做得不夠好，但是我們在布局,焊接方面有很大的進步. 實際操作與理論是有一定區(qū)別的,實際操作需要基礎知識,更是加深了對知識的理解，這就是我們最大的收獲.八，元件清單