煙霧報警器的設計與制作畢業(yè)論文

1、 我校畢業(yè)設計(論文開題報告 摘 要隨著現(xiàn)代家庭失火、 用電量的增加, 家庭火災發(fā)生的頻率越來越高。 煙霧報 警器也隨之被廣泛應用于各種場合。我國的煙霧自動報警系統(tǒng)經歷了從無到有、 從簡單到復雜的發(fā)展過程, 其智能化程度也越來越高, 且煙霧報警器種類比較煩 多, 主要是由分立器件和單片機控制的煙霧報警器。 鑒于目前家庭中的煙霧問題 以及設計要求, 我們設計了家庭煙霧智能報警系統(tǒng)! 本設計是由分離元器件構成 的煙霧報警器。 它主要由三部分構成:單項橋式整流電路、 氣敏傳感器電路、 555多諧振蕩器電路。 其中傳感器選用半導體傳感器中典型的 MQ-2氣敏傳感器, 通 過振蕩電路構成的報警電路實現(xiàn)對

2、家庭煙霧的檢測, 及時避免由于煙霧造成的財 產和人們的生命安全!關鍵詞 :分立器件 /傳感器 /煙霧 /報警AbstractWith the increase of modern family fire, electricity consumption, family fire frequency is higher and higher. Smoke alarm has been widely applied to various occasions. Automatic smoke detection and alarm system of our country has experien

3、ced from scratch, from simple to complex development process, its intelligent degree is becoming more and more high, and the smoke alarm type more vexed, mainly by discrete device and single-chip microcomputer control smoke alarm. Given the current smoke issues and the design requirements of the fam

4、ily, and we design the intelligent family smoke alarm system! This design is made up of separate components of the smoke alarm. It is mainly made up of three parts: single bridge rectifier circuit, gas sensor circuit, more than 555 harmonic oscillator circuit. The sensor selection semiconductor sens

5、or in typical MQ - 2 gas sensor, through the alarm circuit, composed of oscillation circuit to realize the family smoke detection, in a timely manner to avoid caused by smoke property and people's life safety. Keywords : discrete devices/sensors/smoke/alarm目 錄1 緒論 21.1論文研究背景、目的和意義 2 1.1.1論文研究背景

6、2 1.1.2論文研究目的和意義 3 1.2煙霧報警器的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 4 1.2.1煙霧報警器的國內外現(xiàn)狀 4 1.2.2煙霧報警器的發(fā)展趨勢 5 1.3本論文及設計要達到的要求 662.1煙霧報警器的設計方案及選擇 6 2.1.1設計方案 6 2.1.2方案選擇 82.2電路工作原理 9 2.3電路各部分具體結果和參數(shù)計算 10 2.4煙霧傳感器的選型 142.4.1基本概況 14 2.4.2功能特點 15 2.4.3技術參數(shù) 15 2.4.4煙霧傳感器分類 152.5煙霧傳感器的選定 17 2.6MQ-2型煙霧傳感器的工作原理 18 2.7MQ-2型傳感器的特性及主要技術指標 20

7、 2.8煙霧檢測報警器的功能 22 2.9方案總結 2313.MULTISIM 電路仿真 233.1M ULTISIM 簡介 23 3.2M ULTISIM 的發(fā)展趨勢 23 3.3M ULTISIM 特點 24 3.4煙霧報警器電路仿真分析及結果 254 煙霧檢測報警器的元器件選擇及采購 26 27 27結 論 28參考文獻 29 311 緒論1.1 論文研究背景、目的和意義1.1.1 論文研究背景近年來, 隨著人民生活水平的提高, 家庭自動化、 電氣化的不斷普及, 用火、 用電、用氣十分普遍。 然而, 居民的防火安全意識并沒有隨著家庭的現(xiàn)代化同步 提高,家庭成員對防火知識的匱乏令人擔憂,

8、從而導致因亂接電線、 盲目增大功 率電器、 用火用氣不慎引起的火災事故頻頻發(fā)生。 居民住宅存在的火災隱患更無2法得到及時有效的治理! 煙霧報警器是一種用于檢測煙霧的感應傳感器, 一旦發(fā) 生火災危險,其內部的電子揚聲器便會及時警醒人們。在我國的一些大中城市,幾乎每天都發(fā)生家庭火災,所以防火是每個家庭 必須時刻注意的問題。 假如能根據(jù)每家的實際情況預先采取簡單的防火措施, 一 些悲劇是完全可以避免的。消防部門的統(tǒng)計顯示,在所有的火災比例中,家庭火災已經占到了全國火 災的 30%左右。據(jù)報道:2014.1.28天津市紅橋區(qū)西于莊城防里大街三興里一戶居民家中不慎失火, 一名男子在火災中死亡。11月 5

9、日,啟東市某居民樓內發(fā)生一起煤氣轟然起火事故。一名婦女使用 液化氣過程中,煤氣發(fā)生泄漏。當她再次點燃煤氣灶時,一股火焰瞬間燃燒,其 雙手被燙傷。本月上旬, 港閘區(qū)某出租房內也發(fā)生了一起煤氣事故, 一名男子將 煤氣殘氣倒進衛(wèi)生間的下水管道時正抽著煙,幸虧其躲閃及時未造成嚴重后果。 今年江蘇省淮安市九九消防日的主題為“找火災隱患,保家庭平安” 。臨近 “ 119”消防宣傳日,江蘇省淮安市消防支隊盱眙大隊各種形式多樣的消防宣傳 教育活動也已緊鑼密鼓地開展起來。 通過以上我們不難看出家庭火災對我們大家 生命財產安全的影響,同時也看到了相關部門是非常重視家庭火災的防護! 在 2014年十月下旬, 按照學

10、校的要求, 我們 12級的畢業(yè)生要開始進行畢業(yè) 設計。在陳祖新老師的領導下,我們開始了畢業(yè)設計的工作 ! 因為當時看到供選 的課題后, 立馬將目光轉移到了煙霧報警器上, 因為我覺得目前火災以及家庭火 災這塊很值得我們去研究!通過最后的選題以及老師的要求要通過分立器件做, 我們最終將煙霧報警器的范圍縮小到了研究家庭火災以及小范圍的等更貼近我 們生活的家庭煙霧報警器!1.1.2 論文研究目的和意義眾多數(shù)據(jù)表明,采用家用煙霧報警器的好處有:1. 可以再著火是迅速發(fā)現(xiàn) 火災 ;2. 減少人員傷亡率 ;3. 減少火災損失,火災損失往往僅限于首先著火的物 質。各項火災統(tǒng)計還表明, 著火與發(fā)現(xiàn)火災之間的間隔

11、時間越短, 火災死亡率就 越低。 事實上, 受煙霧報警器保護的家庭火災死亡率低于那些沒有這種保護的家3庭火災死亡率。綜上情況可知, 在民用住宅中使用煙霧報警器是必不可少的。 現(xiàn)針對我國民 用住宅缺乏使用煙感器意識的現(xiàn)象提出以下建議:一、國家立法部門可制定相應法規(guī),強制民用住宅區(qū)域安裝煙感器 ; 另外, 政府參與調節(jié)煙感器的售價幅度, 適當給予補貼政策, 讓普通家庭都能承受并愿 意去購買。二、針對居民對住宅防火如此無知,政府相關部門深入開展社會宣傳工作, 向居民廣泛宣傳住宅防火的重要性、 必要性及具體措施。 大力發(fā)動民宗安裝住宅 煙感器,直到國內城鄉(xiāng)居民住戶全部普及使用為止。三、 消防協(xié)會可協(xié)同

12、法律和保險部門,由家庭財產保險部門出資,對每幢居 民住宅強制性安裝煙火報警器,以此減少住宅火災危險。四、 對新建的居民住宅,相關部門應強調必須安裝煙感器。還應組織檢查城 市旅館、 酒店、 商場等公共場所是否合理安裝煙感器。 以確保火災發(fā)生后能將危 害降到最低。1.2 煙霧報警器的國內外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 煙霧報警器的國內外現(xiàn)狀早在上個世紀 30年代左右, 國外就展開了煙霧報警器的研究, 而其發(fā)展 迅猛! 一 方面是因為人們安全意識增強, 對環(huán)境安全性和生活舒適性要求提高; 另 一方面是因為傳感器市場增長受到政府安全法規(guī)的推動。據(jù)有關統(tǒng)計,美國 1996年 2002年煙霧傳感器年均增長率為

13、 27%30%。隨著傳感器生產 工藝水平 逐步提高,傳感器日益小型化、集成度不斷增大,使得煙霧檢測 儀器的體積也 逐漸變小,提高了煙霧檢測儀器的便攜性,更加利于生產、運輸及市場推廣。 1963年 5月,日本開發(fā)完成第一臺接觸燃燒式家用燃氣泄漏報警器, 次年 12月其改良產品問世, 改良的報警器可以檢測燃氣、一氧化碳等氣 體, 可 以安裝在浴室或者采用集中監(jiān)視。我國在 70年代初期開始研制煙霧報警器, 生產型號多樣、 品種較齊全, 應用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴展到幾乎所有危險作業(yè)環(huán)境的各種類型報警器,4產品數(shù)量也在不斷增加。 但主要是在引進國外先進的傳感器技術和先進的生產工 藝基礎上,進行研究與

14、開發(fā)形成自己的特色。 近年來, 在煙霧選擇性和產品穩(wěn)定 性上也有很大進步。燃氣報警器可分為民用火災煙霧報警器、工業(yè)用煙霧報警器、 有毒有害煙 霧報警器三大系列產品。(1 民用火災煙霧報警器民用火災煙霧報警器為居民家庭用的火災報警器 , 一般安裝在廚房,遇 到火災產生的煙霧時時,報警器可發(fā)出聲光報警,或同時伴有數(shù)字顯示, 同時聯(lián) 動 外部設備。有的報警器可自動開啟排風扇,把煙霧排出室外(2 工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器工業(yè)用煙霧報警器及有毒有害煙霧報警器只是檢測探頭有差異, 而在原 理和應用中都很相近。工業(yè)用燃氣報警器及有毒煙霧報警器根 據(jù)檢測環(huán)境的不 同,也可分為檢漏儀、控制器和探測器

15、。檢漏儀的體積較小, 可隨身攜帶或手持, 主要應用于燃氣管理的查漏 與 巡檢。若有燃氣泄漏,檢漏儀便會發(fā)出聲光報警,同時數(shù)字顯示煙霧濃 度,以 便及時采取安全措施, 防止爆炸等惡性事故的發(fā)生。 控制器與探測器結合使用, 可在防爆現(xiàn)場長期監(jiān)測煙霧的濃度。探測器安裝在防爆現(xiàn)場, 控制器壁掛在值班室等有人值守的地方, 二者采用 屏蔽電纜線連接。 當在現(xiàn)場的探測器探測到燃氣泄漏之后, 通過屏蔽電纜線將信 號傳到控制器, 控制器發(fā)出聲光報警, 同時啟動排風裝置或關閉電磁閥切斷氣源, 以確保安全。此種儀器廣泛應用于液化氣站、汽車加油站、鍋爐房等工業(yè)場所。1.2.2煙霧報警器的發(fā)展趨勢在這個人類經濟與科技迅

16、猛發(fā)展的年代,伴隨這電子、計算機、通訊和現(xiàn) 代控制技術的迅速發(fā)展,現(xiàn)代火災自動報警應用技術發(fā)展趨勢正在向著全總線 制、軟件編程、網絡化、智能化、多樣化、小型化、社區(qū)化、藍牙技術無線化、 高靈敏化、綜合化等方面發(fā)展。針對當前火災自動報警系統(tǒng)存在的通訊協(xié)議不一致,系統(tǒng)誤報、漏報頻繁, 智能化程度低, 網絡化程度低、 特殊惡劣環(huán)境的火災探測報警抗干擾等問題較為5突出的現(xiàn)象,提出在符合國家消防規(guī)范的基礎下采用統(tǒng)一、標準、 開放的通訊協(xié) 議。通過對新技術、新工藝、新材料和新設備的應用研究,對系統(tǒng)方案、設備選 型的優(yōu)化組合,改進火災自動報警系統(tǒng)的工作性能、減少維護費用和維護要求, 向著高可靠性、高靈敏性、

17、低誤報率、系統(tǒng)網絡化、技術智能化方向發(fā)展,為更 好的預防和遏制建筑火災提供強有力的保障,從而更好的保護國家和人民的生 命、財產安全。1.3 本論文及設計要達到的要求在我們選定了課題后, 陳祖新老師給我們提出了要求。 首先第一個就是必須 用分離元器件做,而且要做出實物,不能用單片機或是 PLC 等其他可編程程序 控制:主要是為了鍛煉我們對模擬數(shù)字電路掌握的能力,當然用分離元器件做, 在某些方面更具有挑戰(zhàn)性,也更具有設計意義; 第二個就是控制要求。 當檢測到 煙霧或是一些可燃性氣體后能夠報警, 而且還要有紅燈閃爍。總的來說,沒有太 多額外要求。通過目前的電路仿真情況來看沒有太大要求!2 煙霧報警器

18、的方案設計2.1 煙霧報警器的設計方案及選擇氣體煙霧報警器的基本原理是當環(huán)境中有氣體煙霧時,氣敏傳感器的阻值降低,導致電路中電流或電壓升高,開關元件探測到此變化,觸發(fā)喇叭,實現(xiàn)報警。2.1.1設計方案1. 方案一 二級遠程報警電路設計這種設計采用二級設計 1 , 第一級為氣敏開關電路, 其作用是探 測氣體煙霧的存在,報警并向遠端接受裝置發(fā)射報警信號。第二級為接收 報警電路,其作用是接收第一級信號并在遠端發(fā)出報警。第一級:6 第二級: 圖 2-1 二級遠程報警電路設計框圖2、方案二 狹域報警電路設計這種電路設計定位于一定區(qū)域內的氣體煙霧報警, 它由電源電路、 穩(wěn)壓電路、 氣敏傳感電路和觸發(fā)報警電

19、路組成。 圖 2-2 狹域報警電路設計框圖3、方案三 單片機報警電路設計7報警器系統(tǒng)結構框圖如圖 2.2所示, 系統(tǒng)以單片機為核心, 配合外圍電路共 同完成信號采集、 濃度顯示、 時間顯示、 狀態(tài)顯示、 聲音及閃爍報警、 按鍵輸入、 故障自檢等功能。報警器采用巡檢的工作方式, 進行兩級報警值設定, 并發(fā)出不 同的光、聲信號。系統(tǒng)應采用高性能的單片機,要求工作穩(wěn)定、測量精度高、通 用性強、功耗低,保證報警器的精確性及可靠性,而且最好體積小,成本低,有 利于減少報警器的體積,降低報警器的成本。圖 2-3可燃性氣體檢測報警器結構框圖2.1.2 方案選擇二級遠程報警電路設計適合于大型企業(yè),大型商場以及

20、圖書館等人流較多, 安全隱患較分散又不明顯的需要專門人員進行時時監(jiān)控的較大范圍區(qū)域。 這種設 計思路的優(yōu)點是監(jiān)控范圍廣,可進行遠程報警, 對于監(jiān)測人員來說比較方便, 但 從實施上來看線路繁多,設計復雜,資金消耗較大。 對于我們學校做畢業(yè)設計來 說不太符合實情:在我們的周圍不太具有實際意義, 而且資金以及其他的設計都 不太適合我們做畢業(yè)設計,所以不能要!單片機設計電路測量精度高、成本低、工作穩(wěn)定,但是用到單片機,較其它 89的設計成本高,使用復雜。當然,這里我們首先是可以否定這個的。因為老師明 文規(guī)定了:不能使用單片機做,在這里不再陳述!狹域報警電路設計適合于一定區(qū)域內的氣體煙霧報警, 如個人家

21、庭, 一棟住 宅樓,網吧等需要監(jiān)控范圍小的區(qū)域。這種設計的優(yōu)點是簡單易行,清晰流暢, 設計簡單,易于實現(xiàn),而且不需要很多的資金。很明顯這種方案更適合我們。一 是制作出來更有實用意義,而且做出來的成功概率大。再者不需要太多資金, 設 計不是異常繁瑣而又同時考察了我們的學習能力! 所以本課程設計選擇狹域報警 電路設計方案。2.2 電路工作原理工作原理是:電源采用 220V 交流電,通過變壓器把 220V 交流電轉變?yōu)?9V 交流電, 再通過單項橋式全波整流電路將交流電轉變?yōu)橹绷麟? 由于氣敏傳感器 燈絲加熱電壓要求穩(wěn)定,故采用穩(wěn)壓塊 7805進行穩(wěn)壓。 555定時器組成的多諧 振蕩報警電路(如圖

22、7所示 ,電源經電阻 R 1和 R 2對電容 C 進行充電,其電壓 u c 由 0按指數(shù)規(guī)律上升。 當 u c 32V cc 時, 電壓比較器 G 1和 G 2的輸出分別為 u 1G =0、u 2G =1,基本 RS 觸發(fā)器被置 0, Q =0,-Q =1,輸出 u o 躍到低電平 U oL 。與此同時, 放電管 V 導通,電容 C 經電阻 R 1和 R 2放電管 V 放電,電路進入暫穩(wěn)態(tài)。隨著電容 C 的放電, u c 隨之下降。 當 u c 下降到 u c 31V cc 時, 則電壓比較器 G 1和 G 2的輸出為 u 1G =1、 u 2G =0, 基本 RS 觸發(fā)器被置 1, Q =1

23、,-Q =0,輸出 u O 由低電平 U OL 躍到高電平 U OH 。同時,因 -Q =0,放電管 V 截止,電源又經電阻 R 1和 R 2對電容C 進行充電, 電路又回到前一個暫穩(wěn)態(tài)。 這樣, 電容 C 上的電壓在 32V cc 和 31V cc 之間來回充電和放電,從而使電路產生振蕩,輸出矩形脈沖。當有氣體或煙霧時, A-B 極間阻值降低,使 4腳電位上升, 555起振,揚聲器發(fā)出警告。通過分析出來的工作原理,我們繪制出的原理圖如下: 圖 2-4 煙霧報警器原理圖2.3電路各部分具體結果和參數(shù)計算1、電源電路此單元電路的任務是通過變壓器把 220V 交流電轉變?yōu)?9V 交流電, 再通過單

24、 向橋式全波整流電路將交流電轉變?yōu)橹绷麟? 此電路為后級電路提供直流輸入電 壓。電路圖如下: 圖 2-5 電源電路10112、穩(wěn)壓電路此單元電路的任務是把電源電路輸入的直流電進行穩(wěn)壓, 由于氣敏傳感器燈 絲加熱電壓要求穩(wěn)定,故采用穩(wěn)壓塊 7805進行穩(wěn)壓。3、氣敏傳感電路此單元電路的任務是探測氣體煙霧的存在,當有氣體或煙霧時, A-B 極間的 阻值降低,調節(jié)后級電路電位上升。 本電路的主體元件是氣敏傳感器。為什么選 用 MQ-2在下面將會說到! 圖 2-6 穩(wěn)壓電路4、觸發(fā)、報警音響電路此單元電路的主要任務是當有氣體或煙霧時起到報警作用。 當有氣體或煙霧 時, 4腳電位上升到使 555起振,通

25、過揚聲器起到報警作用。其核心元件是 555組成的多諧振蕩報警電路。圖 2-7 氣敏傳感電路圖 2-8 觸發(fā)、報警音響電路 125、 555多諧振蕩電路多諧振蕩器是一種自激振蕩電路, 不需要外加輸入信號, 就可以自動地產生 出矩形脈沖。圖 2-9 555多諧振蕩電路6、參數(shù)計算如 555多諧振蕩器電路圖所示, 為使報警器在沒有氣體和煙霧時能繼續(xù)報警一段時間,電路中 R 1 =150K,R2=150K,C=90F. 多諧振蕩器的振蕩周期為T=t 1 W +t2W(1 1314t 1W 為電容 C 上的電壓由 31V cc 上升到 32V cc 所需要的時間, 充電回路的時間 常數(shù)為(R 1+R2

26、C.t 1W 可用下式估算t1W =(R 1+R2 Cln2 0.7(R 1+R2 C=18.9s (2 t 2W 為電容 C 上的電壓由 32V cc 下降到 31V cc 所需要的時間, 放電回路的時間 常數(shù)為 R 2C. t2W 可用下式估算t 2W =R2Cln2 0.7R 2C=9.5s (3所以,多諧振蕩器的振蕩周期為T=t 1W +t2W 0.7(R 1+2R2 C=28.4s (4 f=T 1=CR R 2(7. 0121 =0.035Hz (5 所以,無氣體和煙霧后維持報警的時間為 28.4s.2.4 煙霧傳感器的選型煙霧傳感器屬于氣敏傳感器,是氣 -電變換器,它將可燃性氣

27、體在空氣中的 含量 (即濃度 轉化成電壓或者電流信號。當有氣體或煙霧時,傳感器內部的阻值 降低,調節(jié)后級電路電位上升,導致電路電壓或是電流發(fā)生變化,由 555定時器 構成的報警電路開始工作! 傳感器作為煙霧檢測報警器的信號采集部分, 是儀表 的核心組成部分之一。由此可見,傳感器的選型是非常重要的。2.4.1 基本概況煙霧傳感器就是通過監(jiān)測煙霧的濃度來實現(xiàn)火災防范的, 煙霧報警器內部采 用離子式煙霧傳感, 離子式煙霧傳感器是一種技術先進, 工作穩(wěn)定可靠的傳感器, 被廣泛運用到各種消防報警系統(tǒng)中,性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。 它在內外電離室里面有放射源镅 241,電離產生的正、負離子,在電場

28、的作用下 各自向正負電極移動。在正常的情況下,內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干擾了帶電粒子的正常運動,電流, 電壓就會有所改 變,破壞了內外電離室之間的平衡, 于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號, 通知遠 方的接收主機,將報警信息傳遞出去。煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、 工廠、公司、學校、家庭、別墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領 域。2.4.2 功能特點光學迷宮 采用低功耗 CMOS 微處理器 特殊防潮設計 獨立 /聯(lián)網 /無線輸出方式(可選具有手動測試、手動復位功能 工作性能穩(wěn)定可靠 單面 PCB 工藝 采用超薄式結構設計 結構設計獨特,防塵、防蟲、

29、抗外 界光線干擾2.4.3 技術參數(shù) 2.4.4 煙霧傳感器分類1. 離子式煙霧傳感器 該煙霧報警器內部采用離子式煙霧傳感,離子 式煙霧傳感器是一種技術先進, 工作穩(wěn)定可靠的傳感器, 被廣泛運用到各消防報 警系統(tǒng)中, 性能遠優(yōu)于氣敏電阻類的火災報警器。 它在內外電離室里面有放射源 镅 241,電離產生的正、負離子,在電場的作用下各自向正負電極移動。在正常 的情況下,內外電離室的電流、電壓都是穩(wěn)定的。一旦有煙霧竄逃外電離室。干 表 2-1 MQ-2傳感器技術參數(shù)15擾了帶電粒子的正常運動,電流, 電壓就會有所改變, 破壞了內外電離室之間的 平衡,于是無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號, 通知遠方的接收主

30、機, 將報警信息傳 遞出去。煙霧傳感器廣泛應用在城市安防、小區(qū)、工廠、公司、學校、家庭、別 墅、倉庫、資源、石油、化工、燃氣輸配等眾多領域。2. 光電式煙霧傳感器 光電煙霧報警器內有一個光學迷宮,安裝有紅 外對管, 無煙時紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光, 當煙塵進入光學迷 宮時, 通過折射、 反射, 接收管接收到紅外光, 智能報警電路判斷是否超過閾值, 如果超過發(fā)出警報。光電感煙探測器可分為減光式和散射光式,分述如下: (1 減光式光電煙霧探測器 該探測器的檢測室內裝有發(fā)光器件及受光器 件。在正常情況下,受光器件接收到發(fā)光器件發(fā)出的一定光量;而在有煙霧時, 發(fā)光器件的發(fā)射光到受到煙霧的

31、遮擋, 使受光器件接收的光量減少, 光電流降低, 探測器發(fā)出報警信號。 (2 散射光式光電煙霧探測器 該探測器的檢測 室內也裝有發(fā)光器件和受光器件。 在正常情況下, 受光器件是接收不到發(fā)光器件 發(fā)出的光的,因而不產生光電流。在發(fā)生火災時,當煙霧進入檢測室時,由于煙 粒子的作用,使發(fā)光器件發(fā)射的光產生漫射, 這種漫射光被受光器件接收, 使受 光器件的阻抗發(fā)生變化, 產生光電流, 從而實現(xiàn)了煙霧信號轉變?yōu)殡娦盘柕墓δ? 探測器收到信號然后判斷是否需要發(fā)出報警信號。兩種傳感器的比較 離子煙霧報警器對微小的煙霧粒子的感應要靈敏一 些, 對各種煙能均衡響應; 而前向式光電煙霧報警器對稍大的煙霧粒子的感應

32、較 靈敏, 對灰煙、 黑煙響應差些。 當發(fā)生熊熊大火時, 空氣中煙霧的微小粒子較多, 而悶燒的時候,空氣中稍大的煙霧粒子會多一些。如果火災發(fā)生后, 產生了大量 的煙霧的微小粒子, 離子煙霧報警器會比光電煙霧報警器先報警。 這兩種煙霧報 警器時間間隔不大, 但是這類火災的蔓延極快, 此類場所建議安裝離子煙霧報警 器較好。 另一類悶燒火災發(fā)生后, 產生了大量的稍大的煙霧粒子, 光電煙霧報警 器會比離子煙霧報警器先報警,這類場所建議安裝光電煙霧報警器。3. 氣敏式煙霧傳感器 氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。它主 要包括半導體氣敏傳感器、 接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學氣敏傳感器等, 其中 用的最

33、多的是半導體氣敏傳感器。它的應用主要有:一氧化碳氣體的檢測、 瓦斯 氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂(R11、 R12的檢測、呼氣中乙醇的檢測、16人體口腔口臭的檢測等等。 它將氣體種類及其與濃度有關的信息轉換成電 信號, 根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關的 信息,從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警;還可以通過接口電路與計算機組成自動 檢測、控制和報警系統(tǒng)。 其中氣敏傳感器有一下幾種類型:(1可燃 性氣體氣敏元件傳感器 , 包含各種烷類和有機蒸氣類 (VOC氣體 , 目前大量應用 于抽油煙機、泄漏報警器和空氣清新機 ; ( 2一氧化碳氣敏元件傳感器 , 一氧化碳 氣敏元件

34、可用于工業(yè)生產、環(huán)保、 汽車、 家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃燒檢測 報警 ; (3氧傳感器 , 氧傳感器應用很廣泛 , 在環(huán)保、醫(yī)療、冶金、交通等領域需 求量很大 ; (4毒性氣體傳感器 , 主要用于檢測煙氣、尾氣、廢氣等環(huán)境污染氣體。 氣敏式煙霧傳感器的典型型號有 MQ-2氣體傳感器。 該傳感器常用于家庭和工廠 的氣體泄漏裝置,適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探 測。氣敏式煙霧傳感器與離子式煙霧傳感器的比較 火災煙霧是由氣、液、 固體微粒群組成的混合物,具有體積、質量、溫度、電荷等物理特性。離子型煙 霧探測器是通過相當于煙敏電阻的電離室引起的電壓變化來感知煙霧粒子的微 電

35、流變化裝置。當煙霧粒子進入電離室, 改變了電離室空氣的電離狀態(tài), 從而宏 觀表現(xiàn)為電離室的等效電阻增加引起電離室兩端的電壓增大, 由此來確定空氣中 的煙霧狀況。 而氣敏式傳感器是探測空氣中某些可燃氣體的成分, 所以在火災探 測方面,氣敏式傳感器性能并不如離子式傳感器。探測空氣中可燃氣體的含量。 有效地探測煤氣、液化石油氣、然氣、一氧化碳等多種可燃性氣體的微量泄漏。 適用于石油、化工、煤炭、電力、冶金、電子等工業(yè)企業(yè),以及煤氣廠、液化石 油氣站、氫氣站等生產和貯存可燃性氣體的場所。2.5 煙霧傳感器的選定煙霧檢測報警器主要應用在石油、化工、冶金、油庫、液化氣 站、噴漆作 業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的

36、場所,根據(jù)報警器檢測煙霧 種類的要求,一般選用 接觸燃燒式煙霧傳感器和半導體煙霧傳感器。使用接觸燃燒式傳感器,其探頭的阻緩及中毒,是不可避免的問題。 阻緩 是當在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質的情況下, 則有可能在無焰17燃燒的同時,有些固態(tài)物質附著在催化元件表面,阻塞載體的微孔, 從而引起響 應緩慢反應滯緩, 靈敏度降低。 雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得 到某種程度的恢復的可能, 但是如果長期暴露在這樣的環(huán)境中, 其靈敏度會不斷 下降, 導致傳感器最終喪失檢測煙霧的能力。 中毒是如果環(huán)境空氣中含有硅烷之 類的物質時,則傳感器將 使催化元件產生不可逆轉的中毒,以致靈敏度很

37、快就 喪失。當懷疑檢測環(huán) 境中存在這些物質時,經常對探頭進行標定,是必須且有 效的辦法。因此, 經常對傳感器進行標定,是保證其準確性的必要的途徑。 一般連續(xù)使 用兩個月后應對傳感器進行量程校準, 這種經常性對傳感器的維護, 無形中加大 了工作人員的工作量,同時增加了報警器的維護成本。半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器 以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器,它具有靈敏度高, 響應快、 體積小、 結構簡單,使用方便、價格便宜等優(yōu)點,因而得到廣泛應用。半導體煙霧傳感器 的性能主要看其靈敏度、選擇性 (抗干擾性 和穩(wěn) 定性 (使用壽命 。經過對比上述兩種煙霧傳感器的應

38、用特性, 發(fā)現(xiàn)半導體煙霧傳感器的優(yōu)點更 加突出:靈敏度高、響應快、抗干擾性好、使用方便、價格便宜,且不會發(fā)生探 頭阻緩及中毒現(xiàn)象,維護成本較低等。 因此, 本設計采用半導體煙霧傳感器作為 報警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導體氣體傳感器中,本設計選用 MQ-2型煙霧傳感器,這種型號的傳感器不但具備一般半導體煙霧傳感器靈敏度 高、響應快、抗干擾能力強、壽命長等優(yōu)點。2.6 MQ-2型煙霧傳感器的工作原理半導體煙霧傳感器包括用氧化物半導體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳 感器以及用單晶半導體器件制作的煙霧傳感器。 按敏感機理分類, 可分為電阻型 和非電阻型。半導體氣敏元件也有 N 型和 P 型

39、之分。 N 型在檢測時阻值隨煙霧 濃度的增大而減小; P 型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。半導體氣敏傳感器的分 類如表 2.2所示。表 2-2半導體氣敏傳感器的分類 所利用的特性工作溫度表面電阻控制器 300450°C18 本設計中采用的 MQ-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導體氣敏材料, 屬于表 面離子式 N 型半導體。當處于 200300°C 溫度時,二氧化錫吸附空氣中的氧, 形成氧的負離子吸附,使半導體中的電子密度減少, 從而使其電阻值增加。當 與煙霧接觸時,如果晶粒間界處的勢壘受 到該煙霧的調制而變化,就會引起表 而電導率的變化。利用這一點就可以 獲得這種煙霧存在的信息

40、。遇到可燃煙霧(如 CH4等時,原來吸附的氧脫附,而由可燃煙霧以正離 子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導體表面; 氧脫附放出電子, 煙霧以正離子狀態(tài)吸附也 要放出電子,從而使二氧化錫半導體導帶電子密度增加,電阻值下降。 而當空氣 中沒有煙霧時,二氧化錫半導體又會自 動恢復氧的負離子吸附,使電阻值升高 到初始狀態(tài)。這就是 MQ-2型燃性煙霧傳感器檢測可燃煙霧的基本原理。 MQ-2型傳感器的結構圖如 圖 2.1所示,其外觀如 2.2所示。19 圖 2-10 MQ-2型傳感器的結構圖 圖 2-11 MQ-2型傳感器的外觀2.7 MQ-2型傳感器的特性及主要技術指標(1 MQ-2型傳感器的一般特點(aMQ-2型

41、傳感器對天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度,尤其對烷 類煙霧更為敏感。(bMQ-2型傳感器具有良好的重復性和長期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定, 響應時 間短,長時間工作性能好。20©MQ-2型傳感器具有良好的抗干擾性,可準確排除有刺激性非可燃性煙霧 的干擾信息,例如酒精和煙霧等。(d電路設計電壓范圍寬, 24V 以下均可;加熱電壓 5±0.2V 。(2 MQ-2型傳感器的基本特性(a 靈敏度特性煙霧傳感器在最佳工作條件下,接觸同一種煙霧,其電阻值 RS 隨氣 體濃 度變化的特性稱之為靈敏度特性,用 K 表示。 K=RS / R0 (2-1 式中, R0為煙 霧傳感器潔凈空氣條件下

42、的電阻值, RS 為煙霧傳感器在一定濃度的檢測煙霧中 的電阻值。 雖然對于不同的煙霧,器件靈敏度特性 K 的值也會各有差異,但是 它們都遵循同一規(guī)律,log RS = m logC + n (2-2式中, m 為器件相對煙霧濃度變化的敏感性, 又稱煙霧分離能, 對于 煙霧, m 值為 1/21/3; C 為檢測煙霧的濃度。 n 為與檢測煙霧,器件材料有關,并隨測 試溫度和材料中有無增感劑而有所不同。(b 初期穩(wěn)定特性半導體煙霧傳感器在不通電狀態(tài)存放一段時間后, 再通電時, 器件并不能立 即投入正常工作。 這是因為煙霧傳感器中的二氧化錫在不通電的狀態(tài)下會吸附空 氣中的水蒸氣, 當再次通電時需要預

43、熱幾分鐘使水蒸氣蒸發(fā)后, 氣敏電阻才能正 常工作。 再通電工作時氣敏電阻值達到穩(wěn)定時所需要的時間, 定義為初期穩(wěn)定時 間。一般情況下,不通電時間越長,初期穩(wěn)定時間也越長,當不通電存放時間達 到 15天左右時,初期穩(wěn)定時間一 般需要 5分鐘左右。(c 加熱特性半導體煙霧傳感器一般要在較高的溫度 (200450°C 下工作, 所以需要對其 加熱。由于傳感器一般工作在易燃易爆環(huán)境下, 若加熱絲直接與電源相接, 當加 熱絲局部短路造成器件過熱或放電時, 可能引發(fā)事故。 所以必須使用傳感器生產 廠家推薦的加熱電壓,使其工作在較安全的范圍內。 MQ-2型煙霧傳感器加熱電 壓為 5±0.

44、2V ,加熱電阻為 31±3? 。當加熱絲斷路時,由于熱惰性緣故,煙霧傳 感器的氣敏特性并不立即消失, 此時檢測必出現(xiàn)較大的誤差。 為避免出現(xiàn)這種情 況,并及時發(fā)現(xiàn)氣敏元件的故障, 需要設計加熱絲故障診斷報警電路。212.8煙霧檢測報警器的功能(1狀態(tài)顯示功能控制輸出的狀態(tài)指示燈 , 綠燈常亮表示正常狀態(tài), 環(huán)境中可燃煙霧濃度極低 . 紅燈閃亮表示環(huán)境中可燃煙霧濃度超過報警限值,提醒用戶盡快作相應安全措 施。 當煙霧濃度超過報警限,報警器發(fā)出鳴叫,用戶到達現(xiàn)場,可按下按鍵停 止報警器鳴叫。若過一點時間濃度仍超出報警限,報警器會再次鳴叫提醒用戶。 (2煙霧報警功能當煙霧濃度連續(xù)一段時間

45、取值都在報警限值之上, 蜂鳴器開始報警, 且聲音 越來越急促,并且伴隨紅燈閃爍。因為人對變化的信號更為敏 感,所以變化的 聲音及燈光更容易引起用戶的注意。222.9 方案總結本節(jié)主要闡述了煙霧報警器的設計方案:即報警器的設計與傳感器的選擇。 大致從設計方案的篩選、 選定方案的工作原理以及各部分電路的詳細介紹、 煙霧 傳感器知識以及選定、 MQ-2傳感器介紹。煙霧報警器的設計方案大致就那么幾種, 應該說對比還是非常強烈, 選擇相 對來說不是太難。 難點在于方案確定后分析電路過程致研究出電路原理圖。 這是 一個產品的核心,亦是一個難點。 通過網上的學習以及結合平時的數(shù)模知識, 最 終確定的原理圖大

46、致沒有太大問題, 具體的還要看仿真結果! 后面重點普及了一 下煙霧傳感器的知識, 應該說在接觸這個設計之前, 我們大家并不是十分了解這 方面的相關知識。 因此, 在查閱資料的同時, 我們也是學到了很多。 后面對 MQ-2的補充可能不盡完善, 但是對于我們研究本設計是足矣, 相信這個學習過程并將 會對我們以后的學習會有很大幫助!3.Multisim 電路仿真3.1 Multisim簡介工程師們可以使用 Multisim 交互式地搭建電路原理圖,并對電路進行仿真。 Multisim 提煉了 SPICE 仿真的復雜內容,這樣工程師無需懂得深入的 SPICE 技 術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的

47、設計,這也使其更適合電子學教育。 通過 Multisim 和虛擬儀器技術, PCB 設計工程師和電子學教育工作者可以完成 從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程! 3.2 Multisim的發(fā)展趨勢加拿大 EWB (Electrical WorkbenchEWB4.0圖 2-12 MQ-1傳感器詳細參數(shù)23EWB5.0EWB6.0Multisim2001Multisim 7Multisim 8美國國家儀器(NI 有限公司Multisim 9Multisim 10Multisim 11Multisim 12Multisim 13目前在各高校教學中普遍使用 Multi

48、sim10.0,網上最為普遍的是 Multisim 10.0, NI 于 2007年 08月 26日發(fā)行 NI 系列電子電路設計軟件, NI Multisim v 10作為其中一個組成部分包含于其中。在本次電路仿真中使用的版本是Multisim 。3.3 Multisim特點首先,作為 Multisim 來說,其最重要的功能當然是其出色的仿真功能。用 Multisim 你可以搭建一個屬于自己的實驗工作室,在這里你可以將你設計的電 路進行一次逼真的模擬!下面,我為大家一一列舉其強大的功能。有著直觀的圖形界面。 整個操作界面就像一個電子實驗工作臺, 繪制電路所 需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直

49、接拖放到屏幕上, 輕點鼠標可用導線將 它們連接起來,軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似,測量數(shù)據(jù)、 波形 和特性曲線如同在真實儀器上看到的!豐富的元器件。 提供了世界主流元件提供商的超過 17000多種元件, 同時能 方便的對元件各種參數(shù)進行編輯修改, 能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型 等功能,創(chuàng)建自己的元器件。強大的仿真能力。 以 SPICE3F5和 Xspice 的內核作為仿真的引擎,通過 Electronic workbench 帶有的增強設計功能將數(shù)字和混合模式的仿真性能進行 優(yōu)化。包括 SPICE 仿真、 RF 仿真、 MCU 仿真、 VHDL 仿真、電路向導等功能。 豐

50、富 的 測 試 儀 器 。 提 供 了 22種 虛 擬 儀 器 進 行 電 路 動 作 的 測 量 : Multimeter(萬用表、 Function Generatoer(函數(shù)信號發(fā)生器等一大批! 完備的分析手段。 Multisimt 提供了許多分析功能:DC Operating Point Analysis (直流工作點分析、 AC Analysis (交流分析、 Transient Analysis24(瞬態(tài)分析、 Fourier Analysis(傅里葉分析等一大波經典電路分析! 獨特的射頻(RF 。 提供基本射頻電路的設計、分析和仿真。射頻模塊由 RF-specific (射頻特殊

51、元件,包括自定義的 RF SPICE模型 、用于創(chuàng)建用戶自 定義的 RF 模型的模型生成器、兩個 RF-specific 儀器(Spectrum Analyzer頻 譜分析儀和 Network Analyzer 網絡分析儀 、 一些 RF-specific 分析 (電路特性、 匹配網絡單元、噪聲系數(shù)等組成;模塊強大的 MCU 模塊。 支持 4種類型的單片機芯片,支持對外部 RAM 、外部 ROM 、 鍵盤和 LCD 等外圍設備的仿真, 分別對 4 種類型芯片提供匯編和編譯支持; 所建項目支持 C 代碼、匯編代碼以及 16進制代碼,并兼容第三方工具源代碼! 完善的后處理。 對分析結果進行的數(shù)學運

52、算操作類型包括算術運算、 三角運 算、指數(shù)運行、對數(shù)運算、復合運算、向量運算和邏輯運算等!詳細的報告。 能夠呈現(xiàn)材料清單、元件詳細報告、網絡報表、原理圖統(tǒng)計報 告、多余門電路報告、模型數(shù)據(jù)報告、交叉報表 7種報告;兼容性好的信息轉換。 提供了轉換原理圖和仿真數(shù)據(jù)到其他程序的方法, 可 以輸出原理圖到 PCB 布線(如 Ultiboard 、 OrCAD 、 PADS Layout2005、 P-CAD 和 Protel 等其他文件!3.4 煙霧報警器電路仿真分析及結果根據(jù)在 DXP 中畫出的原理圖,我們在 Multisim12.0仿真過程中進行了一些 改進。下圖則是最后確定的原理圖! 在原先設

53、計的基礎上, 我們加入了一個反相 器來控制紅燈與綠燈的反向控制要求, 以及在傳感器附近加入了一個滑動變阻器 通過分壓來調節(jié)煙霧傳感器的靈敏度! 不知道是因為軟件問題還是系統(tǒng)問題, 有 一些元器件無法找到,因此 MQ-2只能用 R4代替。在軟件中因為沒有找到 7805穩(wěn)壓塊, 因此這個圖中就不能展示了!然而又有意外產生了, 在整流電路之后的 濾波電容有問題, 每當拿下電容電路就可以正常仿真, 一旦加上濾波電容就會仿 真錯誤。因此為了整個實驗考慮,暫時先不加,預留出一定位置,等待實物做出 以后考慮加減器件。但是就整個電路而言不會有太大影響!前面已經介紹, 整個電路由三大部分組成。我們通過測試, 當

54、電路正常工作 后各部分的電流電壓以及振蕩電路的輸出波形,我們能夠看到達到了預期效果。25應該說通過一些簡單的測試, 我們暫時還沒有發(fā)現(xiàn)太大問題, 希望在實物制作過 程中能夠成功!4 煙霧檢測報警器的元器件選擇及采購通過在 Multisim 中對 DXP 原理圖的改進,通過原理圖我們可以看出此次試 驗所需元器件并不算多。主要分為:555集成塊、 7805穩(wěn)壓塊、 MQ-2傳感器、 變壓器等。再仿真完電路后, 我們通過老師的介紹到市場選購元器件。 由于事先沒有將 導出的原件清單打印出來, 導致在購買構成中出現(xiàn)了點問題。 最后回來后發(fā)現(xiàn)了 漏掉了幾個小元器件, 還有開關也買錯了。 不夠對于最后試驗成

55、功與否不會造成 太大影響,畢竟我們并不是做成實用產品!當然這也告訴我們,在以后工作中, 物料采購是一件很細致的事,要用心去做! 圖 3-1 煙霧報警器仿真圖265. 電路板的線路布置以及焊接當我們買來元器件后心里邊想,我們的試驗產品已經只是一炷香的功夫了。 因為, 我們一直覺得那幾個元器件布局好后焊接是很快的事。 但是往往非常簡單 的事,我們做起來總是會遇到各種麻煩!我們檢查完元器件后開始對元器件開始布局,大致是按照原理圖的走向布 置,看似很簡單。但總是會遇到問題,首先就是變壓器,因為變壓器比較大,占 的位置相比較于其他元器件自然是不同。而且, 我們糾結的是其如何走線, 最后 只能決定剪掉那很

56、長的引線, 像元器件那樣去用導線在背面連接。 還有一些集成 款引腳很粗不能通過細孔, 當時我們也沒有鉆孔機, 用其他的東西很容易弄掉銅 膜。應該說在布局的時候,我們就遇到了一些小問題!布局完后自然就是走線焊接了, 這個時候除了考驗我們的焊接功夫, 還得考 驗我們的細心。 因為一旦線走錯了, 那一切就前功盡棄了。 最后檢查也會很麻煩! 通過兩天的努力, 在我們組長的帶領下, 我們完成了這個看似簡易卻不失為對所 學知識很好檢驗的煙霧報警器的基本工序!6. 整機調試與檢測經過兩天的焊接, 我們完成了煙霧報警器實物制作。 當我們抱著滿心的激動去測 試的時候, 結果卻是讓我們大跌眼鏡。 當我們通電后,

57、我們就聽到了不好的聲音, 27這并不是告訴我們我們買的喇叭是好的, 而是我們實驗失敗了! 因為我們沒有做 任何測試, 只是通電了。 我心里很不明白, 為什么仿真電路沒有大問題的前提下, 實驗的結果會是這么出人意外。 這樣的結果的確讓我們有點難以接受, 既然通電 喇叭就能響, 那說明 555振蕩電路沒有收到 MQ-2的信號, 因此 MQ-2構成的氣體 檢測電路是有問題的。通過用萬用表的幾番測試發(fā)現(xiàn) MQ-2構成的電路似乎沒有 太大問題。可能是由于我們沒有掌握方法的緣故,至此我們沒有解決這個問題。 同時遺憾的宣告我們這次畢業(yè)設計的實物制作失敗了, 盡管如此, 我們依然還是 有很多體會。我們理論上都是對的, 為什么做出的實物有問題。 這說明我們的動 手能力不夠,當然如果我們的理論足夠強,像這樣的實驗是不是檢測不出來的。 通過這次畢業(yè)設計告訴了我們, 學習是一個求實的過程, 要想把一門知識學好還 是得踏實去鉆研,懂些皮毛終究不能解決我們實際遇到的很多問題!結 論煙霧檢測報警器可保障生產與生活的安全