烟雾报警器 季凯 唐牧原 周子贺 (1).doc

电子课程设计报告烟雾报警器成员：季 凯 09214035唐牧原 09214044周子贺 0921 指导老师： 佟 毅 一、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、掌握放大器逻辑控制电路和振荡器的设计方法。二、题目要求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。无线发射模块电信号处理逻辑气体传感器三、设计框图报警声音显示保持电路无线接受模块报警时间显示原理描述：当检测到火灾烟雾或可燃气体，气体传感器将产生电信号。信号通过逻辑处理模块和无线发射模块发送至无线接受模块。信号经过处理和保持，开启报警声音和报警时间模块，实现声光显示及计时功能，最终实现烟雾报警功能。四、单元电路设计方案1、信号的产生部分1）主要器件：QM-NG1气敏传感器， LM324，电阻及滑动变阻器。2）信号产生电路我们选用了目前国际上工艺最成熟，生产规模最大的QM-NG1型广谱型气体传感器。它采用SnO2材料作为敏感基体，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（摘自厂家官方网站）如下：加热电压（VH）50.2V（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的使用方法如上图：2、5管脚对应加热电阻，在额定电压差下正常工作；取测试极接入信号产生电路，一端接电源正，另一端接负载电阻。当遇到可燃气体时，传感器反应为电阻由很大变为很少，从而产生负载端电位从低到高的变化。multisim仿真电路图如下：2、无线收发模块PT2262/PT2272 是台湾普城公司生产的一种CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平)。另安装了F05P发射集成模块和J04V接收集成模块，两模块的调制方式为ASK，功率低，稳定性好，数据可由1013脚任意一脚输入，18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。基本电路图如下： 因为本次实验我们没有购置集成模块，采取了分别焊接的办法，其中四对输入输出只需要用到一对，即PT2262的10管脚输入，PT2272的10管脚输出，11-13管脚接地，地址码选用A0-A8：00000000，全部接地。3、信号保持模块：1）主要器件： CD4013集成D触发器，单刀双掷开关。2）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。S为置1端，R为置0端，均为高电平有效。所以，当Q非端接D端时可以实现信号保持电路（直至下一个上升沿到来）。如下图： 4、 分频产生模块 CD4060是稳定性较好的分频电路，可以实现2的14次幂分频，由于我们购买的时32KHZ的晶振，输出Q14为2HZ方波，如下图： 为获得1HZ的方波，可采用触发器或计数器等分频，使用74LS161分频，以Q14作为时钟信号，以Q1端输出1HZ方波，仿真图如下：5、计时显示模块1）主要器件：CD4060,74LS161,74LS00，74LS47，单刀双掷开关，七段共阳数码管。2）由于计时电路所需芯片较多，为节约成本，只设计了秒计时电路，即六-十进制计数器，常见计数器有74LS193、74LS161和74LS163，60进制有很多种实现方法，可以采用同步电路，由低片进位端控制高片的CTt或CTp；也可以采用异步电路，由低片输出控制高片时钟，具体模数的大小则由反馈清零或反馈置位实现。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00000100012001030011401005010160110701118100091001 进位脉冲N高位片状态0000010001200103001140100501013） 因为有数电实验的基础，故选用了74LS161实现，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高片计数一次。当高片的输出端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。仿真图如下：6、报警声音模块555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的反相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。我们组采用的时救护车声响模拟电路，由两个555电路组成的振荡电路组成，1片组成的振荡电路所产生的矩形波对2片产生的矩形波调制，电路图如下： 五、调试过程 电路整体分为两部分：信号产生与发射模块和信号接收模块，我们分两块板子分别焊接。计数模块我们非常熟悉，但最终还是出现了一些问题，由于采用置位反馈法，在multisim仿真过程中数码管显示正常，但是实际电路中，低位为8时高位计数一次，在仔细对比后发现，Multisim仿真的LS161是下降沿有效，即采用低片Qd输出接高片时钟，可以实现低片记10高片记1（低片设计为M=10计数器）。在实际电路中，我们只能采用利用QdQa与非后借高片时钟（即低片的反馈置位信号）后，显示恢复正常。声光显示部分按照指定电路图焊接一直不能正常工作，我们寄希望于细细的排查该模块电路中任意两端电阻、电容值是不是理论值，不过因为测量电容难度较大而搁浅。无线传输模块由于没有购买集成元件，导致成功率较低，在初步检查焊接不存在问题的前提下，仍然存在问题使我们很困惑，另外因为没有无线模块的学习基础，全然靠资料的补充让我们觉得不够稳妥。6、 心得体会季凯： 本次课程设计大部分基于了时序逻辑电路的应用，所以任务的第一步是分析和掌握所涉及芯片的功能。第二步根据芯片功能，在确定了分模块的电路图之后，分析逻辑关系，有了分析逻辑的过程，可以加深对电路的理解，也可以提高焊接电路的速度，且避免了出错率。第三部是焊接过程，布局布线是工作量很大的一项工作，完成电路板的焊接工作后，我们就把板子拿到实验室检查是否能够正常工作。 其中在检查错误和解决错误的过程中，我们对所有焊点进行了排查，以排除虚焊点，但最后证实并没有这种情况。其实在问题解决之后，仔细思考，面对出现的问题，没有确定一个检查方案，并且根本没有分析几个检查方案的孰优孰劣，直接几个检查方案都使用上，却没有起到立竿见影的效果，最后在老师的提醒下，我们采用了最简洁、最稳妥的方法，检查逻辑。直到已经开始焊接电子课程设计实验板的今天，我们对于两学期的数电和模电两门课程的基本认识才有了一定的雏形，如果说应付考试的话，我们只需要记住芯片的功能表并通过一系列的联系就可以达到目的，但是对于从事弱电的我们来说，动手能力是举足轻重的能力，实践的过程不仅仅意味着把在书本上看到的和在芯片上看到的简单联系，而是两者的相互对应，融为一体，这是我们最终的也是最宝贵的收获。查找逻辑错误这个问题虽然事小，但对于考验我们给予本次实验的理解和心态是个很好的考验。基于本次的课程设计的机会，我查阅了大量关于电子课程的相关资料，有了数字电子技术和模拟电子技术的基础，关于模拟型和数字型器件的电路设计的知识可以更好地接受。本学期关于模拟和数字电子技术的基础课程已经完成，但以本次课程设计的角度考量对于整个电子基础课程都有收获颇丰，因为对于这个行业的探索的深度和广度归根结底来自于我们对其的热衷程度，只有通过大量的研究和探讨，才能真正了解和掌握的必需的知识和技能，要学有所成甚至成为这个学科和行业的佼佼者，我们任重而道远。唐牧原： 这次的烟雾报警器电路比较复杂，所以我们打算先一块块攻下。根据老师的PPT我们分析了一下它每块电路的原理，然后根据原理，结合资料，终于不再觉得茫然了。先是感应电路，主要是比较器和传感器。一开始不是很明白比较器的用法，后来才知道是用来当有烟雾，传感器起作用时把电平抬高，输出一个高电平。然后我们拓展了电路，加入了无线传输模块。传感器的高电平输出后，输入到发射模块里，又发射模块向接受模块发出。因为有发射和接受模块，所以用到了两块电路板，发射电路这一块电路板较为简单，只用了一个下午就焊完了。而接收电路的电路板很复杂，有显示电路，报警电路和断气接口，所以光是布局就花费了一番功夫，焊的时候也是不容易，花了两天才结束。接下来就是痛苦的调试过程，显示电路一次就成功了，晶振也较准确，没有出现什么问题，但是555报警电路接入了高电平依然没有出声，我们一个个检测电阻的值和导线，都没有问题，电路也是仿真过的，没有问题，到最后也没找出原因。在调节发射电路，也是出了点问题，当有烟雾的时候没有高电平输出，经过一次次检查，得出的结论是，传感器可能出问题了，在有烟雾的时候，电阻并没有减小。这次的烟雾报警器花费了我们很多的功夫，一步步原理的推敲，一步步电路的焊接，再一次次的检查调试，虽然结果并不理想，但是在这个过程中，我们还是收获了很多。 周子贺： 本次课程实验是一次综合的复习回顾过程，在课程设计中涉及到了数电课程里逻辑门电路、触发器、电路仿真软件、芯片功能的知识，并让我们联系实际，将理论切入生活，将理论用到实地，让课本的知识变得更为具体。总体来说，我们为这一次课程设计倾尽全力，做了所有可能的努力去出色完成这项任务，我对我们小组的表现很满意，我很开心进入到这个小组和其他两人一起努力奋斗。 从一开始我们就很重视本次课程设计，题目刚下来的时候我们的定位就是做到我们的最好，拿良好乃至优秀的评价，因此即使对一些拓展模块知识不是特别熟悉，我们对板子的定位依然是全功能板子，所有拓展功能都要在板子上实现。在这其中，客观挑战确实很大，我们对无线模块的知识不是特别熟悉，在多次查询、研讨之后，才将无线模块拿下，这是我们焊制板子过程中克服的最大难关。随后我们在老师指点以及仿真图的支持下，布线，焊接，一一顺利完成主电路模块，声音报警模块，计时电路模块，顺利完成了焊接工作。进入到调试的过程，我们陷入了比较麻烦的境地。效果出不来，存在着太多的可能，我们一一排查，将焊点是否牢固，布线是否出错，焊接是否短路或串线等问题都检查了数遍，最后我们缩小了问题范围，将气体感应器测试了多次，发现该感应器无法正常工作，在收到气体的情况下没法降阻实现导通。我想如果我们的时间能更多一点我们将彻底完成该功能。通过本次实验，我与其他同学的交流和研究中学到了很多，发现成品的完成其实还可以通过单片机的方式完成，这让我感觉十分深刻，如果能将最近所学的内容都联系起来去实现运用，这将对我们课本的知识理解做很大的帮助。本次实验我们已经尽了全力，不管结果如何，都感谢这次课程给我带来了很多收获。季凯： 本次课程设计大部分基于了时序逻辑电路的应用，所以任务的第一步是分析和掌握所涉及芯片的功能。第二步根据芯片功能，在确定了分模块的电路图之后，分析逻辑关系，有了分析逻辑的过程，可以加深对电路的理解，也可以提高焊接电路的速度，且避免了出错率。第三部是焊接过程，布局布线是工作量很大的一项工作，完成电路板的焊接工作后，我们就把板子拿到实验室检查是否能够正常工作。 其中在检查错误和解决错误的过程中，我们对所有焊点进行了排查，以排除虚焊点，但最后证实并没有这种情况。其实在问题解决之后，仔细思考，面对出现的问题，没有确定一个检查方案，并且根本没有分析几个检查方案的孰优孰劣，直接几个检查方案都使用上，却没有起到立竿见影的效果，最后在老师的提醒下，我们采用了最简洁、最稳妥的方法，检查逻辑。直到已经开始焊接电子课程设计实验板的今天，我们对于两学期的数电和模电两门课程的基本认识才有了一定的雏形，如果说应付考试的话，我们只需要记住芯片的功能表并通过一系列的联系就可以达到目的，但是对于从事弱电的我们来说，动手能力是举足轻重的能力，实践的过程不仅仅意味着把在书本上看到的和在芯片上看到的简单联系，而是两者的相互对应，融