烟雾报警器的设计与制作毕业论文

1、 我校毕业设计(论文开题报告 摘 要随着现代家庭失火、 用电量的增加, 家庭火灾发生的频率越来越高。 烟雾报 警器也随之被广泛应用于各种场合。我国的烟雾自动报警系统经历了从无到有、 从简单到复杂的发展过程, 其智能化程度也越来越高, 且烟雾报警器种类比较烦 多, 主要是由分立器件和单片机控制的烟雾报警器。 鉴于目前家庭中的烟雾问题 以及设计要求, 我们设计了家庭烟雾智能报警系统! 本设计是由分离元器件构成 的烟雾报警器。 它主要由三部分构成:单项桥式整流电路、 气敏传感器电路、 555多谐振荡器电路。 其中传感器选用半导体传感器中典型的 MQ-2气敏传感器, 通 过振荡电路构成的报警电路实现对

2、家庭烟雾的检测, 及时避免由于烟雾造成的财 产和人们的生命安全!关键词 :分立器件 /传感器 /烟雾 /报警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 录1 绪论 21.1论文研究背景、目的和意义 2 1.1.1论文研究背景

6、2 1.1.2论文研究目的和意义 3 1.2烟雾报警器的国内外现状及发展趋势 4 1.2.1烟雾报警器的国内外现状 4 1.2.2烟雾报警器的发展趋势 5 1.3本论文及设计要达到的要求 662.1烟雾报警器的设计方案及选择 6 2.1.1设计方案 6 2.1.2方案选择 82.2电路工作原理 9 2.3电路各部分具体结果和参数计算 10 2.4烟雾传感器的选型 142.4.1基本概况 14 2.4.2功能特点 15 2.4.3技术参数 15 2.4.4烟雾传感器分类 152.5烟雾传感器的选定 17 2.6MQ-2型烟雾传感器的工作原理 18 2.7MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 20

7、 2.8烟雾检测报警器的功能 22 2.9方案总结 2313.MULTISIM 电路仿真 233.1M ULTISIM 简介 23 3.2M ULTISIM 的发展趋势 23 3.3M ULTISIM 特点 24 3.4烟雾报警器电路仿真分析及结果 254 烟雾检测报警器的元器件选择及采购 26 27 27结 论 28参考文献 29 311 绪论1.1 论文研究背景、目的和意义1.1.1 论文研究背景近年来, 随着人民生活水平的提高, 家庭自动化、 电气化的不断普及, 用火、 用电、用气十分普遍。 然而, 居民的防火安全意识并没有随着家庭的现代化同步 提高,家庭成员对防火知识的匮乏令人担忧,

8、从而导致因乱接电线、 盲目增大功 率电器、 用火用气不慎引起的火灾事故频频发生。 居民住宅存在的火灾隐患更无2法得到及时有效的治理! 烟雾报警器是一种用于检测烟雾的感应传感器, 一旦发 生火灾危险,其内部的电子扬声器便会及时警醒人们。在我国的一些大中城市,几乎每天都发生家庭火灾,所以防火是每个家庭 必须时刻注意的问题。 假如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施, 一 些悲剧是完全可以避免的。消防部门的统计显示,在所有的火灾比例中,家庭火灾已经占到了全国火 灾的 30%左右。据报道:2014.1.28天津市红桥区西于庄城防里大街三兴里一户居民家中不慎失火, 一名男子在火灾中死亡。11月 5

9、日,启东市某居民楼内发生一起煤气轰然起火事故。一名妇女使用 液化气过程中,煤气发生泄漏。当她再次点燃煤气灶时,一股火焰瞬间燃烧,其 双手被烫伤。本月上旬, 港闸区某出租房内也发生了一起煤气事故, 一名男子将 煤气残气倒进卫生间的下水管道时正抽着烟,幸亏其躲闪及时未造成严重后果。 今年江苏省淮安市九九消防日的主题为“找火灾隐患,保家庭平安” 。临近 “ 119”消防宣传日,江苏省淮安市消防支队盱眙大队各种形式多样的消防宣传 教育活动也已紧锣密鼓地开展起来。 通过以上我们不难看出家庭火灾对我们大家 生命财产安全的影响,同时也看到了相关部门是非常重视家庭火灾的防护! 在 2014年十月下旬, 按照学

10、校的要求, 我们 12级的毕业生要开始进行毕业 设计。在陈祖新老师的领导下,我们开始了毕业设计的工作 ! 因为当时看到供选 的课题后, 立马将目光转移到了烟雾报警器上, 因为我觉得目前火灾以及家庭火 灾这块很值得我们去研究!通过最后的选题以及老师的要求要通过分立器件做, 我们最终将烟雾报警器的范围缩小到了研究家庭火灾以及小范围的等更贴近我 们生活的家庭烟雾报警器!1.1.2 论文研究目的和意义众多数据表明,采用家用烟雾报警器的好处有:1. 可以再着火是迅速发现 火灾 ;2. 减少人员伤亡率 ;3. 减少火灾损失,火灾损失往往仅限于首先着火的物 质。各项火灾统计还表明, 着火与发现火灾之间的间隔

11、时间越短, 火灾死亡率就 越低。 事实上, 受烟雾报警器保护的家庭火灾死亡率低于那些没有这种保护的家3庭火灾死亡率。综上情况可知, 在民用住宅中使用烟雾报警器是必不可少的。 现针对我国民 用住宅缺乏使用烟感器意识的现象提出以下建议:一、国家立法部门可制定相应法规,强制民用住宅区域安装烟感器 ; 另外, 政府参与调节烟感器的售价幅度, 适当给予补贴政策, 让普通家庭都能承受并愿 意去购买。二、针对居民对住宅防火如此无知,政府相关部门深入开展社会宣传工作, 向居民广泛宣传住宅防火的重要性、 必要性及具体措施。 大力发动民宗安装住宅 烟感器,直到国内城乡居民住户全部普及使用为止。三、 消防协会可协同

12、法律和保险部门,由家庭财产保险部门出资,对每幢居 民住宅强制性安装烟火报警器,以此减少住宅火灾危险。四、 对新建的居民住宅,相关部门应强调必须安装烟感器。还应组织检查城 市旅馆、 酒店、 商场等公共场所是否合理安装烟感器。 以确保火灾发生后能将危 害降到最低。1.2 烟雾报警器的国内外现状及发展趋势1.2.1 烟雾报警器的国内外现状早在上个世纪 30年代左右, 国外就展开了烟雾报警器的研究, 而其发展 迅猛! 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

13、 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。 1963年 5月,日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器, 次年 12月其改良产品问世, 改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气 体, 可 以安装在浴室或者采用集中监视。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,4产品数量也在不断增加。 但主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

14、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。燃气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

15、。检漏仪的体积较小, 可随身携带或手持, 主要应用于燃气管理的查漏 与 巡检。若有燃气泄漏,检漏仪便会发出声光报警,同时数字显示烟雾浓 度,以 便及时采取安全措施, 防止爆炸等恶性事故的发生。 控制器与探测器结合使用, 可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。探测器安装在防爆现场, 控制器壁挂在值班室等有人值守的地方, 二者采用 屏蔽电缆线连接。 当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后, 通过屏蔽电缆线将信 号传到控制器, 控制器发出声光报警, 同时启动排风装置或关闭电磁阀切断气源, 以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等工业场所。1.2.2烟雾报警器的发展趋势在这个人类经济与科技迅

16、猛发展的年代,伴随这电子、计算机、通讯和现 代控制技术的迅速发展,现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线 制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、 高灵敏化、综合化等方面发展。针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致,系统误报、漏报频繁, 智能化程度低, 网络化程度低、 特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较为5突出的现象,提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、 开放的通讯协 议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究,对系统方案、设备选 型的优化组合,改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维护要求, 向着高可靠性、高灵敏性、

17、低误报率、系统网络化、技术智能化方向发展,为更 好的预防和遏制建筑火灾提供强有力的保障,从而更好的保护国家和人民的生 命、财产安全。1.3 本论文及设计要达到的要求在我们选定了课题后, 陈祖新老师给我们提出了要求。 首先第一个就是必须 用分离元器件做,而且要做出实物,不能用单片机或是 PLC 等其他可编程程序 控制:主要是为了锻炼我们对模拟数字电路掌握的能力,当然用分离元器件做, 在某些方面更具有挑战性,也更具有设计意义; 第二个就是控制要求。 当检测到 烟雾或是一些可燃性气体后能够报警, 而且还要有红灯闪烁。总的来说,没有太 多额外要求。通过目前的电路仿真情况来看没有太大要求!2 烟雾报警器

18、的方案设计2.1 烟雾报警器的设计方案及选择气体烟雾报警器的基本原理是当环境中有气体烟雾时,气敏传感器的阻值降低,导致电路中电流或电压升高,开关元件探测到此变化,触发喇叭,实现报警。2.1.1设计方案1. 方案一 二级远程报警电路设计这种设计采用二级设计 1 , 第一级为气敏开关电路, 其作用是探 测气体烟雾的存在,报警并向远端接受装置发射报警信号。第二级为接收 报警电路,其作用是接收第一级信号并在远端发出报警。第一级:6 第二级: 图 2-1 二级远程报警电路设计框图2、方案二 狭域报警电路设计这种电路设计定位于一定区域内的气体烟雾报警, 它由电源电路、 稳压电路、 气敏传感电路和触发报警电

19、路组成。 图 2-2 狭域报警电路设计框图3、方案三 单片机报警电路设计7报警器系统结构框图如图 2.2所示, 系统以单片机为核心, 配合外围电路共 同完成信号采集、 浓度显示、 时间显示、 状态显示、 声音及闪烁报警、 按键输入、 故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式, 进行两级报警值设定, 并发出不 同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机,要求工作稳定、测量精度高、通 用性强、功耗低,保证报警器的精确性及可靠性,而且最好体积小,成本低,有 利于减少报警器的体积,降低报警器的成本。图 2-3可燃性气体检测报警器结构框图2.1.2 方案选择二级远程报警电路设计适合于大型企业,大型商场以及

20、图书馆等人流较多, 安全隐患较分散又不明显的需要专门人员进行时时监控的较大范围区域。 这种设 计思路的优点是监控范围广,可进行远程报警, 对于监测人员来说比较方便, 但 从实施上来看线路繁多,设计复杂,资金消耗较大。 对于我们学校做毕业设计来 说不太符合实情:在我们的周围不太具有实际意义, 而且资金以及其他的设计都 不太适合我们做毕业设计,所以不能要!单片机设计电路测量精度高、成本低、工作稳定,但是用到单片机,较其它 89的设计成本高,使用复杂。当然,这里我们首先是可以否定这个的。因为老师明 文规定了:不能使用单片机做,在这里不再陈述!狭域报警电路设计适合于一定区域内的气体烟雾报警, 如个人家

21、庭, 一栋住 宅楼,网吧等需要监控范围小的区域。这种设计的优点是简单易行,清晰流畅, 设计简单,易于实现,而且不需要很多的资金。很明显这种方案更适合我们。一 是制作出来更有实用意义,而且做出来的成功概率大。再者不需要太多资金, 设 计不是异常繁琐而又同时考察了我们的学习能力! 所以本课程设计选择狭域报警 电路设计方案。2.2 电路工作原理工作原理是:电源采用 220V 交流电,通过变压器把 220V 交流电转变为 9V 交流电, 再通过单项桥式全波整流电路将交流电转变为直流电, 由于气敏传感器 灯丝加热电压要求稳定,故采用稳压块 7805进行稳压。 555定时器组成的多谐 振荡报警电路(如图

22、7所示 ,电源经电阻 R 1和 R 2对电容 C 进行充电,其电压 u c 由 0按指数规律上升。 当 u c 32V cc 时, 电压比较器 G 1和 G 2的输出分别为 u 1G =0、u 2G =1,基本 RS 触发器被置 0, Q =0,-Q =1,输出 u o 跃到低电平 U oL 。与此同时, 放电管 V 导通,电容 C 经电阻 R 1和 R 2放电管 V 放电,电路进入暂稳态。随着电容 C 的放电, u c 随之下降。 当 u c 下降到 u c 31V cc 时, 则电压比较器 G 1和 G 2的输出为 u 1G =1、 u 2G =0, 基本 RS 触发器被置 1, Q =1

23、,-Q =0,输出 u O 由低电平 U OL 跃到高电平 U OH 。同时,因 -Q =0,放电管 V 截止,电源又经电阻 R 1和 R 2对电容C 进行充电, 电路又回到前一个暂稳态。 这样, 电容 C 上的电压在 32V cc 和 31V cc 之间来回充电和放电,从而使电路产生振荡,输出矩形脉冲。当有气体或烟雾时, A-B 极间阻值降低,使 4脚电位上升, 555起振,扬声器发出警告。通过分析出来的工作原理,我们绘制出的原理图如下: 图 2-4 烟雾报警器原理图2.3电路各部分具体结果和参数计算1、电源电路此单元电路的任务是通过变压器把 220V 交流电转变为 9V 交流电, 再通过单

24、 向桥式全波整流电路将交流电转变为直流电, 此电路为后级电路提供直流输入电 压。电路图如下: 图 2-5 电源电路10112、稳压电路此单元电路的任务是把电源电路输入的直流电进行稳压, 由于气敏传感器灯 丝加热电压要求稳定,故采用稳压块 7805进行稳压。3、气敏传感电路此单元电路的任务是探测气体烟雾的存在,当有气体或烟雾时, A-B 极间的 阻值降低,调节后级电路电位上升。 本电路的主体元件是气敏传感器。为什么选 用 MQ-2在下面将会说到! 图 2-6 稳压电路4、触发、报警音响电路此单元电路的主要任务是当有气体或烟雾时起到报警作用。 当有气体或烟雾 时, 4脚电位上升到使 555起振,通

25、过扬声器起到报警作用。其核心元件是 555组成的多谐振荡报警电路。图 2-7 气敏传感电路图 2-8 触发、报警音响电路 125、 555多谐振荡电路多谐振荡器是一种自激振荡电路, 不需要外加输入信号, 就可以自动地产生 出矩形脉冲。图 2-9 555多谐振荡电路6、参数计算如 555多谐振荡器电路图所示, 为使报警器在没有气体和烟雾时能继续报警一段时间,电路中 R 1 =150K,R2=150K,C=90F. 多谐振荡器的振荡周期为T=t 1 W +t2W(1 1314t 1W 为电容 C 上的电压由 31V cc 上升到 32V cc 所需要的时间, 充电回路的时间 常数为(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 为电容 C 上的电压由 32V cc 下降到 31V cc 所需要的时间, 放电回路的时间 常数为 R 2C. t2W 可用下式估算t 2W =R2Cln2 0.7R 2C=9.5s (3所以,多谐振荡器的振荡周期为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,无气体和烟雾后维持报警的时间为 28.4s.2.4 烟雾传感器的选型烟雾传感器属于气敏传感器,是气 -电变换器,它将可燃性气

27、体在空气中的 含量 (即浓度 转化成电压或者电流信号。当有气体或烟雾时,传感器内部的阻值 降低,调节后级电路电位上升,导致电路电压或是电流发生变化,由 555定时器 构成的报警电路开始工作! 传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分, 是仪表 的核心组成部分之一。由此可见,传感器的选型是非常重要的。2.4.1 基本概况烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的, 烟雾报警器内部采 用离子式烟雾传感, 离子式烟雾传感器是一种技术先进, 工作稳定可靠的传感器, 被广泛运用到各种消防报警系统中,性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。 它在内外电离室里面有放射源镅 241,电离产生的正、负离子,在电场

28、的作用下 各自向正负电极移动。在正常的情况下,内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动,电流, 电压就会有所改 变,破坏了内外电离室之间的平衡, 于是无线发射器发出无线报警信号, 通知远 方的接收主机,将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、 工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领 域。2.4.2 功能特点光学迷宫 采用低功耗 CMOS 微处理器 特殊防潮设计 独立 /联网 /无线输出方式(可选具有手动测试、手动复位功能 工作性能稳定可靠 单面 PCB 工艺 采用超薄式结构设计 结构设计独特,防尘、防虫、

29、抗外 界光线干扰2.4.3 技术参数 2.4.4 烟雾传感器分类1. 离子式烟雾传感器 该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感,离子 式烟雾传感器是一种技术先进, 工作稳定可靠的传感器, 被广泛运用到各消防报 警系统中, 性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。 它在内外电离室里面有放射源 镅 241,电离产生的正、负离子,在电场的作用下各自向正负电极移动。在正常 的情况下,内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电离室。干 表 2-1 MQ-2传感器技术参数15扰了带电粒子的正常运动,电流, 电压就会有所改变, 破坏了内外电离室之间的 平衡,于是无线发射器发出无线报警信号, 通知远方的接收主

30、机, 将报警信息传 递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别 墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。2. 光电式烟雾传感器 光电烟雾报警器内有一个光学迷宫,安装有红 外对管, 无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光, 当烟尘进入光学迷 宫时, 通过折射、 反射, 接收管接收到红外光, 智能报警电路判断是否超过阈值, 如果超过发出警报。光电感烟探测器可分为减光式和散射光式,分述如下: (1 减光式光电烟雾探测器 该探测器的检测室内装有发光器件及受光器 件。在正常情况下,受光器件接收到发光器件发出的一定光量;而在有烟雾时, 发光器件的发射光到受到烟雾的

31、遮挡, 使受光器件接收的光量减少, 光电流降低, 探测器发出报警信号。 (2 散射光式光电烟雾探测器 该探测器的检测 室内也装有发光器件和受光器件。 在正常情况下, 受光器件是接收不到发光器件 发出的光的,因而不产生光电流。在发生火灾时,当烟雾进入检测室时,由于烟 粒子的作用,使发光器件发射的光产生漫射, 这种漫射光被受光器件接收, 使受 光器件的阻抗发生变化, 产生光电流, 从而实现了烟雾信号转变为电信号的功能, 探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。两种传感器的比较 离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一 些, 对各种烟能均衡响应; 而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应

32、较 灵敏, 对灰烟、 黑烟响应差些。 当发生熊熊大火时, 空气中烟雾的微小粒子较多, 而闷烧的时候,空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后, 产生了大量 的烟雾的微小粒子, 离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。 这两种烟雾报 警器时间间隔不大, 但是这类火灾的蔓延极快, 此类场所建议安装离子烟雾报警 器较好。 另一类闷烧火灾发生后, 产生了大量的稍大的烟雾粒子, 光电烟雾报警 器会比离子烟雾报警器先报警,这类场所建议安装光电烟雾报警器。3. 气敏式烟雾传感器 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主 要包括半导体气敏传感器、 接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等, 其中 用的最

33、多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有:一氧化碳气体的检测、 瓦斯 气体的检测、煤气的检测、氟利昂(R11、 R12的检测、呼气中乙醇的检测、16人体口腔口臭的检测等等。 它将气体种类及其与浓度有关的信息转换成电 信号, 根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况有关的 信息,从而可以进行检测、监控、报警;还可以通过接口电路与计算机组成自动 检测、控制和报警系统。 其中气敏传感器有一下几种类型:(1可燃 性气体气敏元件传感器 , 包含各种烷类和有机蒸气类 (VOC气体 , 目前大量应用 于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机 ; ( 2一氧化碳气敏元件传感器 , 一氧化碳 气敏元件

34、可用于工业生产、环保、 汽车、 家庭等一氧化碳泄漏和不完全燃烧检测 报警 ; (3氧传感器 , 氧传感器应用很广泛 , 在环保、医疗、冶金、交通等领域需 求量很大 ; (4毒性气体传感器 , 主要用于检测烟气、尾气、废气等环境污染气体。 气敏式烟雾传感器的典型型号有 MQ-2气体传感器。 该传感器常用于家庭和工厂 的气体泄漏装置,适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探 测。气敏式烟雾传感器与离子式烟雾传感器的比较 火灾烟雾是由气、液、 固体微粒群组成的混合物,具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型烟 雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的微 电

35、流变化装置。当烟雾粒子进入电离室, 改变了电离室空气的电离状态, 从而宏 观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大, 由此来确定空气中 的烟雾状况。 而气敏式传感器是探测空气中某些可燃气体的成分, 所以在火灾探 测方面,气敏式传感器性能并不如离子式传感器。探测空气中可燃气体的含量。 有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳等多种可燃性气体的微量泄漏。 适用于石油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企业,以及煤气厂、液化石 油气站、氢气站等生产和贮存可燃性气体的场所。2.5 烟雾传感器的选定烟雾检测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

36、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。使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17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。 中毒是如果环境空气中含有硅烷之 类的物质时,则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒,以致灵敏度很

37、快就 丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时,经常对探头进行标定,是必须且有 效的办法。因此, 经常对传感器进行标定,是保证其准确性的必要的途径。 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

38、用特性, 发现半导体烟雾传感器的优点更 加突出:灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜,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。而在众多半导体气体传感器中,本设计选用 MQ-2型烟雾传感器,这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等优点。2.6 MQ-2型烟雾传感器的工作原理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器件制作的烟雾传感器。 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

39、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。半导体气敏传感器的分 类如表 2.2所示。表 2-2半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器 300450°C18 本设计中采用的 MQ-2型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料, 属于表 面离子式 N 型半导体。当处于 200300°C 温度时,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受 到该烟雾的调制而变化,就会引起表 而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息

40、。遇到可燃烟雾(如 CH4等时,原来吸附的氧脱附,而由可燃烟雾以正离 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 MQ-2型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。 MQ-2型传感器的结构图如 图 2.1所示,其外观如 2.2所示。19 图 2-10 MQ-2型传感器的结构图 图 2-11 MQ-2型传感器的外观2.7 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(aMQ-2型

41、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。(bMQ-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,长时间工作性能好。20©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,例如酒精和烟雾等。(d电路设计电压范围宽, 24V 以下均可;加热电压 5±0.2V 。(2 MQ-2型传感器的基本特性(a 灵敏度特性烟雾传感器在最佳工作条件下,接触同一种烟雾,其电阻值 RS 随气 体浓 度变化的特性称之为灵敏度特性,用 K 表示。 K=RS / R0 (2-1 式中, R0为烟 雾传感器洁净空气条件下

42、的电阻值, RS 为烟雾传感器在一定浓度的检测烟雾中 的电阻值。 虽然对于不同的烟雾,器件灵敏度特性 K 的值也会各有差异,但是 它们都遵循同一规律,log RS = m logC + n (2-2式中, m 为器件相对烟雾浓度变化的敏感性, 又称烟雾分离能, 对于 烟雾, m 值为 1/21/3; C 为检测烟雾的浓度。 n 为与检测烟雾,器件材料有关,并随测 试温度和材料中有无增感剂而有所不同。(b 初期稳定特性半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后, 再通电时, 器件并不能立 即投入正常工作。 这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸附空 气中的水蒸气, 当再次通电时需要预

43、热几分钟使水蒸气蒸发后, 气敏电阻才能正 常工作。 再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间, 定义为初期稳定时 间。一般情况下,不通电时间越长,初期稳定时间也越长,当不通电存放时间达 到 15天左右时,初期稳定时间一 般需要 5分钟左右。(c 加热特性半导体烟雾传感器一般要在较高的温度 (200450°C 下工作, 所以需要对其 加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下, 若加热丝直接与电源相接, 当加 热丝局部短路造成器件过热或放电时, 可能引发事故。 所以必须使用传感器生产 厂家推荐的加热电压,使其工作在较安全的范围内。 MQ-2型烟雾传感器加热电 压为 5±0.

44、2V ,加热电阻为 31±3? 。当加热丝断路时,由于热惰性缘故,烟雾传 感器的气敏特性并不立即消失, 此时检测必出现较大的误差。 为避免出现这种情 况,并及时发现气敏元件的故障, 需要设计加热丝故障诊断报警电路。212.8烟雾检测报警器的功能(1状态显示功能控制输出的状态指示灯 , 绿灯常亮表示正常状态, 环境中可燃烟雾浓度极低 . 红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值,提醒用户尽快作相应安全措 施。 当烟雾浓度超过报警限,报警器发出鸣叫,用户到达现场,可按下按键停 止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限,报警器会再次鸣叫提醒用户。 (2烟雾报警功能当烟雾浓度连续一段时间

45、取值都在报警限值之上, 蜂鸣器开始报警, 且声音 越来越急促,并且伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感,所以变化的 声音及灯光更容易引起用户的注意。222.9 方案总结本节主要阐述了烟雾报警器的设计方案:即报警器的设计与传感器的选择。 大致从设计方案的筛选、 选定方案的工作原理以及各部分电路的详细介绍、 烟雾 传感器知识以及选定、 MQ-2传感器介绍。烟雾报警器的设计方案大致就那么几种, 应该说对比还是非常强烈, 选择相 对来说不是太难。 难点在于方案确定后分析电路过程致研究出电路原理图。 这是 一个产品的核心,亦是一个难点。 通过网上的学习以及结合平时的数模知识, 最 终确定的原理图大

46、致没有太大问题, 具体的还要看仿真结果! 后面重点普及了一 下烟雾传感器的知识, 应该说在接触这个设计之前, 我们大家并不是十分了解这 方面的相关知识。 因此, 在查阅资料的同时, 我们也是学到了很多。 后面对 MQ-2的补充可能不尽完善, 但是对于我们研究本设计是足矣, 相信这个学习过程并将 会对我们以后的学习会有很大帮助!3.Multisim 电路仿真3.1 Multisim简介工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技 术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的

47、设计,这也使其更适合电子学教育。 通过 Multisim 和虚拟仪器技术, PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成 从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程! 3.2 Multisim的发展趋势加拿大 EWB (Electrical WorkbenchEWB4.0图 2-12 MQ-1传感器详细参数23EWB5.0EWB6.0Multisim2001Multisim 7Multisim 8美国国家仪器(NI 有限公司Multisim 9Multisim 10Multisim 11Multisim 12Multisim 13目前在各高校教学中普遍使用 Multi

48、sim10.0,网上最为普遍的是 Multisim 10.0, NI 于 2007年 08月 26日发行 NI 系列电子电路设计软件, NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。在本次电路仿真中使用的版本是Multisim 。3.3 Multisim特点首先,作为 Multisim 来说,其最重要的功能当然是其出色的仿真功能。用 Multisim 你可以搭建一个属于自己的实验工作室,在这里你可以将你设计的电 路进行一次逼真的模拟!下面,我为大家一一列举其强大的功能。有着直观的图形界面。 整个操作界面就像一个电子实验工作台, 绘制电路所 需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直

49、接拖放到屏幕上, 轻点鼠标可用导线将 它们连接起来,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、 波形 和特性曲线如同在真实仪器上看到的!丰富的元器件。 提供了世界主流元件提供商的超过 17000多种元件, 同时能 方便的对元件各种参数进行编辑修改, 能利用模型生成器以及代码模式创建模型 等功能,创建自己的元器件。强大的仿真能力。 以 SPICE3F5和 Xspice 的内核作为仿真的引擎,通过 Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行 优化。包括 SPICE 仿真、 RF 仿真、 MCU 仿真、 VHDL 仿真、电路向导等功能。 丰

50、富 的 测 试 仪 器 。 提 供 了 22种 虚 拟 仪 器 进 行 电 路 动 作 的 测 量 : Multimeter(万用表、 Function Generatoer(函数信号发生器等一大批! 完备的分析手段。 Multisimt 提供了许多分析功能:DC Operating Point Analysis (直流工作点分析、 AC Analysis (交流分析、 Transient Analysis24(瞬态分析、 Fourier Analysis(傅里叶分析等一大波经典电路分析! 独特的射频(RF 。 提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由 RF-specific (射频特殊

51、元件,包括自定义的 RF SPICE模型 、用于创建用户自 定义的 RF 模型的模型生成器、两个 RF-specific 仪器(Spectrum Analyzer频 谱分析仪和 Network Analyzer 网络分析仪 、 一些 RF-specific 分析 (电路特性、 匹配网络单元、噪声系数等组成;模块强大的 MCU 模块。 支持 4种类型的单片机芯片,支持对外部 RAM 、外部 ROM 、 键盘和 LCD 等外围设备的仿真, 分别对 4 种类型芯片提供汇编和编译支持; 所建项目支持 C 代码、汇编代码以及 16进制代码,并兼容第三方工具源代码! 完善的后处理。 对分析结果进行的数学运

52、算操作类型包括算术运算、 三角运 算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等!详细的报告。 能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报 告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表 7种报告;兼容性好的信息转换。 提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法, 可 以输出原理图到 PCB 布线(如 Ultiboard 、 OrCAD 、 PADS Layout2005、 P-CAD 和 Protel 等其他文件!3.4 烟雾报警器电路仿真分析及结果根据在 DXP 中画出的原理图,我们在 Multisim12.0仿真过程中进行了一些 改进。下图则是最后确定的原理图! 在原先设

53、计的基础上, 我们加入了一个反相 器来控制红灯与绿灯的反向控制要求, 以及在传感器附近加入了一个滑动变阻器 通过分压来调节烟雾传感器的灵敏度! 不知道是因为软件问题还是系统问题, 有 一些元器件无法找到,因此 MQ-2只能用 R4代替。在软件中因为没有找到 7805稳压块, 因此这个图中就不能展示了!然而又有意外产生了, 在整流电路之后的 滤波电容有问题, 每当拿下电容电路就可以正常仿真, 一旦加上滤波电容就会仿 真错误。因此为了整个实验考虑,暂时先不加,预留出一定位置,等待实物做出 以后考虑加减器件。但是就整个电路而言不会有太大影响!前面已经介绍, 整个电路由三大部分组成。我们通过测试, 当

54、电路正常工作 后各部分的电流电压以及振荡电路的输出波形,我们能够看到达到了预期效果。25应该说通过一些简单的测试, 我们暂时还没有发现太大问题, 希望在实物制作过 程中能够成功!4 烟雾检测报警器的元器件选择及采购通过在 Multisim 中对 DXP 原理图的改进,通过原理图我们可以看出此次试 验所需元器件并不算多。主要分为:555集成块、 7805稳压块、 MQ-2传感器、 变压器等。再仿真完电路后, 我们通过老师的介绍到市场选购元器件。 由于事先没有将 导出的原件清单打印出来, 导致在购买构成中出现了点问题。 最后回来后发现了 漏掉了几个小元器件, 还有开关也买错了。 不够对于最后试验成

55、功与否不会造成 太大影响,毕竟我们并不是做成实用产品!当然这也告诉我们,在以后工作中, 物料采购是一件很细致的事,要用心去做! 图 3-1 烟雾报警器仿真图265. 电路板的线路布置以及焊接当我们买来元器件后心里边想,我们的试验产品已经只是一炷香的功夫了。 因为, 我们一直觉得那几个元器件布局好后焊接是很快的事。 但是往往非常简单 的事,我们做起来总是会遇到各种麻烦!我们检查完元器件后开始对元器件开始布局,大致是按照原理图的走向布 置,看似很简单。但总是会遇到问题,首先就是变压器,因为变压器比较大,占 的位置相比较于其他元器件自然是不同。而且, 我们纠结的是其如何走线, 最后 只能决定剪掉那很

56、长的引线, 像元器件那样去用导线在背面连接。 还有一些集成 款引脚很粗不能通过细孔, 当时我们也没有钻孔机, 用其他的东西很容易弄掉铜 膜。应该说在布局的时候,我们就遇到了一些小问题!布局完后自然就是走线焊接了, 这个时候除了考验我们的焊接功夫, 还得考 验我们的细心。 因为一旦线走错了, 那一切就前功尽弃了。 最后检查也会很麻烦! 通过两天的努力, 在我们组长的带领下, 我们完成了这个看似简易却不失为对所 学知识很好检验的烟雾报警器的基本工序!6. 整机调试与检测经过两天的焊接, 我们完成了烟雾报警器实物制作。 当我们抱着满心的激动去测 试的时候, 结果却是让我们大跌眼镜。 当我们通电后,

57、我们就听到了不好的声音, 27这并不是告诉我们我们买的喇叭是好的, 而是我们实验失败了! 因为我们没有做 任何测试, 只是通电了。 我心里很不明白, 为什么仿真电路没有大问题的前提下, 实验的结果会是这么出人意外。 这样的结果的确让我们有点难以接受, 既然通电 喇叭就能响, 那说明 555振荡电路没有收到 MQ-2的信号, 因此 MQ-2构成的气体 检测电路是有问题的。通过用万用表的几番测试发现 MQ-2构成的电路似乎没有 太大问题。可能是由于我们没有掌握方法的缘故,至此我们没有解决这个问题。 同时遗憾的宣告我们这次毕业设计的实物制作失败了, 尽管如此, 我们依然还是 有很多体会。我们理论上都是对的, 为什么做出的实物有问题。 这说明我们的动 手能力不够,当然如果我们的理论足够强,像这样的实验是不是检测不出来的。 通过这次毕业设计告诉了我们, 学习是一个求实的过程, 要想把一门知识学好还 是得踏实去钻研,懂些皮毛终究不能解决我们实际遇到的很多问题!结 论烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全