智能仓库火焰报警器设计与制作

1、传感器检测技术课程设计智能仓库火焰报警器设计与制作 2021 年 6 月目录1绪论22系统工作原理32.1火灾形成的原因32.2火焰报警控制器的原理43硬件电路设计53.1 电子元器件介绍53.1.1 电源指示发光二极管53.1.2 电压取样电位器53.1.3 蜂鸣器63.1.4火焰传感器73.1.5 轻触开关83.1.6 半导体三极管83.1.7通用运算放大器LM35893.1.8双D触发器401393.2 电路原理图设计103.2.1 火焰感应电路设计103.2.2 手动控制电路设计103.2.3 信号处理电路设计113.2.4 报警电路设计113.2.5电路原理图设计整图123.3.6工

2、作原理分析124安装调试135总结136附录141元器件清单142硬件实物图143硬件电路焊接实物图153参考文献161绪论多少年来，火灾一直是人们所遭遇的最主要灾害之一，曾对人类的文明造成了重大破坏，许多著名的建筑大都毁于火灾。例如：我国的南宋在杭州建都后，先后发生火灾20次，其中5次使全城为之一空。公元1201年3月农历的一场大火烧了数天，蔓延到城内外10余里，烧毁宫室、军营、仓库、民宅等58000余间，受灾达186300余人，成为我国灾害火灾之最。现在,火灾仍然不断对人类社会造成巨大损失伤害,根据世界火灾统计中心的统计,近年来全球范围内,每年发生的火灾有600-700万起,死亡人数为65

3、000-75000人.大多数国家的火灾直接损失都占国民经济总值的0.2%以上.实际上,发生火灾后,除了直接经济人亡财产损失外还有相当大的间接损失,所以要开展加强火灾防范,加强火灾方便的研究。物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火焰报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火焰报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。火焰报警系统一般由火焰探测器、区域报警器和集中报警器组成。火焰探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气燃烧气体、烟烟雾粒子、热

4、温度、光火焰的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火焰报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用 还可迅速发出指示和向消防队报警。光辐射探测器一种是红外光辐射探测器。物质在燃烧时，由化学反响产生闪烁的红外光辐射使硫化铅红外光敏元件感应，转变成电信号，经放大后，就能向人们报警。另一种是紫外光辐射探测器，那么利用有机化合物燃烧时，火光中的紫外光，使紫外光敏管的电极激发出离子，通过继电器等，就能翻开开关电路报警。

5、0;火焰报警器是重要的平安设备，一切重要的场所，如大型物资仓库、隧道、大型船舶、高层建筑都应该安装。它还可以与自动灭火设备一起组成自动报警、自动灭火的“自动消防队。2系统工作原理2.1火灾形成的原因在初中的物理、化学课中我们曾学习过，产生火灾的根本要素是可燃物、助燃物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃物通常是空气中的氧气。液体和固体是凝聚态物质，难以与空气均匀混合，它们燃烧的根本过程是从外部获取一定的能量时，液体或固体先蒸发成蒸汽或分解出可燃气体如CO、H2等的分子团、灰烬和未燃烧的物质颗粒悬浮在空气中，称之为气溶胶。一般气溶胶的分子较小，在产生气溶胶的同时，产生分子较大的液

6、体或固体微粒，称之为烟雾。可燃气体与空气混合，在较强火源作用下产生预混燃烧，着火后，燃烧产生的热量使液体或液体的外表继续放出可燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红、紫外线的火焰，散发出大量的热量。这些热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热对流，使火从起火部位向周围蔓延，导致了火势的扩大，形成火灾。其中的气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定便可确定是否存在火灾。 总的来说，普通可燃物在燃烧时表现为以下形式：首先是产生燃烧气体，然后是烟雾，在氧气充足的条件下才能到达全部燃烧，产生火焰，发出可见光和不可见光，并散发出大量的热，使环境温度升高。起火过程中，阴

7、燃产生大量的烟雾，但是环境温度不太高，假设探测器从此阶段进行探测就可以使火灾损失控制在最小限度。火焰燃烧后，迅速蔓延，产生大量的热使得环境温度升高，如果能在这时探测到可以比较及时地控制火灾。有效的温度值，起火过程曲线如图2.1所示：图2.1起火过程曲线图2.2火焰报警控制器的原理火焰报警控制器是火灾自动报警系统的重要组成局部。在火灾自动报警系统中，火焰探测器是系统的感觉器官，随时监视着周围环境中的火灾情况。而火焰报警控制器是系统的“躯体和“大脑，是系统的核心，它可以供给火灾探测器稳定的直流电源，监测连接的各类火灾探测器有无故障。保证火灾探测器长期、稳定、有效地工作。当火焰探测器探测到火焰情况后

8、。接受火灾探测器发来的报警，迅速、正确地进行转换和数据处理，指示报警具体部位和时间，同时执行相应的辅助控制等诸多任务。因此火灾报警控制器除了具有控制、记忆、识别和报警功能外，还具有自动检测、联动控制、打印输出、图象显示、图形显示、通信播送等功能。火灾报警控制器功能的多少反映出火灾自动报警系统的技术构成，可靠性、稳定性和性能价格比等因素是评价火灾自动报警系统先进性的一向重要指标。 火灾报警控制器的的根本工作原理如图2.2，整个电路原理图可分为火焰感应电路、人工控制电路、信号处理电路和报警电路组成火焰感应电路信号处理电路报警电路手动控制电路图2.2电路原理框图本文以红外检测传感器与其他电

9、子技术相结合，设计出一种技术水平较好的红外火焰检测报警器，用于火焰检测。当仓库出现火光时，发出报警声，翻开灭火设备。电路采用5V直流电压供电，可以用打火机在火焰传感器上方30CM处点火模拟仓库发生火灾，信号处理系统电路将根据环境做出智能响应，发出报警声，只有按下报警消除按键轻触开关，报警声才能停止。3硬件电路设计3.1 电子元器件介绍3.1.1 电源指示发光二极管本电路中采用发光二极管、电阻串联构成电源指示电路。发光二极管将电能转变为光能，电阻将电能转变为热能。发光二极管，通常称为LED，内部是具有发光特性的PN结。当给这个PN加正向偏置电压时，PN结导通，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而

10、辐射发光。发光二极管引脚有正负之分，一般长的为正，短的为负。也可以从内部看到，接触面小的为正，接触面大的为负。外边有切口的为负，另一边就为正。发光二极管外形如以下图所示。图3.1发光二极管外形3.1.2 电压取样电位器电位器是可变电阻的一种，其电阻值的大小可以人为调节，以满足电路的需要。可以逐渐地改变和它串联的用电器中的电流，也可以逐渐地改变和它串联的用电器的电压，还可以起到保护用电器的作用。如以下图所示为104100K的电位器。图3.2可调电阻100K可调范围本电路使用的电位器是10310K的可调范围,通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得局部电压输出。电位器

11、的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，那么改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。3.1.3 蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、 机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，在电路中用字母组合HA表示。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后1.5-15V直流工作电压,多谐振荡器起振,输出1.5-2.5kHZ的音频信号，阻

12、抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。蜂鸣器还可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，这里的“源不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要通电就会发声。而无源蜂鸣器内部不带震荡源，所以如果用直流电信号无法令其鸣叫，必须用1K-5K的方波去驱动它才能发出不同频率的声音。有源蜂鸣器比无源

13、蜂鸣器的本钱要高，因为有源蜂鸣器里面多个震荡电路。无源蜂鸣器廉价，声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西的效果。本电路设计采用电磁式5V有源蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于一般的TTL电压无法直接驱动，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管构成驱动电路，如以下图所示： 图3.3三极管构成驱动电路3.1.4火焰传感器火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1-10m或更宽的范围，为了防止其他信号的干扰，常利用波长<300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4m附近的CO2辐射光谱作为探测信号。紫外线传感器只对185-260nm狭

14、窄范围内的紫外线进行响应,而对其它频谱范围的光线不敏感,利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。到达大气层下地面的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300nm，故火焰探测的220m-280nm中紫外波段属太阳光谱盲区日盲区。紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源一太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻。所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此之外，它还具有反响时间极快的特点。与红外探测器相比，紫外探测器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。因而充气紫外光电管正日益广泛地应用于燃烧监控、火灾

15、自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。 但对于传统的紫外光电管器件，由于结构设计和制备工艺的限制，其噪声和灵敏度是一个互相矛盾的参数。一般而言，需将灵敏度控制在一个适宜的水平，过高的灵敏度对器件的低噪声指标是十分困难的，因为灵敏度和噪声信号都是由光敏管发出，传统的检测器会将两种信号同时放大。所以其灵敏度比较差,检测距离小,不能抗雷电的干扰,存在一定的误报率。因而需要基于现有或新开展的探测原理方法，与其它学科技术交叉，通过改进信号采集和处理等方法来改善系统性能。本电路采用的火焰传感器可以检测火焰或者波长在760纳米1100纳米范围内的光源，探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏，

16、性能稳定，工作电压5V，火焰传感器探头的工作温度为-25摄氏度到85摄氏度，在使用过程中一定要注意火焰传感器探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。3.1.5 轻触开关轻触开关，又叫按键开关，由嵌件、基座、弹片、按钮、盖板等组成，轻轻按下开关接通，松开即断开。本电路使用的是四脚轻触开关，外型尺寸大小为6*6*7MM，在轻触开关底部我们可以看“北字图形，如以下图所示。图3.5轻触开关工作原理轻触开关是使用时轻轻点按开关按钮即可使开关接通，当松开手时开关即可断开，其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。3.1.6 半导体三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电

17、流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号, 也用作无触点开关，俗称开关管。本电路使用的是NPN型的三极管9012，当把有字的面向自己，引脚朝下，总左往右排列是发射极E，基极B，集电极C。如以下图所示。图3.6三极管的引脚图晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最根本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。3.1.7通用运算放大器LM358LM358是双运算放大器，内部

18、包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，引脚功能如下：LM358引脚功能排列LM358引脚功能介绍1脚：第一运放输出端2脚：第一运放反向输入端3脚：第一运放同向输入端4脚：接地端5脚：第二运放同向输入端6脚：第二运放反向输入端7脚：第二运放输出端8脚：正电源引脚 本电路设计利用了LM358中的其中一个运算放大器构成电压比较器，信号从第一运放

19、反向输入端2脚和同向输入端3脚输入，经比较后由第一运放输出端1脚输出。如果3脚电压大于2脚电压，那么1脚输出高电平；如果3脚电压小于2脚电压，那么1脚输出低电平。3.1.8双D触发器4013CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位存放器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。D触发器在时钟脉冲CP的前沿正跳变0到1发生翻转，触发器的次态取决于脉冲上升沿到来之前D端

20、的状态，即=D。因此，它具有置0、置1两种功能。由于CP=1期间电路具有维持阻塞作用，所以在CP=1期间，D端的数据状态变化，不会影响触发器的输出状态。和分别是决定触发器初始状态的直接置0、置1端。当不需要强迫置0、置1时，和端都应置高电平如接+5V电源。此外74LS74、74LS175等均为上升沿触发的边沿触发器。触发器的应用很广，可用作数字信号的存放，移位存放，分频和波形发生器等。CD4013真值表1CP (3脚) 1D (5脚)1RD(4脚)1SD(6脚)1Q(1脚)1/Q(2脚) 0000110010x00QQxx1001xx0110xx1111本电路设计把双D触发器设计成了RS触发器

21、，由6脚为置位输入端，4脚为清零输入端，1脚为输出端。3.2 电路原理图设计3.2.1 火焰感应电路设计利用火焰传感器把火焰中的红外光转换成电信号，与电路里的基准电压比较后输出火焰感应信号Si送到信号处理电路。当感应到了火焰时输出高电平，没有火焰时输出低电平。电路设计如下：图3.7火焰传感器3.2.2 手动控制电路设计当火焰感应电路触发了报警电路，必须通过手动控制电路产生去除信号Ci才能消除报警，电路设计如下：图3.8手动控制电路3.2.3 信号处理电路设计信号处理电路由双D触发器构成RS触发器，主要负责处理火焰感应信号Si和手动控制电路产生去除信号Ci，并产生相应的输出控制信号Ki给报警电路

22、，电路设计如下：图3.9信号处理电路3.2.4 报警电路设计当信号处理电路输出Ki为高电平时，驱动报警电路工作，蜂鸣器发声，电路设计如下：图3.10报警电路电路原理图设计整图图3.11电路原理图工作原理分析当信号处理电路输出Ki为高电平时，驱动报警电路工作，蜂鸣器发声，电路设计如下：根据电路框图及以上各个单元电路的设计，原理图设计整图如下：由R1和LED1构成了电源指示电路，当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态。由R2、R3、RP1、C1、VD1、LM358构成了了火焰感应电路，RP1调到中间位置，产生2.5V左右的基准电压送到LM358的3脚同相输入端，火焰传感器从

23、来到信号送到LM358的2脚反相输入端，两个电压信号进行比较后通过LM358的1脚输出火焰控制信号Si。如果3脚同相输入端电压大于2脚反相输入端电压，1脚输出火焰控制信号Si为高电平。如果3脚同相输入端电压小于2脚反相输入端电压，1脚输出火焰控制信号Si为低电平。正常工作时没有火焰的，火焰传感器截止，提供给LM358的2脚反相输入端的电压为高电平，大于3脚同相输入端电压的，输出火焰控制信号Si为低电平给信号处理电路。由S1和R4构成了手动控制电路，产生手动控制信号Ci送到信号处理电路的清零端。当轻触开关S1按下后，产生手动控制信号Ci为高电平。当轻触开关S1松开后，产生手动控制信号Ci为低电平

24、。由双D触发器4013、R5信号处理电路，其中4013搭建成RS触发器，高电平有效，主要负责处理火焰感应信号Si和手动控制电路产生去除信号Ci，并产生相应的输出控制信号Ki给报警电路。当4013的置位信号端6脚电压为高电平时，产生输出控制信号高电平给报警电路。当4013的清零信号端4脚电压为高电平时，产生输出控制信号低电平给报警电路。由三极管VT19013和蜂鸣器HA15V有源电磁式构成了报警电路。当三极管VT1的基极电压为高电平时，三极管VT1导通，蜂鸣器鸣叫，产生报警声。当三极管VT1的基极电压为低电平时，三极管VT1截止，蜂鸣器不工作，报警声消失。4安装调试制作完成后，接上5V直流电压，

25、用打火机在火焰传感器上方30CM处点火，报警器立刻报警。手动按下报警消除按键轻触开关，报警声停止。如果没有成功，检查各元器件是否有损坏，是否组装完好，检查故障并进行检测维修。实践证明，通过以上检测，故障根本能排除，实现智能仓库火焰报警器的仿真功能，即用打火机在火焰传感器上方30CM处点火，报警器立刻报警。手动按下报警消除按键轻触开关，报警声停止。5总结随着全球经济一体化进程的加快,工业民宅企业消防平安突显其重要性。火灾自动报警及联动控制系统设计成为工业民宅企业消防平安系统的一个重要局部,其各局部功能的实现为工业企业防止了重大损失。火焰报警器是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。本报警器电路结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的