智能仓库火焰报警器的设计

传感器技术课程设计智能仓库火焰报警器的设计2016年6月目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章绪论 2\o"CurrentDocument"1前言 2\o"CurrentDocument"1.2设计的背景及意义 3\o"CurrentDocument"第2章智能仓库火焰报警器的设计 4\o"CurrentDocument"电子元器件介绍 4\o"CurrentDocument"电源指示发光二极管 4\o"CurrentDocument"火焰传感器 4\o"CurrentDocument"蜂鸣器 5\o"CurrentDocument"电压取样电位器 6\o"CurrentDocument"半导体三极管 7\o"CurrentDocument"双D触发器 8通用运算放大器LM358 9\o"CurrentDocument"电路框图的设计 9\o"CurrentDocument"工作原理分析 10\o"CurrentDocument"第3章智能仓库火焰报警器的制作 12\o"CurrentDocument"硬件电路元件清单及实物图 12\o"CurrentDocument"智能仓库火焰报警器硬件电路元件清单 12\o"CurrentDocument"硬件电路元件实物图 12\o"CurrentDocument"硬件电路PCB布局及焊接安装 13\o"CurrentDocument"硬件电路PCB布局图 13\o"CurrentDocument"线路板的焊接 13线路板的调试与检测 14.2线路板的调试 14\o"CurrentDocument"第4章总结 15\o"CurrentDocument"第5章参考文献 16\o"CurrentDocument"线路板的调试 17\o"CurrentDocument"硬件电路检测 17附录第1章绪论1前言消防是防火和灭火的总称。我国消防工作执行“预防为主，防消结合”的方针。为使这一方针得到贯彻，每个与消防有关的人员都应认真做好消防工作，力求制止火灾的发生，同时充分做好灭火准备。每当发生火灾，尽快扑灭，尽可能地减少火灾所造成的人员伤亡和财产损失。防，可以减少火灾的发生。消，可能减少损失和伤亡，两者相辅相成，融为一体。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。感光型火灾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，可以将感光型火灾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。火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象一一气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（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灾报警控制器。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，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。1.2设计的背景及意义仓库是生产、生活资料集中存储的地方，也是战略物资重要基地，随着社会生产的发展，各种物资必将日益增多，特别是化工原料、农药、化肥、医药制品、化学试剂等，它们具有不同程度的爆炸、易燃、毒害、腐蚀等危险特性，一旦发生火灾，就会早段时间内烧毁大量物资，造成巨大经济损失，直接影响国计民生和国内贸易。因此，做好仓库火灾消防安全工作，保障人民消费物资供应，保障存储物资的安全，减少火灾损失，具有极其重要的意义。火灾自动报警系统是为了尽早探测到火灾的发生并发出火灾警报、启动有关防火、灭火装置而在建筑物中设置的一种自动消防设施。安装智能仓库安全防火报警系统是现代仓库必备的安全系统，该系统具有火灾报警和防盗报警功能。学生通过综合运用所学知识设计仓库安全防火报警系统，掌握传感器应用技术，培养学生对控制系统的设计分析能力。可利用火焰传感器检测仓库光源、红外辐射线等，当以上两项发生异常时，系统认为发生了火灾，发出报警信号，直到人工消除异常，才自动停止报警。如果改进火焰传感器检测的设备，改用热释电红外传感器检测人体辐射的红外线变化探测移动人体，还可以实现防盗检测。要采用万能板焊接智能仓库火焰报警器，因为这种电子制作方法，不仅能培养学生的焊接技术，还能提高识别电路图和分析原理图的能力，为日后维修、设计电子产品打下坚实的基础。第2章智能仓库火焰报警器的设计电子元器件介绍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。LED，即LightEmittingDiode的缩写，翻译为发光二极管，它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内的荧光。砷化钱二极管发红光，磷化钱二极管发绿分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射光，碳化硅二极管发黄光，氮化绿二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。如图所示2.1图2.1电源指示发光二级管LED只能往一个方向导通（通电），叫作正向偏置（正向偏压），当电流流过时，电子与空穴在其内复合而发出单色光，这叫电致发光效应，而光线的波长、颜色跟其所采用的半导体材料种类与掺入的元素杂质有关。具有效率高、寿命长、不易破损、开关速度高、高可靠性等传统光源不及的优点。白光LED的发光效率，在近几年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，也因为投入市场的厂商相互竞争的影响，而明显下降。虽然越来越多人使用LED照明作办公室、家具、装饰、招牌甚至路灯用途，但在技术上，LED在光电转换效率（有效照度对用电量的比值）上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向。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0.1-10Rm或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长＜300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.却m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，它还具有反应时间极快的特点。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、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的1〜2pm近红外波长域具有最大的辐射强度。例如汽油燃烧时的火焰辐射强度的波长。火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。火焰传感器的原理：由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的近红外波长域及紫外光域具有很大的辐射强度，根据这种特性可制成火焰传感器。2.1.3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、电话机、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，此次用的是电压式蜂鸣器，它主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。如图2-2。图2.2蜂鸣器由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。蜂鸣器驱动电路一般都包含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。.蜂鸣器：发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、发声方向、工作电压、工作频率、工作电流、驱动方式（直流/方波）等。这些都可以根据需要来选择。.续流二极管：蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬变，因此必须有一个续流二极管提供续流。否则，在蜂鸣器两端会产生几十伏的尖峰电压，可能损坏驱动三极管，并干扰整个电路系统的其它部分。[2].滤波电容：滤波电容C1的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个220uF的电解电容。.三极管：三极管Q1起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，使蜂鸣器发声；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。本电路设计的蜂鸣器如图所示VCC+5VHA17Ki□ VTVT1•A9013图2.3有源蜂鸣器驱动电路电压取样电位器电位器（英文：Potentiometer）是可变电阻器的一种。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，获得部分电压输出。电位器是具有三个引出端、阻值可按某种变化规律调节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。当电刷沿电阻体移动时，在输出端即获得与位移量成一定关系的电阻值或电压。电位器的作用一一调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。电位器的结构特点一一电位器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，则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。电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动或滑动系统改变触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触点之间便可得到一个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这时电位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节电位器是一种可调的电子元件。用于分压的可变电阻器。在裸露的电阻体上，紧压着一至两个可移金属触点。触点位置确定电阻体任一端与触点间的阻值。按材料分线绕、炭膜、实芯式电位器；按输出与输入电压比与旋转角度的关系分直线式电位器（呈线性关系）、函数电位器（呈曲线关系）。主要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。图2.4电压取样电位器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，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。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，如图2.5。123图2.5半导体三极管引脚图2.1.6双D触发器在电子技术中，N/2（N为奇数）分频电路有着重要的应用，对一个特定的输入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有N/2的非整数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主组成的若干个二分频电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成N/2分频电路。CD4013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。此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。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。CD4013引脚图：1D、2D：数据输入端，1CP、2CP：时钟输入端1Q、2Q：原码输出端，1/Q、2/Q：反码输出端，1SD、2SD：直接置位端，1RD、2RD：直接复位端，VDD：电源正，VSS：地。图2.6双D触发器CD4013真值表CD4013有两个D触发器，一个D触发器有6个端子：2个输出，4个控制。4个控制分别是R、S、CP、D。1）R和S不能同时为高电平。2）当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。3）当S为1、R为0时，输出Q一定为1。4）当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即

若D为1则Q也为1,若D为0则Q也为0。RD（复位端）SD（置位端）Q（输出端）10001100D11x2.1.7通用运算放大器LM358LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、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182脚：第一运放反向输入端2-OUT1VCC-73脚：第一运放同向输入端2c —IN1-OUT27—「4脚：接地端3IN1+IN2-65脚：第二运放同向输入端456脚：第二运放反向输入端GNDIN2+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，则1脚输出高电平；如果3脚电压小于2脚电压，则1脚输出低电平。2.2电路框图的设计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、报警电路组成，框图设计如图2.7：2.3电路原理图设计

2.3电路原理图设计图2.7框图的设计电路原理图设计包含火焰感应电路设计，手动控制电路设计，信号处理电路设计，报警电路设计的设计的设计，将他们放在一起如图2.8。图2.8电路原理图设计2.4工作原理分析由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10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。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清除信号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VT1（9013）和蜂鸣器HA1（5V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。11

第3章智能仓库火焰报警器的制作硬件电路元件清单及实物图智能仓库火焰报警器硬件电路元件清单序号名称代号规格数量1电阻R3,R51K22电阻R1,R410K23电阻R230K14电位器RP110K(103)15瓷片电容C10.1UF(104)16发光二极管LED13MM17火焰传感器VD15MM-940nm18轻触开关S16*6*719三极管VT19013110蜂鸣器HA15V有源111双集成运放U1LM358112双D触发器U1CD4013113IC座DIP8P114IC座DIP14P115单排针VCC,GND1*4PIN2.54mm216万能板7*9CM117拖焊专用铜导线0.5铜导线218拖焊专用焊锡凯纳0.8,带松香219焊接专用图纸高清原理图A41硬件电路元件实物图图3.1硬件电路元件实物图12

硬件电路PCB布局及焊接安装硬件电路PCB布局图采用Protel99se绘制电路原理图，再根据原理图对PCB图进行布局，设计PCB图，如下图所示。硬件电路焊接安装线路板的焊接根据元件布局图和走线图，采用万能版焊接电路，焊接成功的智能仓库火焰报警器顶层如下图3-1，图3-2所示：图3.3线路板正面13

图3.4线路板反面3.3线路板的调试与检测3.3.2线路板的调试当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态，并且发出响声，这是人工按下按键开关，电路被复位即响声停止。这时我们拿一个打火机产生火焰来模拟仓库发生火灾，当靠近火焰传感器时，由于它感应到了外界温度发生的变化（温度急剧上升），此时电路工作，蜂鸣器发出持续的响声，只有我们按下按键开关时它的响声才停止。14第4章总结仓库火灾自动报警器可保障仓库物资和财产的安全，可以有效防止火灾的发生，是防火和安全生产所必备的工具，因此会具有广阔的市场空间和发展前景。本次设计师在对温度、烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，合理地制系统的设计方案，并且对器件的整个设计，各个组成部分进行了详细的设计和分析。本次毕业设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统通过设计一个以AT89S52单片机为核心的火灾报警器可以实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。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实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。但是也存在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。由于上述缺点的存在，此系统不是很完善，还有待进一步改进。通过本次的论文设计，让我更加深入的理解和掌握了这些方面的知识，使自己对这个课程更加热爱。在设计中，有很多感悟和体验心得，自己也学到了许多新的知识，为自己日后学习和研究打下了很坚实的基础。15第5章参考文献[1]张爱民等编著.怎样选用电子元器件.中国电力出版社，2005[2]吕俊芳编著.传感器接口与检测仪器电路.北京航空航天大学出版社，1994[3]吴英才.热释电红外传感器在防盗系统中的应用.传感器技术，2002[4]胡斌编著.图表细说元器件及实用电路.电子工业出版社，2005[5]魏群等编著.怎样选用无线电电子元器件.人民邮电出版社，2002[6]黄继昌等编著.实用报警电路.人民邮电出版社，200516附录1、安装调试线路板的调试当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态，并且发出响声，这是人工按下按键开关，电路被复位即响声停止。这时我们拿一个打火机产生火焰来模拟仓库发生火灾，当靠近火焰传感器时，由于它感应到了外界温度发生的变化（温度急剧上升），此时电路工作，蜂鸣器发出持续的响声，只有我们按下按键开关时它的响声才停止。硬件电路检测如果制作没有成功，请从下面几个方面进行检测维修：（1）观察法：检查每个元件是否安装正确，特别是通用运放LM358、双D触发器4013,火焰传感器、蜂鸣器、轻触开关等是否安装正确，三极管9013的三个引脚E、B、C是否正确等，发光二极管的正负极性是否正确。（2）电阻法：根据原理图检查线路是否正常连通，可用万用表检测每条线路是否导通。电子初学者，焊接的线路多有虚焊、漏焊、假焊等情况，电路搭建错误，所以首先检查每条线路是否焊接好，也就