传感器课程设计-烟雾报警器.doc

题 目 烟雾报警器 目 录一 、设计目的1二、设计任务与要求12.1设计任务12.2设计要求1三、设计步骤及原理分析13.1设计方法23.2设计步骤23.3设计原理分析7四、课程设计小结与体会8五、参考文献8 1、 设计目的设计目的 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，掌握比较器和振荡器的设计方法；4，提高认识一些器件手册并运用这些器件的能力。二、设计任务及要求 2.1、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。2.2、设计要求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；三、设计步骤及原理分析3.1、设计方法火灾烟雾报警器系统设计方案框图 火灾烟雾报警器电路图3.2、设计步骤设计电源电路，了解元器件工作原理。555集成电路原理在数字系统中，为了使各部分在时间上协调动作，需要有一个统一的时间基准。用来产生时间基准信号的电路称为时基电路。时基集成电路555就是其中的一种。它是一种由模拟电路与数字电路组合而成的多功能的中规模集成组件，只要配少量的外部器件，便可很方便的组成触发器、振荡器等多种功能电路。因此其获得迅速发展和广泛应用。 时基集成电路555工作原理如下：图a所示为555时基电路内部电路图。管脚排列如图b所示。整个电路包括分压器，比较器，基本rs触发器和放电开关四个部分。（1）分压器 由三个5kw的电阻串联组成分压器，其上端接电源vcc（8端），下端接地（1端），为两个比较器a1、a2提供基准电平。使比较器a1的“+”端接基准电平2vcc3（5端），比较器a2的“-”端接vcc3。如果在控制端（5端）外加控制电压。可以改变两个比较器的基准电平。不用外加控制电压时，可用0.01mf的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。（2）比较器a1、a7是两个比较器。其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大于2vcc3时，比较器a1的输出为低电平；反之输出为高电平。当低电平触发端（2端）的触发电平略小于vcc3时，比较器a2的输出为低电平；反之，输出为高电平。（3）基本rs触发器 比较器a1和a2的输出端就是基本rs触发器的输入端rd和sd。因此，基本rs触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。图中的4端是低电平复位端。在4端施加低电平时，可以强制复位，使q=0。平时，将4端接电源vcc的正极。（4）放电开关图中晶体管vt构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本rs触发器的q端。当q=0时，vt截止；当q=1时，vt饱合导通。可见晶体管vt作为放电开关，其通断状态由触发器的状态决定。 从ca555时基电路的内部等效电路图中可看到，vtl-vt4、vt5、vt7组成上比较器al，vt7的基极电位接在由三个5k电阻组成的分压器的上端，电压为2/3vdd；vt9-vt13组成下比较器a2，vtl3的基极接分压器的下端，参考电1/3vdd。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/3vdd和2/3vdd。vtl4-vtl7与一个4.7k的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。vtl8-vt21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200ma的电流。vt8为复位放大级，vt6是一个能承受50ma以上电流的放电晶体三极管。双稳态触发电路的工作状态由比较器a1、a2的输出决定。 对等效功能电路和ca555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表。 引脚26437电平1/3vdd1.4v*高电平悬空状态电平1/3vdd2/3vdd1.4v低电平低电平电平2/3vdd1.4v保持电平保持电平*0.3v低电平低电平由表可看出，s、r、mr的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。 555组成的单稳态触发器电路及原理 1电路组成 图10.22所示是用555定时器构成的单稳态触发器。r、c是定时元件，ui是输入信号，下降沿有效，加在555的 端（2脚），u0是输出信号。（1）没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号即ui为高电平时，电路工作在稳定状态q=0、=1,u0=uol , td饱和导通。若接通电源后，ui=uih , 555定时器中基本rs触发器是处在0状态，即q=0、 =1 、u0=uol 、td 饱和导通，则这种状态将保持不变。若接通电源后，ui=uih ，555定时器中基本rs触发器是处在1状态，即q=1、 =0 、u0=uoh 、td 截止，则这种状态是不稳定的，经过一段时间之后，电路会自动地返回到稳定状态。因为td截止，电源vcc会通过r对c进行充电，uc将逐渐升高，当uc=uth上升到2vcc/3时，比较器c1输出0，将基本rs触发器复位到0状态，q=0、 =，u0=uol为低电平，td饱和导通，电容c通过td迅速放电，使uc0,即电路返回到稳态。（2）ui下降沿触发当ui下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态q=1、= .u0=uoh、 td截止。因为ui=由高电平跳变到低电平时，比较器c1的输出跳变为0，基本rs触发器立刻被置成1状态，立即稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容c充电的渐变过程，充电回路是vccrc地，时间常数为1=rc，在电容上电压uc=uth上升到2vcc/3以前，显然电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间随着c充电过程的进行，uc=uth逐渐上升，当uc=uth上升到2vcc/3时，比较器c1输出0，立即将基本rs触发器复位到0状态，即q=0、=1 、u0=uol、 td饱和导通，暂稳态结束。（5）恢复过程 当暂稳态结束后，定时电容c将通过饱和导通的晶体三极管td放电，时间常数2rcesc（rces是td的饱和导通电阻，很小），经352后，c放电完毕，uc uth 0，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可 接收新的输入触发信号。图所示是单稳态触发器的工作波形图。电源电路设计电源电路图本系统使用外部220v交流供电，经过变压器变压，桥式整流和电容滤波以及可调试三端稳压器cw317调节后，可以输出连续可调的直流电压，可输出9v。可调式三端稳压器cw317，其特征参数vo=1.2v3.7v，iomax=1.5v，最小输入、输出压差（vi-vo）min=3v，最大输入、输出压差（vi-vo）max=40v。r1与rp1组成电压输出调节电路，输出电压vo为：（1）r1的值为120-240，流经r2的波动电流为5ma10ma，rp1为精密可调电位器，电容c3与rp1并联组成滤波电路，以减少输出的纹波电压，二极管d5的作用是防止输出端与地短路时损坏稳压器。集成稳压器的输出电压vo与稳压电源的输出电压相同，稳压器的最大允许电流icm（2）式中，vomax为最大输出电压，vomin为最小输出电压，（vi-vo）min为稳压器的最小输入、输出电压差，（vi-vomax）为稳压器的最大输入、输出电压差。由式（1）可得vo1.25（1+rp1/r1），取r1=240，则rp1max=1.49k，故取rp1为4.7k的精密线绕可调电位器。由式（2）可得输入电压vi的范围为（3）副边电压v2vimin/1.1=12/1.1v，取v2=11v，副边电流i2iomax=0.8a，取i2=1a，则变压器副边输出功率p2i2v2=11w，查表之后可以知道变压器的效率=0.7，则原边输入功率p1p2/=15.7w。为留有余地，选功率为20w的电源变压器。整流二极管d1，d2，d3与d4选in4001，滤波电容c1，c2可以取2200f/25v的电解电容。应在变压器的副边接入保险丝fu，以防电路短路损坏变压器或其他器件。3.3、设计原理分析 电路如图所示。采用qm-n5气敏传感器，实现气电转换，555时基集成电路及其周围元器件组成触发电路和报警电路。由于气敏元件工作时，要求其加热电压相当稳定，所以利用12v电源对气敏元件的加热丝进行稳压，报警器就能稳定地工作在180-260v范围内。电路工作时，由555时基电路组成自激多谐振荡器，利用它的复位端进行触发。当气敏元件接触到可燃气体和烟雾时，其阻值降低，使555时基电路复位端即4脚电压上升，当电压达到555时基电路电源电压ucc的1/3时，其输出端即3脚输出高电平，驱动扬声器发出报警声。四、课程设计小结与体会此次设计更加丰富了自身的知识，也了解到专业知识的难度和本专业在未来的发展前景。该设计的家用可燃性气体泄露报警，采取了单独利用硬件的开发方式，充分利用了气敏传感器及其他元件的特性，使其相辅相成，从而