【JL030】工矿企业九路火灾实时监测报警系统设计
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【JL030】工矿企业九路火灾实时监测报警系统设计,jl030,工矿企业,火灾,实时,监测,报警,系统,设计
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西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 本科毕业设计论文 题目： 工矿企业九路火灾实时监测报警系统设计 专业名称 自动化 学生姓名 吴 瑞 指导教师 金文凯 毕业时间 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 毕业设计任务书 一、 题目 工矿企业九路火灾实时监测报警系统设计 二、指导思想和目的要求 通过毕 业设计使学生对所学自动化基本知识和理论加深理解，掌握控制系统设计的基本方法，培养独立开展设计工作的能力。 要求在毕业设计中： 1设计工业生产线及厂房等要害部位火灾自动遥控报警系统。具有九路遥测、声光报警和失火位置显示功能； 2分析设计要求，提出系统方案； 3选择监控传感器，设计遥测系统电路； 4设计遥控传输系统电路，进行电路设计计算，选择系统及电路组部件，元器件； 5设计报警和失火位置显示系统，进行电路设计，选择电路组部件及元器件； 6设计简易报警系统，制作和调试简易报警电路演示实物； 7撰写 毕业设计论文。 三、主要技术指标 1功能和性能： 监控对象：工业生产线及厂房等要害部位火灾 遥测遥控范围： 500m； 监控点： 9 个； 遥控遥测路数： 9 路； 报警方式：声，光、失火位置显示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2出总电路图和各部分电路图、出元器件名细表。 3制作简易报警电路演示实物。 四、进度和要求 1：收集查阅资料； 4：完成总体方案设计和建模； 7：完成系统分析和控制规律设计； 9：完成仿真验证及修改； 12：完成毕业设 计论文，实物制作。 五、主要参考书及参考资料 1 樊尚春等，检测技术与系统，北京航空航天大学出版社； 2 方佩敏，新编传感器原理。应用。电路详解，电子工业出版社； 3 张福学，传感器应用及其电路精选，电子工业出版社 . 学生 吴瑞 指导教师 金文凯 系主任 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I 摘 要 火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识 到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。 本论文是针对工业生产线及厂房等要害部位火灾的火灾自动报警系统设计 ,能够在火灾初期，将燃烧的烟雾、热量等物理量，通过感烟、感温等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器上，出现异常情况能够进行报警，起到早期发现火灾和通报火灾的作用。此次设计采用多种传感器与集成电路的有关原理，并通过实物制作与演示，系统的了解报警系统设计原理。 设计方案如下： 因为是针对远距离不同位置着火点进行实时监 测，故采用传感与遥测技术； 该系统主要包含传感电路、遥测发射电路、遥测接收电路、报警电路等各个模块的设计。 当无火灾发生时，传感器处在截至状态，声光报警电路不工作；一旦发生火灾，传感器感受到的非电信号经过一定的规律转换成电信号，此电信号经过发射模块的编码与传输，再通过接收模块进行信号接收、译码器解码和数码管显示，同时通过报警装置及时报警。 在实物制作过程中，由于不添加遥测技术，主要是通过传感器检测火灾，致使蜂鸣器发出警报。本实物主要用光敏二极管检测火灾发生时产生的光照，最终使蜂鸣器发出警报来 验证本次设计。 关键词 ：火灾自动报警 ,传感器 ,遥测发射接收电路 ,报警电路 ,实物制作 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 by it is of of s so to of a to is as in to a in of a of of by as it is so is no in as of a by In do 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 a of of to to 录 第一章 绪 论 . 1 灾自动报警系统研究的目的和意义 . 1 灾自动报警系统在国内外发展状况 . 2 统设计要求 . 3 设计主要研究的内容 . 3 第二章 自动火灾报警装置的设计方案 . 5 统总体结构设计 . 5 组成部分方案的选定 . 6 感器的选择 . 6 测发射模块的选择 . 7 测接收模块的选择 . 7 警电路的设计 . 7 第三章 传感电路与遥测发射电路的设计 . 8 感器 . 8 感器的选择 . 10 感电路 . 17 测发射电路 . 19 射模块 . 19 电器 . 20 第四章 遥测接收报警电路 . 22 收模 块 . 23 码器 . 24 码管 . 26 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 V 鸣器 . 27 率开关电路 . 28 源电路 . 28 第五章 实物制作与调试 . 30 物制作 . 30 物制作成果 . 30 物制作图 . 30 试 . 31 第六章 设计总结 . 32 计任务和要求 . 32 计成果 . 32 物制作与调试成果 . 32 致 谢 . 34 参考文献 . 35 毕业设计总结 . 36 附 录 . 37 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 第一章 绪 论 火灾是可燃物在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害，是威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时也在其失去控制之时给人类造成了巨大的灾难。 严峻的事实证明，随着社会和经济的发展，社会财富日益增加，火灾给人类、社会和自然造 成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的上网，为社会减少不必要的损失。 灾自动报警系统研究的目的和意义 火灾，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。在各种灾害中，火灾时最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。人类能够对火进行利用和控制，是文明进步的一个重要标志。火，给人类带来文明进步、光明和温暖。但是，失去 控制的火，就会给人类造成巨大的灾害。对于火灾，在我国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的经验。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火灾的危险性也在增多，火灾的危害性也越来越大。据统计，我国 70 年代火灾年平均损失不到 元， 80 年代火灾年平均损失不到 元。进入 90 年代，特别是 1993 年以来，火灾造成的直接财产损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 多人。 实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性越来越突出。由此，火灾报警器在消防工作中的作用也尤为突出了。我国的火灾 自动报警控制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。火灾自动报警系统，一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成，也可以根据工程西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 的要求同各种灭火设施和通讯装置联动，以形成中心控制系统。即有自动报警、自动灭火、安全疏散诱导、系统过程显示、消防档案管理等组成一个完整的消防控制系统。火灾探测器是探测火灾的仪器，由于在火灾发生的阶段，将伴随产生烟雾、高温、火光。这些烟、热和光可以通过探测器转变为电信号报警或使自动灭火系统启动，及时扑灭火灾。区域报警系统能将所在区域的探测器发出的信号转换 为声光报警，并在屏幕上显示火灾发生点；同时还能监视若干区域的集中报警器输出信号或控制自动灭火系统。集中报警是将接受到的信号以声光方式显示出来，其屏幕上也具体显示出着火的地点。 本设计是基于多种传感器的火灾自动报警系统的设计，能够在火灾初期，将燃烧的烟雾、热量等物理量，通过感烟、感温等火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警控制器上，出现异常情况能够进行报警，起到早期发现火灾和通报火灾的作用。 通过本次设计能够让我对所学自动化基本知识和理论加深理解，提高分析问题和解决问题的能力，掌握控制系统设计的基本方法。课堂上 ，我们只是学习有关传感器与集成电路的理论知识，从来没有进行实践。此次正好通过毕设，能够将自己所学的知识更好的加以利用，通过参考专业设计人员设计出的报警装置给了我很大启发。虽然不能像他们一样优秀，但至少我学会了很多有关方面的知识，给我的毕设提供了很多丰富的资源。 灾自动报警系统在国内外发展状况 许多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量，产品系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速发展，市场大的惊人，难道这由 中国发展带来的成果只能由外国企业来瓜分么？可幸的是中国企业抓住了机遇，顶住了挑战。先是一批国家的科研院所，后是一批国营企业、民营企业，业内也吸引和凝聚一大批国内的技术和管理精英，历经多年，通过几次产品的更新换代，就使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场，使得现在大多国外产品只有招架之功。 消防报警产品是一个系列产品，包括火灾探测设备、信息传输设备、报警分西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 析控制器、消防控制联动。是物理传感技术、自动控制、计算机技术、数据传输和管理等技术的综合集成，属于高新技术。依托中国多年的基本建设的发展， 具备了和国外知名企业相抗衡的能力。在目前中国许多冠名以高新技术的行业中，中国企业大多数做的是下游的制造和服务，像消防报警产品那样即拥有自我知识产权，又拥有大量市场的行业其实是很少的。 在消防报警产品的技术含量上，国内产品和国外产品差距不是很大，许多指标已经超越。存在的问题是：类似于国外产品的大批量规模化的生产才刚起步，有待于积累经验和技术，也因此在产品一致性和长期稳定性上存在一些差距，国内正在形成大型企业和集团，这样可以带领国内的各家企业去冲击海外市场，并最终占领海外的消防报警市场。 统设计要求 本 设计 是 一个针对工业生产线及厂房等要害部位火灾自动遥控报警系统 ， 具有九路遥测、声光报警和失火位置显示功能 。 具体要求如下： 监控对象：工业生产线及厂房等要害部位火灾； 遥测遥控范围： 500m； 监控点： 9 个； 遥控遥测路数： 9 路； 报警方式：声、光、失火位置显示。 设计主要研究的内容 本次设计主要研究针对工矿企业预防火灾的自动报警控制系统，采用多种传感器，如温度传感器、烟雾传感器和光电传感器，对环境中的温度、烟雾浓度状况、光照强度进行实时监测，能对周围环境的温度突然升高，烟 雾浓度突然提高光照强度加强进行报警。要求所设计的火灾自动报警系统能够对温度、烟雾和光照进行实时监测，出现异常情况能够进行及时的报警，起到早期出现火灾并及时通报相关人员扑灭火灾，来减少人员和财产的损失。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 该系统包括以下部分：传感器电路、触发电路、接收电路、报警电路等。传感器电路主要由烟雾传感器和光电传感器组成，主要对着火点进行监测；触发电路主要由发射模块和编码器模块组成，主要将传感器转换成的电信号进行传输；接收电路主要由接收模块、译码器模块、数码管显示模块等组成，接收传输的电信号；报警电路由报警装置蜂鸣器和光 报装置 组成，进行及时报警。 当无火灾发生时，传感器处在截至状态，声光报警电路不工作；一旦发生火灾，传感器感受到的非电信号经过一定的规律转换成电信号，此电信号经过发射模块的编码与传输，再通过接收模块进行信号接收、译码器解码和数码管显示，同时通过报警装置及时报警 . 在实物制作过程中，由于不添加遥测技术，主要是通过传感器检测火灾，致使蜂鸣器发出警报。本实物主要用光敏二极管检测火灾发生时产生的光照，最终使蜂鸣器发出警报来验证本次设计。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 第二章 自动火灾报警装置的设计方案 火灾自动报警系统 是由 传感器 、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能装置组成的，它具有能在火灾初期，将燃烧产生的烟雾、热量、火焰等物理量，通过火灾探测器变成电信号，传输到火灾报警 控制器 ，并同时显示出火灾发生的部位、时间等，使人们能够及时发现火灾，并及时采取有效措施，扑灭初期火灾，最大限度的减少因火灾造成的生命和财产的损失，是人们同火灾做斗争的有力工具。 统总体结构设计 本次设计的关键部分是传感器的选型和遥控组件电路的设计。传感器感受到的非电信号经过一定的规律转换成电信号，此电信号经过发射模块的编 码与传输，再通过接收模块进行信号接收、译码器解码和数码管显示，同时通过报警装置及时报警。 当无火灾发生时，传感器处在截至状态，声光报警电路不工作；一旦发生火灾，传感器感受到的烟雾、光照、温度等非电信号，并将此信号转换成电信号，通过遥测发射电路中发射模块的编码与传输，再通过接收模块进行信号接收、译码器解码和数码管显示，同时产生声、光报警信号进行报警显示。 本设计采用 9 路报警装置，所以根据需要遥控发射电路需要制作 9 片，将其放在需要报警的地方。当某一处监测点发生火灾时，此处的遥测发射电路开始工作发 出编码信号，接收电路接收到此信号后，译码器进行解码，数码管显示此路，同时产生声、光报警信号进行报警显示。其设计原理框图如图 2示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 图 2设计原理框图 组成部分方案的选定 感器的选择 本次设计主要是针对预防火灾发生的报警系统设计。当发生火灾时，会产生大量烟雾、光照等物理量，为了准确检测出这些物理量，故采用传感器（传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置）。它是将这些非电信号转换成电信号，再 通过后续电路的工作，达到预期的报警效果。 火 灾 传感器 遥测发射电路 遥测接收电路 报警电路 非电信号 电信号 电信号 电信号 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 在传感器的选择方面，由于火灾发生时会产生大量烟雾、光照等，所以本设计采用烟雾传感器和光电传感器。烟雾传感器选用 N 型气敏电阻传感器 是利用敏感材料接触气体时，阻值发生变化来检测气体的成分或浓度，对可燃性气体进行检测、检漏、监控时，具有灵敏度高、稳定性好、响应和恢复时间短，电阻变化大等优点。光电传感器选用光敏二极管， 光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件 。它是利用 有光照时，携带能量的光子进入 后 ，产生光电流， 它随入射光强度的变化而变化 。 测发射模块的选择 本设计要求是远距离监测，所以必须采用遥测发射模块。发射模块是将传感器转换的电信号进行传输， 利用 无线 电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作 。可用于 无线呼叫系统、防盗报警、无线数据传输、自动化数据采集系统等。 测接收模块的选择 当发射模块发射出某一编码时，接收模块 就接收到同样的编码，并将此编码输出到译码器中进行解码，通过数码管显示失火点位置。 警电路的设计 当接收模块中显示失火点位置时，同时伴随报警电路工作，进行及时报警。在报警电路中必须含有提供响度和亮度的声光报警装置蜂鸣器和 示灯，以保证发生火灾时人们能够通过听觉和视觉判断火灾发生位置。西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 第三章 传感电路与遥测发射电路的设计 感器 传感器（英文名称： 一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自 动控制的首要环节 。传感器由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。其组成框图如图 3示。 图 3传感器组成框图 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它 对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 跃响应和频率响应来表示。 传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。传感器的输入量 x 与输出量 y 之间的关系通常可用一个如下的多项式表示： y=a0+ +中： x 为零时的输出量 ;a1, ,非线性项系数。 传感器的静态特性可以用一组性能指标来描述，如灵敏度 、线性度、分辨率等 （ 1） 传感器的分辨率 分辨率是指传感器可感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超过分辨率时，其输出才会发生变化。 （ 2） 传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况传感器下输出量变化 y 对输入量变化 x 的比值。 用 S 表示灵敏度，即 出一输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性关系，则灵敏度 S 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳定性也往往愈差。 （ 3） 传感器的线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 输入关系可以分为线性特性和非线性特性。 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似 地代表实际的特性曲线、线性度（非线性误差）就是这个近似程度的一个性能指标。 拟合直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟合直线，此拟合直线称为 最小二乘法 拟合直线。 感器的选择 传感器 是火 灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系到整个系统是否正常运行。当火 灾发生时，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟， 光， 温度等参数）变成电量参数传送给控制 器。其特点是模拟量传输，跟随各种非电量参数（如烟、温 度等参数）变化而变化 ， 本设计选用光电传感器和烟雾传感器敏感 火灾产生 时的 烟 与光。 光敏二极管 ，其实物图如图 3示。 图 3光敏二极管 光电传感器选用型号为 2敏二极管，因为电源电压为 12V， 20V。各型号光敏二极管的参数如表 3示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 表 3各型号光敏二极管的参数 性能参数 型号 最高工作电 压 暗电流 光电流 电流灵敏度 结电容 响应时间 20 80 20 100 80 15 100 80 15 100 80 10 1050 80 10 10敏二极管是一种能够直接将光能转换为电能的敏感性二极管。在电路中常用字母 表示，其电路图形符号如图 3示。 图 3光敏二极管电路图形符号 （ 1）光敏二极管的结构与特点 光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的 ,其管芯是一个具有光敏特征的 ，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时 ,有很小的饱和反向漏电流 ,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时 ,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流 ,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射 时，可以使 中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载 流子在反向电压下漂移，使反向电流增光敏二极管加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。 其结构图如图 3示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 图 3光敏二极管的结构 （ 2） 光敏二极管的主要参数 光敏二极管的反向直流电阻在无光照时可达到几兆欧；有光照时，下降到几百欧左右。其主要参数如下： 最高工作电压：最高工作电压也称为最高反向工作电压。它是指无光照时，光敏二极管中反向电流 允许的高反向电压。 光电流：指在受到一定的光照及最高工作电压下流过管子的反向电流。一般光电流为几十 微安，并且与光照强度呈线性关系，光电流越大越好。如图 3示。 图 3光敏二极管的光电流 /光强曲线 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 暗电流：指在无光照且加一定反向电压时的反向漏电流，暗电流要求尽量小。 （ 3） 光敏二极管的工作原理 光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（ 一般小于 安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入 后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子 为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为 “光电导 ”。光敏二极管在一般光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 光电转换原理 ： 根据 反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无 光照射 ，则因本征激发产生的电子向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射 时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过 的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（兰光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面 P 型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向 成部分光电流；彼长较长的红光，将透过 P 型层在耗尽 层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达 N 区和 成光电流。波长更长的红外光，将透过 P 型层和耗尽层，直接被 N 区吸收。在 N 区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向 P 区，形成光电流。因此，光照射时，流过 的光电流应是三部分光电流之和。 （ 4） 光敏二极管的两种工作状态 光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到 上时，吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 当光敏二极管加上反向电压时，管子 中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。 光敏二极管上不加电压，利用 在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。这种工作状态，一般作光电检测器 。 N 型气敏电阻传感器 于半导体式，电阻型），其实物图如图 3示。 图 3N 型气敏电阻传感器 烟雾传感器选用型号为 气敏电阻传感器，因为其可以检测可燃性气体。各型号气敏电阻性能参数如表 3示。 表 3各型号气敏电阻性能参数 性能参数 型号 测量范围 /10敏度 分辨率 响应时间 恢复时间 检测对象 0010000 4 10 30 2,可燃性气体 05000 6 5 乙醇气体 01000 3 3 一氧化碳气体 0010000 4 3 液体石油 07000 6 6 氢气 气敏电阻传感器利用敏感材料接触 气体时，阻值发生变化来检测气体的成分西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 或浓度，对可燃性气体进行检测、检漏、监控时，具有灵敏度高、稳定性好、响应和恢复时间短，电阻变化大等优点。 电路中文字符号用 “R”或 ”示 ，其电路图形符号如图 3示。 图 3烟雾传感器电路图形符号 N 型气敏电阻传感器的结构与特点 N 型气敏电阻传感器采用氧化铝、氧化锌、氧化锡等材料制成。当其检测到甲烷、一氧化碳、天然气、液化石油气、乙炔、氢气等气体时，其电阻值减小。其外形结构图如图 3示。 图 3烟雾传感器的外形图 N 型气敏电阻传感器的技术参数 灵敏度（ K）：表征气敏元件对被测气体的敏感程度，反应了气体敏感元西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 件的电参量与被测气体浓度之间的依存关系。表示气敏元件灵敏度的方法较多，常用的有： 阻值浓度比灵敏度，即用气敏元件阻值变化率 R 与被测气体浓度变化量 电阻比灵敏度，即用气敏元 件在洁净空气中的阻值 被测气体中的阻值 电阻值（ 通常将电阻型气敏元件在常温下洁净空气中的电阻值，称为气敏元件的固有电阻值。一般电阻型半导体气敏元件的固有电阻值，大多在1010。 响应时间（ t）：指从气敏元件与被测气体接触，到气敏元件的阻值达到在此浓度下的新的稳定所经历的时间。它表示在工作温度下，气敏元件对被测气体的响应速度。 （ 3） 气敏电阻器的相关特性 气敏电阻器特性：是一种对特殊气体敏感的元件，它可以将被测气体的浓度 和成分信号转变为相应的电信号。 气敏电阻器结构特点：通常采用氧化锡（ 金属氧化物材料制成。 气敏电阻器的应用：它广泛应用于各种可燃气体、有毒气体和烟雾等方面的检测及自动控制。 （ 4） 气敏电阻器的工作原理 常用的主要有接触燃烧式气体传感器、电化学气敏传感器和半导体气敏传感器等。接触燃烧式气体传感器的检测元件一般为铂金属丝（也可表面涂铂、钯等稀 有金属催化层），使用时对铂丝通以电流，保持 300 400 的高温，此时若与可燃性气体接触，可燃性气体就会在稀有金属催化层上燃烧，因此，铂丝的温度会上升，铂丝的电阻值也上升；通过测量铂丝的电阻值变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。电化学气敏传感器一般利用液体（或固体、有机凝胶等）电解质，其输出形式可以是气体直接氧化或还原产生的电流，也可以是离子作用于离子电极产生的电动势。半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、稳定性好、西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 使用简单的特点，应用极其广泛 。 N 型在检测时阻值随气体浓度的增大而减小 ，象 属氧化物 半导体气敏材料，属于 N 型半导体，在 200 300 温度它吸附空气中的氧，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。当遇到有能供给电子的可燃气体（如 ）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃气体以正离子状态吸附在金属氧化物半导体表面；氧脱附放出电子，可燃行气体以正离子状态吸附也要放出电子，从而使氧化物半导体导带电子密度增加，电阻值下降。可燃性气体不存在了，金属氧化物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。这就是半导体气敏元件检测可燃气体的基本原理。 目前国产的气敏元件有 2 种。一种是直热式，加热丝和测量电极一同烧结在金属氧化物半导体管芯内；另一种是旁热式，这种气敏元件以陶瓷管为基底，管内穿加热丝，管外侧有两个测量极，测量极之间为金属氧化物气敏材料，经高温烧结而成。 感电路 主要由光电传感器 、 烟雾传感器 和 三端电压检测器组成。其电路图如图 3 图 3传感器电路图 光敏电阻 2成。当烟雾浓西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 度达到一定限度时或温度超过限定值时，均会引发报警。 （ 1）无火灾发生时： 烟雾传感器 A， B 两级之 间的电阻很大，所以二极管 端电压检测器 不导通，三极管 偏流而截至，以致后续电路不能工作。 光敏二极管无强烈光照射，不会产生光电流，所以二极管 止，后续电路也不能工作。 （ 2）有火灾发生时： 的敏感元件吸附烟尘，致使 A 极与 脚变为高电平，因此三极管 通，后续电路相继工作。 光敏二极管接受强烈光照射，产生光电流，二极管 通，后续电路也相继工作。 三端电压检测器为集成电路，其外形同普通三极管，如图 3要将它接入电路中，就可对电路电源电压进行自动监测。 三端电压检测路的特点是体积小、功耗极微 ,不需要其它电源就可以用于监测电压是否过高或过低。 其实物图如图 3示。 图 3三端电压检测器实物图 三端电压检测器有内部集成电流限制、过热关断和安全区域保护等功能，可西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 以有效地防止过载损坏。其电原理图如图 3示。 图 3三端电压检测器电原理图 测发射电路 图 3遥测发射电路结构图 射模块 设计要求是远距离并且是不同位置监测，所以必须采用遥测发射模块。而集成模块 带有编码 功能的发射模块，可以对不同位置进行编码，当烟雾传感器 光敏二极管 三端电压检测器 继 电 器 发 射 模 块 电 源 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 某处发生火灾时，可以对其进行编码并将此编码信号发射出去。 发射模块 对其进行编码，该设计需对 9 处进行火灾预警，所以其编码方法如下： A、 B、 C、 D 悬空时为“ 0”； A， B， C， D 与 连接时为“ 1”。若 连， B、 C、 D 悬空，即 D=0， C=0， B=0， A=1，其编码为 0001。本系统采用 9 路编码，故编码范围为 00011001。 码数据如表 3示。 表 3码数据 电器 继电器 (也称电驿，是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “自动开关 ”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的 长方框。同时在长方框内或长方框旁标码 D C B A 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21 上继电器的文字符号 “J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。 其电路符号如图 3示。 图 3继电器电路符号 继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、 机电一体化 及 电力电子设备 中 ，是最重要的 控制元件 之一。 继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、 阻抗 、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的 执行机构 （输出部分）；在继 电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。 作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用： 1） 扩大控制范围：例如，多触点继电器 控制信号 达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、 开断 、接通多路电路。 2） 放大：例如 ，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。 3）综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。 4） 自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22 第四章 遥测接收报警电路 接收电路由接收模块 码器 码管和蜂鸣器组成。其结构图如图 4示。 图 4接收电路结构图 当发射模块发射出某 一编码时，接收模块 接收到同样的编码，并将此编码输出到译码器 进行解码，此时输出引脚显示为高电平，数码管显示失火点位置。同时译码有效输出端 出一高电平使功率开关合，蜂鸣器吸收较大功率并发出警报。遥测接收报警电路如图 4 电 源 接收模块 译码模块 数码显示 报警模块 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23 图 4遥测接收报警电路图 收模块 收模块 核心是能解出发射电路发射出的编码信号的解码电路。在限定距离内，接收模块能接收到发射器发射出的加密数据，并能解调出发射模块传送来的加密信息 码。 当发射模块发射出某一编码时，接收模块 接收到同样的编码，并将此编码输出到译码器中。例如发射模块发射出的地址码为 0011，则接收模块 D=0， C=0， B=1， A=1，它将 0011 输出至译码器中去，译码后将显示 3。其引脚图如图 4示。 图 4脚图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 24 码器 码器，是一种具有 “翻译 ”功能的逻辑电路，这种电路能将输入二进制代码的各种状态，按照其原意翻译成对应的输出信号。有一些译码器设有一个和多个使能控制输入端，又成为片选端 ，用来控制允许译码或禁止译码。 原理图如图4示。 图 4二进制译码器一般原理图 一片 存 /7 段译码 /驱动器，用于驱动共阴极 数码管） 显示器 的 七段码译码器。具有 换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的 路能提供较大的拉电流。可直接驱动共阴 码管。 表 4西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 25 . 码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动 引脚图如 4 各引脚的名称：其中 7、 1、 2、 6分别表示 A、 B、 C、 D； 5、 4、 3分别表示13、 12、 11、 10、 9、 15、 14分别表示 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g。左边的引脚表示输入，右边表示输出，还有两个引脚 8、 16分别表示的是 图 4脚图 2. 工作原理 （ 1） 锁存功能 译码器的锁存电路由传输门和反相器组成 ,传输门的导通或截止由控制端电平状态。当 “0”电平导通， 止 ；当 “1”电平时， 止， 通，此时有锁存作用。 （ 2）译码 码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据 B、 C 进行组合，得出 、 、 、 四项，然后将输入的数据 A、 D 一起用或非门译码。 （ 3）消隐 消隐功能端，该端施加某 一电平后，迫使 B 端输出为低电平，字形消西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 26 隐。消隐输出 J 的电平为 J= =（ C+B） D+不考虑消隐 ，便得 答 辩 人：吴 瑞 指导老师：金文凯 目：工矿企业九路火灾实时监测报警系统设计 班 级： 191002 学生姓名：吴 瑞 指导老师：金文凯 传感器电路的设计 遥测发射电路的设计 遥测接收报警电路的设计 研究背景： 火灾给人类、社会和自然造成的危害范围不断扩大，它不仅毁坏物质财产，造成社会秩序的混乱，还直接威胁生命安全，给人们的心灵造成极大的伤害。残酷的现实让人们逐渐认识到监控预警和消防工作的重要性，良好的监控系统和及时的报警机制可以大大降低人员的伤亡，为社会减少不必要的损失。 设计要求： 本设计是一个针对工业生产线及厂房等要害部位火灾自动遥控报警系统，具有九路遥测、声光报警和失火位置显示功能。 具体要求如下： 监控对象：工业生产线及厂房等要害部位火灾； 遥测遥控范围： 500m； 监控点： 9个； 遥控遥测路数： 9路； 报警方式：声、光、失火位置显示。 设计内容： 本次设计主要研究针对工矿企业预防火灾的自动报警控制系统，采用多种传感器，如烟雾传感器和光电传感器，对环境中的烟雾浓度状况、光照强度进行实时监测，传感器感受到的非电信号经过一定的规律转换成电信号，此电信号经过发射模块的编码与传输，再通过接收模块进行信号接收、译码器解码和数码管显示，同时通过报警装置及时报警。 设计方案： 火灾自动报警系统是由传感器、火灾报警装置、火灾警报装置以及具有其它辅助功能组成的。 电信号 非电信号 电信号 电信号 设计原理框图 火灾 传感器 遥测发射电路 遥测接收电路 报警电路 传感器电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 传感器组成框图 传感器的选择： 传感器是火灾报警系统的现场探测部件，把因火灾产生的各种非电量参数（如烟，光，温度等参数）变成电量参数传送给控制器。本设计选用光电传感器和烟雾传感器敏感火灾产生时的烟与光。 敏二极管 光敏二极管是一种能够 直接将光能转换为电能的敏 感性二极管，它是在反向电 压作用之下工作的。其基本 原理是光照到 吸收光能并转变为电能。 光敏二极管 性能参数 型号 最高工作电压 暗电流 光电流 电流灵敏度 结电容 响应时间 20 80 20 100 80 15 100 80 15 100 80 10 1050 80 10 10设
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