吸烟报警器项目设计方案.doc

吸烟报警器项目设计方案1 绪论1.1 课题的目的与意义吸烟有哪些危害，对人类健康生活有多大影响，这是众所周知的。烟民即使知道身边因为吸烟所发生的意外、病危的事件不少，但烟民还是很自然地抽起烟来，因为吸烟对某些人来说，已经是“精神的食粮”；我们不能阻止谁人吸烟，也不能限制某些人的人生自由，但面对吸烟这个问题，烟民又是否考虑到非吸烟人士的权利呢？据有关调查研究，吸“二手烟”的危害在某些疾病的危害要比吸烟人士得病的机率高好几倍，而吸烟人士比不接触香烟的人得病的机率也是高好几倍，从而，非吸烟人士有权利要求在某些公共场所禁止吸烟；在某些公共场所，如加油站等场所也十分有必要禁烟的；因此，我们生活中有不少场所是有禁烟的必要的，但是哪些地方是禁烟区，哪些地方能吸烟，恐怕吸烟人士不能每次都注意，这时，吸烟报警器的作用就显得十分有用了。我们不用太多人力在禁烟区监督吸烟人士，只要有人在安装了吸烟报警器的地方吸烟，吸烟报警器就会发出警告，让吸烟人士停止在禁烟区吸烟。一方面，可以维护非吸烟人士要求在某些公共场所禁止吸烟的要求，另一方面也可以间接去减少吸烟人士每日的“吸烟量”，从而减少吸烟所带来的负面后果。在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭转眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因；在某些严禁烟火的地方吸烟也是非常危险的行为，如加油站、飞机上等，有些有总是不自觉，在趁没有工作人员在场偷偷地点起香烟，掌握防止发生火灾的知识和万一发生火灾时保护自己的方法,及时消除。通过研究和改良吸烟报警器，能够改进现在吸烟报警器的缺点和漏洞，研究吸烟报警器，也能对非吸烟区的智能监控，节省不少人力物力，更好地应用于人类的日常生活中。1.2 发展现状常见的吸烟报警器的原理是“气-声”的转化，如何实现气声的转化是用气敏传感器将信号向声音发出器转化的。因此，气敏传感器是吸烟报警器的主要部分。传感器技术及其产业的特点是：基础、应用两头依附；技术、投资两个密集；产品、产业两大分散。基础、应用两头依附，是指传感器技术的发展依附于敏感机理、敏感材料、工艺设备和计测技术这四块基石。敏感机理千差万别，敏感材料多种多样，工艺设备各不相同，计测技术大相径庭，没有上述四块基石的支撑，传感器技术难以为继。 应用依附是指传感器技术基本上属于应用技术，其市场开发多依赖于检测装置和自动控制系统的应用，才能真正体现出它的高附加效益并形成现实市场。也即发展传感器技术要以市场为导向，实行需求牵引。技术、投资两个密集技术密集是指传感器在研制和制造过程中技术的多样性、边缘性、综合性和技艺性。它是多种高技术的集合产物。由于技术密集也自然要求人才密集。投资密集是指研究开发和生产某一种传感器产品要求一定的投资强度，尤其是在工程化研究以及建立规模经济生产线时，更要求较大的投资。增加投资和正确的投资方向是提高传感器产业水平的主要条件之一，也是企事业决策者谋求最佳经济效益的重要手段。产品、产业两大分散，产品结构和产业结构的两大分散是指传感器产品门类品种繁多，生产、研究单位分布在除地方外有12个部委（电子、机械、科学院、航空航天、教委、冶金、船舶、铁道、轻工、化工、煤炭等），其应用渗透到各个产业部门，它的发展既是各产业发展的推动力。只有按照市场需求，不断调整产业结构和产品结构，才能实现传感器产业的全面、协调、持续发展。 在国家的支持下，“八五”以来，我国的传感器技术及其产业取得了长足进步。 在学术交流方面，1989年10月由敏感元器件与传感器分会发起主办的“STC89 首届全国敏感元件与传感器学术会议”已延续至今，固定每两年召开一次，每逢活动不但国内学者、企业家云集且有不少其它国家的人士参加。目前，其论值组织机构为：“全国敏感元件与传感器学术团体联合组织委员会”。 在原电子工业部的努力及敏感元器件与传感器分会的积极组织下，实施的“双加工程”即：加快力度加快发展，的方针指导下，建立了我国敏感元器件与传感器生产基地。这三大基地分别为： “安徽基地”，主要是建立力、光敏规模经济；“陕西基地”，1990年2月成立了“陕西省敏感技术产业集团公司”主要是建立电压敏、热敏、汽车电子规模经济为主要目标；“黑龙江基地”主要建立气、湿敏规模经济为主要目标。 多年来，三大基地在发展过程中虽然兴衰不一，历史地看，它对我国敏感元件与传感器行业的建设起到了一定的推动作用。“九五”期间传感器技术研究国家重点科技攻关项目取得了51个品种86个规格的新产品。初步建立了敏感元件与传感器产业。 产品已进入到亿万人民的家庭生活中，并已在国民经济各部门和国防建设中得到一定应用。近年来，在研发主力军的建设方面，主要表现在：（1）建立了“传感技术国家重点实验室”、“微米/纳米国家重点实验室”、“国家传感技术工程中心”等研究开发基地。全国已有1688家企事业从事传感器的研制、生产和应用，其中从事MEMS研制生产的已有50多家。目前全行业正在执行“十五”规划，MEMS等5项新型传感器已列入研究开发的重点；国家计委决定从2002年开始组织实施的新型电子元器件产业化专项中有5项新型敏感元件与传感器已经启动；一些省、市新建立的“传感器产业基地”、“MEMS科技股份有限公司”，呈现出良好的发展态势。 现在吸烟报警器是按照火灾烟雾报警器的原理和规格去制作，市场上的火灾烟雾报警器有很多种类，如气敏烟雾报警器，离子感烟探测器和光电感烟探测器等，其产品外观多为如图1-1所示。图1-1 常见烟雾报警器外形气敏烟雾报警器，采用半导体气敏元件作为传感器，实现“气电”转换，555时基电路组成触发电路和报警音响电路；由于气敏元件工作时要求其加热电压相当稳定，所以利用7805三端集成稳压器对气敏元件加热灯丝进行稳压，使报警器能稳定地工作在180260V的电压范围内离子感烟探测器，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。千扰了带电粒子的正常运动，使电流，电压就有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是就发出了信号。还有一种叫光电感应探测器，它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，于是光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。还有一种叫管道抽吸式感烟探测器，它的工作原理与光电感应探测器中另一种散射型相似，通过烟雾的反射或散射产生光敏电流，主要用在船舶上。光电型烟雾报警器，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。它有一个发光元件和一个光敏元件，平常光源发出的光，通过透镜射到光敏元件上，电路维持正常，如果有烟雾从中阻隔，到达光敏元件上的光就显著减弱，达到3.0%/ft时光敏元件就把光强的变化变成电的变化，通过放大电路向人们报警。近年来还出现了激光感烟探测器，它也是利用光电感应原理，不同的是光源改用激光束。这种探测器采用半导体器件，体积小、价格低、耐震动、寿命长，很有发展前途。1.3 研究目的与方向研究和改良吸烟报警器，有利于对现有产品的开发和改造，研发出在遇有人在禁烟区吸烟的能更准确地报警，从而减少误报。目前的吸烟报警器实际上是与火灾烟雾报警器同一原理，因此如何区别吸烟与火灾是今后研究的方向，这是需要从所用的气体传感器这个方向去研究的。2 设计方案的原理概述和技术要求2.1吸烟报警器原理“吸烟报警器”是由两个部分组成：一是用于检测烟雾的感应传感器，二是声音非常响亮的电子扬声器和LED灯，一旦有人在禁烟区吸烟就会发出警示，警告禁止吸烟和提醒管理人员该禁烟区有人吸烟。 本次设计将采用半导体气敏型吸烟报警器作为研究对象，其大概原理是通过触发电路和报警音响电路由555时基电路组成，当传感器接触到烟雾时，接通报警回路，使LED灯发亮和扬声器响，从而达到“气-声和光”的报警原理。2.2 技术要求要使吸烟报警器这个方案得到实现，首先要明白方案的总体原理，其次还要了解和掌握相关原器件如IC555、7805稳压管、气敏传感器的原理和应用方法，要对模拟电子技术、数字电子技术有较好的知识基础；在方案的实施过程中，还要有一定的动手能力，如线路板、原器件的焊接。3 吸烟报警器的硬件设计3.1 方案硬件设计图3-1 简易烟雾报警电路如图3-1所示为简易烟雾报警电路。该报警器由降压整流与稳压电路、气敏传感元件和触发、报警音响电路等组成。降压整流与稳压电路由变压器、桥式整流电路、集成稳压电源7805等组成。触发、报警音响和LED灯电路由可控多谐振荡器(555、R2、W2、C4)和扬声器Y等组成。半导体气敏元件采用QM-25型，其可用于各种烟雾的报警，其要求加热电压稳定，故采用7805对灯丝电压进行稳压，且要求开机预热3分钟。 当气敏元件QM-25接触到烟雾时，其AB极间的电阻降低，从而使该电阻与W1的分压上升，相应555脚电位上升，当脚的电位上升到lV以上时，555起振，其振荡频率为f=1.44(R2+2Rw2)C4。图中所示参数对应的频率约为0.68kHz。调节电位器W2，使其频率为1.5kHz即可。相应555的输出端脚的输出信号推动扬声器发出报警声。 正常情况下，气敏元件的A-B极间的阻值较大，该电阻与W1的分压减小，相应使555脚处于低电平，555停振，扬声器不工作。本电路的振荡频率约为0.6-8kHz,调节 使频率在1500Hz即可。3.2 元器件清单和主要部件原理3.2.1 元器件清单元器件清单如表3-1所示。表3-1元器件列表元器件数量电源变压器1个桥式整流器1个16v22u电解电容2个LED发光二极管2个0.33电容1个0.1电容1个0.01电容2个2K电阻1个36K电阻1个2.2K可变电阻1个150K可变电阻1个QM-25气敏传感器1个555集成电路1个7805三端稳压电路1个扬声器1个3.2.2 稳压管H7805三端稳压集成电路，故名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO- 220 的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在78 * 、79 * 系列三端稳压器中最常应用的是TO-220 和TO-202 两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号、引脚功能。引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。引脚 为最高电位，脚为最低电位，脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，脚均为输出端。对于78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即脚，对与79*负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，即脚。此外，还应注意，散热片总是和最低电位的第脚相连。这样在78*系列中，散热片和地相连接，而在79*系列中，散热片却和输入端相连接。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电流和电压。H7805功能框架如图3-2所示 图3-2 H7805功能框架图3.2.3 NE555 NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。NE555的特点有： (1)只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 (2)它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。(3)其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。(4)它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。(5)静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15mA NE555内部功能如图3-3所示图3-3 NE555内部功能框图 NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。它们控制的优先权是R、T、TH。NE555的极限参数设置如表3-2所示。表3-2 NE555的极限参数 NE555的极限参数电源电压允许功耗工作温度储藏温度最高结温+18V600mW-10+70军用-55+125-65+150300NE555的极限参数，不同的封装形式及不同的生产厂商的器件这些参数不尽相同，极限参数是指在不损坏器件的情况下，厂商保证的界限，并非可以工作的条件，如果超过某一环境下使用，其间的安全性将不会得到保证，这使用中应加以注意。按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分为3大类、8种、共18个单元电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。这样一来，电路变的更加复杂。为了便于我们分析和识别电路，更好的理解555电路，这里我们这里按555电路的结构特点进行分类和归纳，把555电路分为3大类、8种、共18个单元电路。单稳类电路如图3-4所示。图3-4 单稳态电路单稳工作方式，它可分为3种：第1种是人工启动单稳，又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1和1.1.2为代号。他们的输入端的形式，也就是电路的结构特点是：“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”。 第2种是脉冲启动型单稳，也可以分为2个不同的单元。他们的输入特点都是“RT-7.6-CT”，都是从2端输入。1.2.1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。 第3种是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。双稳类电路如图3-5所示。图3-5 双稳态电路555双稳电路工作方式可分成2种： 第一种是触发电路，有双端输入和单端输入2个单元。单端比较器可以是6端固定，2段输入；也可是2端固定，6端输入。 第二种是施密特触发电路，有最简单形式的和输入端电阻调整偏置或在控制端加控制电压VCT以改变阀值电压的共2个单元电路。 第三种是压控振荡器。单稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。双稳电路的输入端的输入电压端一般没有定时电阻和定时电容。这是双稳工作方式的结构特点。单元电路中的C1只起耦合作用，R1和R2起直流偏置作用。 无稳态电路如图3-6所示。图3-6 无稳态电路无稳态电路，就是多谐振荡电路，是555电路中应用最广的一类。电路的变化形式也最多。也把它分为三种。第一种是直接反馈型，振荡电阻是连在输出端VO的。 第二种是间接反馈型，振荡电阻是连在电源VCC上的。其中第1个单元电路是应用最广的。第2个单元电路是方波振荡电路。第3、4个单元电路都是占空比可调的脉冲振荡电路，功能相同而电路结构略有不同。 第三种是压控振荡器。无稳电路的输入端一般都有两个振荡电阻和一个振荡电容。只有一个振荡电阻的可以认为是特例。例如：单元可以认为是省略RA的结果。有时会遇上三端并联，只有一个电阻RA的无稳电路，这时可把它看成是单元电路省掉RB后的变形。 3.2.4 气敏传感器QM-25QM-25是属于检测烟雾的半导体气敏传感器，常用来制作烟雾报警器，是生产规模最大的Sn02材料作为敏感基体制作的广谱性气体传感器，其性能技术指标如表3-3所示。表3-3 技术指标加热电压( VH )50.2V ( ACDC )回路电压( VC )10V ( 最大 DC 24V)负载电阻( RL )2K(可自定)清洁空气中电压( V0 )1.5V灵敏度3响应时间( tres )10S恢复时间( trec )30S元件功耗0.7W使用寿命5年基本测试电路如图3-7所示。图3-7基本测试电路曲线如图3-8所示。图3-8 阻值与气体浓度的关系示意图原理与使用方法：（1）元件开始通电工作时，没有接烟雾气体，其电导率也急剧增加，约一分钟后达到稳定，这时方可正常使用，这段变化在设计电路时可采用延时处理解决。 （2）加热电压的改变会直接影响元件的性能，所以在规定的电压范围内使用为佳。 （3）元件在接触标定气体1000ppm烟雾后10秒钟以内负载电阻两端的电压可达到 ( Vdg-Va )差值的70% ( 即响应时间 )；脱离标定气体1000ppm烟雾30秒钟以内负载电阻两端的电压下降到 ( Vdg -Va )差值的70% ( 即恢复时间 )。 （4）符号说明检测气体中电阻-Rdg 检测气体中电压-VdgRdg与 Vdg的关系：Rdg=RL(VC/Vdg-1) （5）负载电阻可根据需要适当改动，以满足设计的要求。 （6）使用条件：温度-1540；相对湿度2085%RH；大气压力80106KPa。 （7）环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响，可进行湿度补偿，最简便的方法是采用热敏电阻补偿之。 （8）避免腐蚀性气体及油污染，长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网。3.3电路各部分原理3.3.1桥式整流电路单相桥式整流电路是工程上最常用的单相整流电流电路如图3-9所示。图3-9 单相整流电流电路整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用，根据图19的电路图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。单相格式整流电路的电流与电压波形见图3-10。图3-10 单相格式整流电路的电流与电压波形3.3.2 QM-25和555部分当气敏元件QM-25接触到烟雾时，其AB极间的电阻降低，从而使该电阻与W1的分压上升，相应555脚电位上升，当脚的电位上升到lV以上时，555起振，其振荡频率为f=1.44(R2+2Rw2)C4。图21所示参数对应的频率约为0.68kHz。调节电位器W2，使其频率为1.5kHz即可。相应555的输出端脚的输出信号推动扬声器发出报警声。 正常情况下，气敏元件的A-B极间的阻值较大，该电阻与W1的分压减小，相应使555脚处于低电平，555停振，扬声器不工作。本电路的振荡频率约为0.6-8kHz,调节 使频率在1500Hz即可。 4 问题解决方法和结果分析在课题设计的过程中，遇到了不少问题:(1)在定下了课题的总体思路后,如何去动手设计电路原理,似乎让我无从下手,后来通过指导老师的提点,还有自己到学校图书馆翻阅相关的资料,根据总体思路弄清课题所需的各电路分支,然后一个分支一个分支地完成. （2）在做设计过程中，才发现问题真的很多，比如语音电路不能正常工作，后来才通过检测电路发现原来是语音电路的芯片不能正常工作，通过更换元器件以后电路能够正常工作。 结束语此次毕业设计是我们从大学毕业生走向工作的重要一步。从最初的选题，开题到动手设计、采购元器件直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复