智能仓库火焰报警器设计与制作

1、实用文档 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 2016 年 6 月 目录 1 绪论 2 2 系统工作原理 3 2.1 火灾形成的原因 3 2.2 火焰报警控制器的原理 4 3 硬件电路设计 5 3.1 电子元器件介绍 . 5 3.1.1 电源指示发光二极管 . 5 3.1.2 电压取样电位器 . 5 3.1.3 蜂鸣器 . 6 3.1.4 火焰传感器 7 3.1.5 轻触开关 . 8 3.1.6 半导体三极管 . 8 3.1.7 通用运算放大器 LM358. 9 3.1.8双D触发器4013 9 3.2 电路原理图设计 10 3.2.1 火焰感应电路设计 10 3.2.2 手

2、动控制电路设计 10 3.2.3 信号处理电路设计 11 3.2.4 报警电路设计 11 3.2.5 电路原理图设计整图 12 3.3.6 工作原理分析 12 4 安装调试 13 5 总结 13 6 附录 14 1 元器件清单 14 2硬件实物图 错误! 未定义书签。 3 硬件电路焊接实物图 14 3 参考文献 16 1 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

3、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 65000-75000 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 发展加强火灾防范 , 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

4、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（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

5、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。 光辐射探测器一种是红外光辐射探测器。 物质在燃烧时， 由化学反应产生闪 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， 则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，就能打开开关电路报 警。 火焰报警器是重要的安全设备，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

6、的物理、 化学课中我们曾学习过， 产生火灾的基本要素是可燃物、 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， 它们燃烧的基本过程 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表面继续放出可燃气体， 并形成扩散燃烧。同时， 发出含

7、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达到全部燃烧， 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，阴燃产生大量的烟 雾，但是环境温度不太高， 若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

8、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部分。 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。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

9、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 广播等功能。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基本工作原理如图 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 图2.2电路原理框图 本文以红外检测传感器与其他电子技术相结合， 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，打开灭 火设备。电路采用5V直流电压供电

10、，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

11、切口的为负，另一边就为正。发光二 极管外形如下图所示。 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。如下图所示为104（ 100K）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103 (10K)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，获得部分电压输出。 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

12、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、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。 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

13、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。有源蜂鸣器比无源蜂鸣器的成本要 高，因为有源蜂鸣器里面多个震荡电路。无源蜂鸣器便宜

14、，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，如下图所示: Ki VT1 09013 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0.1-10卩m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 4.4卩m附近的C02畐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

15、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

16、 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合适的水平， 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发展的探 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

17、敏，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 北字左边两个引脚是固定导通 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，如下图所示。 两两 个个 脚脚 N之 间间 导斷 通开 北字右边的两个引脚也是固定导通 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

18、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。如下 图所示。 * 3 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。 这是三极管最基本的和最重要的特性。 我们将 IC/ lb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“B”表示。电流放

19、 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LM358 LM358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 OUT1 VCC IN1- OUT2 一 IN1+ IN2- GN

20、D IN2+ 1脚 2脚 3脚 4脚 5脚 6脚 7脚 8脚 第一运放输出端 第一运放反向输入端 第一运放同向输入端 接地端 第二运放同向输入端 第二运放反向输入端 第二运放输出端 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。 3.1.8双D触发器4013 CD4013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

21、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74

22、LS74 74LS175等均为上升沿触发的边沿触发器。触发器的应用很广，可用作数字信号的寄存，移位寄存，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） 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 J x 0 0 Q Q x x 1 0 0 1 x x 0 1 1 0 x x 1 1 1 1 本电路设计把双D触发器设计成了 RS触发器，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

23、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： VCC C1 - 104 R2 10K RP1 10K VD1 +5V S1 J1 U1 卜 OUT1 VCC IN1- OUT2 -IN1 + IN2- I- r GND IN2+ R3 1K 1 8 2 7 LM358 6 5 3 4 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清除信号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

24、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， 电路设计如下： Si 5 6 7 Ci .1Q VCC .1/Q 2Q ，ICP 2/Q 1RD 2CP 1D 2RD .1SD 2D GND 2SD R5 1K IC2 4013 1 2 3 14 13 12 11 10 9 8 VCC +5V 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： VCC +5V Ki A r VT1 Z 9013 HA1 图3.10报警电路 325电路原理图设计整图 图3.11电路原理图

25、 3.3.6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 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

26、）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

27、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。 4 安装调试 制作完成后，接上5V直流电压，用打火机在火焰传感器上方 30CM处点火, 报警器

28、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，故障基本能排除，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 , 工业民宅企业消防安全突显其重要性。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安全系统的一个重要部 分, 其各部分功能的实现为工业企业避免了重大损失。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

29、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。 通过这次设计， 更加深入的理解和掌握了这方面的知识， 对本专业的认识也 更加深入， 使自己对本专业更加的热爱， 对近阶段的学习做了进一步的总结， 更 加明确了自己学习的目标和方向。在设计过程中，自己也学到了许多新的知识， 有很多感悟和体验心得。 而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识， 为自 己日后的学习和研究打下了坚实的基础。 通过此次设计，我不仅把知识融会贯通， 而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识， 开拓了视野， 认识了将来电子的发展