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日勺设计

6月

目录

第1章绪论.......................................................................3

1序言........................................................................3

1.2设计的背景及意义..........................................................4

第2章智能仓库火焰报警器打勺设计.................................................5

2.1电子元器件简介............................................................5

2.1.1电源指示发光二极管..................................................5

2.1.2火焰传感器..........................................................6

2.1.3蜂鸣器..............................................................8

2.1.4电压取样电位器.....................................................10

2.1.5半导体三极管.......................................................11

2.1.6双D触发器........................................................12

2.1.7通用运算放大器LM358............................................................................................13

2.2电路框图日勺设计...........................................................14

2.4工作原理分析.............................................................16

第3章智能仓库火焰报警器的制作.................................................18

3.1硬件电路元件清单及实物图................................................18

3.1.1智能仓库火焰报警器硬件电路元件清单...............................18

3.1.2硬件电路元件实物图................................................18

3.2硬件电路PCB布局及焊接安装.............................................19

3.2.1硬件电路PCB布局图...............................................19

3.3线路板日勺焊接.............................................................19

3.3线路板R勺调试与检测......................................................20

3.3.2线路板的调试..........................................................20

第4章总结......................................................................21

第5章参照文献.................................................................23

线路板的调试................................................................24

硬件电路检测............................................................24

附录

第1章绪论

1序言

消防是防火和灭火H勺总称。我国消防工作执行“防止为主，防消结合”日勺方

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

争制止火灾口勺发生，同步充分做好火火准备。每当发生火灾，尽快扑灭，尽量地

减少火灾所导致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。物质燃烧不仅会产生烟雾和热量，同

步也会产生可见或不兀见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产

生日勺光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统日勺.根据感应的

分析能力。

可运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。假

如改善火焰传感器检测日勺设备，改用热释电红外传感器检测人体辐射的红外线变

化探测移感人体，还汇以实现防盗检测。

要采用万能板焊接智能仓库火焰报警器，因为这种电子制作措施，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，为后来维修、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

2.1电子元器件简介

2.1.1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。

LED,即LightEmittingDiode%J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，与一般二极管一样是由一种PN结构成，

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。神化钱二极管发红

光，磷化铁二极管发绿分别与N区的电子和P区R勺空穴复合，产生自发辐射光,

碳化硅二极管发黄光，氮化钱二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管

OLED和无机发光二极管LEDo如图所示2.1

LED只能往一种方向导通（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、

颜色跟其所采用日勺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、高可靠性等老式光源不及日勺长处。白光LED日勺发光效率,

在近儿年来已经有明显日勺提高，同步，在每干流明的购入价格上，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、

家俱、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）上仍然低于新型日勺荧光灯，是国家后来发展民用的去向。

2.1.2火焰传感器

火焰的辐射是具有离散光谱日勺气体辐射和伴有持续光谱日勺固体辐射，其波长

在O.l-lOum或更宽的范围，为了防止其他信号的干扰，常运用波长＜300nni的

紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4pm附近的C02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,而对其他频谱范围

的光线不敏感,运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日勺电光源发出的光波长均不小于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导致的复杂背景，使得在系统中信息处理的

承担大为减轻。因此可靠性较高，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，且具有高敏捷度、高输出、高响应速度和应用线路

简朴等特点。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。

火焰是由多种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主

体H勺高温固体微粒构成H勺。火焰的热辐射具有离散光谱口勺气体辐射和持续光谱的

固体辐射。不一样燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其

对应火焰温度口勺1〜2口m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，专感器，当然火焰传感器也可以

用来检测光线的I亮度，只是本传感器对火焰尤其敏捷。火焰传感器运用红外线对

对火焰非常敏感日勺特点，使用特制日勺红外线接受管来检测火焰，然后把火焰日勺亮

度转化为高下变化欧I电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号日勺变

化做出对应日勺程序处理。

火焰传感器的原理：由多种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及

无机物质为主体H勺高温固体微粒构成H勺。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射

和持续光谱日勺固体辐射。不一样燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但

总体来说，其对应火焰温度附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构造的电子讯响器，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。蜂鸣器重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表达，此次用日勺是电压式蜂鸣器，它重要由多谐振

荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等构成。有日勺压电式蜂鸣器外壳

上还装有发光二极管。如图2-2。

图2.2蜂鸣器

由于蜂鸣器日勺工作电流一般比较大，因此要运用放大电路来驱动，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括如下几种部分：一种三

极管、一种蜂鸣器、一种续流二极管和一种电源滤波电容。

1.蜂鸣器：发声元件，在其两端施加直流电玉（有源蜂鸣器）或者方波（无

源蜂鸣器）就可以发声，其重要参数是外形尺寸、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。

2.续流二极管：蜂鸣器木质上是一种感性元件，其电流不能瞬变，因此必

须有一种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日勺其他部分。[2]

3.滤波电容：滤波电容C1日勺作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其他部分的影

响，也可改善电源日勺交流阻抗，假如可能，最佳是再并联一种220uF日勺电解电容。

4.三极管：三极管Q1起开关作用，其基极日勺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。本电路设计日勺蜂

鸣器如图所示

VCC

+5V

HA1（

Ki。（VT1

、9013

图2.3有源蜂鸣器驱动电路

2.1.4电压取样电位器

电位器（英文：Potentiometer）是可变电阻器日勺一种。-一般是由电阻体

与转动或滑动系统构成，即靠一种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整的电阻元件。电位器一般

由电阻体和可移动的电刷构成。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H勺作用一一调整电压（含直流电压与信号

电压）和电流的大小。

电位器口勺构造特点一一电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调整转

轴或滑柄，变化动触点在电阻体上的位置，则变化了动触点与任一种固定端之间

的电阻值，从而变化了电压与电流的大小。电位器是一种可调的电子元件。它是

由一种电阻体和一种转动或滑动系统构成。当电阻体的两个固定触点之间外加一

种电压时，通过转动或滑动系统变化触点在电阻体上的位置，在动触点与固定触

点之间便可得到一种与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这

时电位器是一种四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有儿种样式，一般用

在音箱音量开关和激光头功率大小调整电位器是一种可调日勺电子元件。

用于分压的瓦变电阻器。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日勺阻值。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）。重要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用

于电子设备，在音响和接受机中作音量控制用。

声3

I（

1（

图2.4电压取样电位器

2.1.5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日勺电信号，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

电子电路的关键元件。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结把整块半导体提成三部分，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（如下简称三极管）按材料分有

两种：错管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种构造形式，但使用最多的是硅

NPN和倍PNP两种三极管，（其中，N表达在高纯度硅中加入磷，是指取代某些

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一样外，其工作原理都是相似H勺。本电路使用

的是NPN型的三极管9012,当把有字口勺面向自己，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。

・

LEnitter发射极

2.Base基板

3.Cdlector集电极

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，对一种特定日勺输

入频率，要经N/2分频后才能得到所需要的输出，这就规定电路具有N/2的非整

数倍的分频功能。CD4013是双D触发器，在以CD4013为主构成的若干个二分频

电路的基础上，加上异或门等反馈控制，即可很以便地构成N/2分频电路。

CD4013由两个相似日勺、相互独立的数据型他发器构成。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输入端口勺逻辑电平传送到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：ID、2D：数据输入端，1CP、2CP：时钟输入端IQ、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。

CMC13双D触发抬引脚图

148Q1RqVDO

QTQ目Q2

CLOCK1Q回B

RESET10回CLOCK2

D1[5地RESET2

17

SET1[6可02

DIP（双列宜插）封装图

VSSR3SET2

图2.6双：）触发器

CD4013真值表

CD4013有两个D触发器，一种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、Do

1）R和S不能同步为高电平。

2）当R为1、S为。时，输出Q一定为0,因此R可称为复位端。

3）当S为1、R为。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，详细是Q二D,即

若D为1则Q也为1,若D为0则Q也为0。

SD（置位Q（输

RD（复位端）

端）出端）

100

011

00D

11X

2.1.7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日勺、高增益、内部频率赔偿欧I

双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也合用于双电源工作模

式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的I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日勺场所。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引脚功能简介

1脚：第一运放输出端

2脚：第一运放反向输入端

18

OUT1VCC3脚：第一运放同向输入端

27脚：接地端

INI-0UT24

365脚：第二运放同向输入端

IN1+IN2-

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

本电路设计运用了LM358中H勺其中一种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。假如3脚电压不小于2脚电压,则1脚输出高电平;

假如3脚电压不不小于2脚电压，则1脚输出低电平。

2.2电路框图的设计

整个电路原理图瓦分为火焰感应电路、人工控制电路、信号处理电路、报警

电路构成，框图设计如图2.7：

2.3电路原理图设计

火焰感应电路”

信号处理电路，报警电路。

手动控制电路”

图2.7框图的设计

电路原理图设计包括火焰感应电路设计，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口勺设计，将他们放在一起如图2.8。

V0C+5V

1%Q

0UT1VCC20

我

INI-0UT21CP

INI+IN2.2CP

GNDIN2+2RD

J2

GND

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、RR、RP1、C1、VD1、LMR58构成了了火焰感应电路，RP1调到中旬位

置，产生2.5V左右的基准电压送到IN358的3脚（同相输入端），火焰传感器

历来到信号送到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。假如3脚（同相输入端）电压不小于2脚（反

相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为高电平。假如3脚（同相输入端）

电压不不小于2脚（反相输入端）电压，1脚输巴火焰控制信号Si为低电三。

正常工作时没有火焰的，火焰传感器截止，提供应LM358日勺2脚（反相输入

端）的电压为高电平，不小于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，重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

生对应日勺输出控制信号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HAI(5V有源电磁式)构成了报警电路。当

三极管VT1日勺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。

第3章智能仓库火焰报警器的制作

3.1硬件电路元件清单及实物图

3.1.1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,R5IK2

2电阻R1,R410K2

3电阻R230K1

4电位器RP110K(103)1

5瓷片电容Cl0.1UF(1O4)1

6发光二极管LED13MM1

7火焰传感器VD15MM-940nm1

8轻触开关SI6*6*71

9三极管VT190131

10蜂鸣器HAI5V有源1

11双集成运放UILM3581

12双D触发器UICD40131

13IC座DIP8P1

14IC座DIP14P1

15单排针VCC,GND1MP1N2.54mm2

16万能板7*9CM1

17拖焊专用铜导线0.5铜导线2

18拖焊专用焊锡凯纳0.8,带松香2

19焊接专用图纸高清原理图A41

3.1.2硬件电路元件实物图

图3.1硬件电路元件实物图

3.2硬件电路PCB布局及焊接安装

3.2.1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。

3.2.2硬件电路焊接安装

图3.2硬件电路焊接安装图

3.3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3T,图3-2所示:

图3.3线路板正面

0

0

0

0

O

O

O

图3.4线路板背面

3.3线路板的调试与检测

332线路板的调试

当接通5V直流电，玉时，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。这时我们拿一种打

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。

第4章总结

仓库火灾自动报警器可保障仓库物资和财产口勺安全，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H勺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日勺基础上，合理

地制系统的设计方案，并且对器件日勺整个设计，各个构成部分进行了详细的设计

和分析。本次毕业设计通过努力，整个系统实现了预期的目标。

本系统通过设计一种以AT89S52单片机为关键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。是一种构造简朴、

性能稳定、使用以便、价格低廉、智能化的火灾乘警微，具有一定的实用价值。

本报警器电路构造简朴、可维护性好。由于实现了对一般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

多方面日勺安全防备。不过也存在不少的局限性。由于电源的波动，传感器的电气

特性等问题，使得A/D转换成果有时波动很大，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口勺功能没有实现,而只是实现了烟雾浓度、

温度显示及按键控制。由于上述缺陷口勺存在,此系统不是很完善，还有待进一步

改善。

通过本次的论文设计，让我愈加深入的理解和掌握了这些方面的I知识，使自

己对这个课程愈加热爱。在设计中，有诸多感悟和体验心得，自己也学到了许多

新日勺知识，为自己后来学习和研究打下了很坚实日勺基础。

第5章参照文献

[1]张爱民等编著.怎样选用电子元器件.中国电力出版社，

[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，

[4]胡斌编著.图表细说元器件及实用电路.电子工业出版社，

[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，

[6]黄继昌等编著.实用报警电路.人民邮电出版社，

附录

1、安装调试

线路板的调试

当接通5V直流电玉时，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。这时我们拿一种打

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

假如制作没有成功，请从下面几种方面进行检测维修：

（1）观测法：检查每个元件与否安装对H勺，尤其是通用运放LM358、双D

触发器4013,火焰传感器、蜂鸣器、轻触开关等与否安装对的，三极管9013的

三个引脚E、B、C与否对的等，发光二极管的正负极性与否对的。

（2）电阻法：根据原理图检查线路与否正常连通，可用万用表检测每条线

路与否导通。电子初学者，焊接的线路多有虚焊、漏焊、假焊等状况，电路搭建

错误，因此首先检查每条线路与否焊接好•，也就是电气性能与否保证。

（3）电阻法：检测每处GND与否和电源负极接头与否连通；检测每处VCC

与否和电源接头与否连通。

（4）电压法：测试LM358的3脚电压与否为2.5V左右，LM358的2脚电压

与否为4V左右，然后用打火机在火焰传感器上方30cM处点火，看看电压与否由

高到低变化（下降到IV左右）。假如一直电压没有变化，电位器和火焰传感器

接错或者损坏。

（5）电压法：测试LM358的1脚电压，然后用打火机在火焰传感器上方30CM

处点火，看看电压与否由低电平变为高电平。假如电压没有变化，LM358的烧坏

的可能性较大。

（6）电压法：测试双D触发器4013日勺6脚电压，然后用打火机在火焰传感

器上方30cM处点火，看看电压与否由低电平变为高电平。同步检测双D触发器

4013H勺1脚电压与否曰低电平变为高电平。假如电压没有变化，双D触发器4013

的烧坏H勺可能性较大。

（7）电压法：测试三极管V3的基极电压，用嘴吹驻极体话筒时，电压会发

生零点几的下降。假如一直电压没有变化，三极管的损坏的可能性比较大。

（8）电压法：测试三极管VT1的基极电压与否会因打火机在火焰传感器上

方30cM处点火而变化，假如有变化，不过没有声音，三极管和蜂鸣器损坏的可

能性较大。

实践证明，通过以上检测，故隙基本能排除，实现智能仓库火焰报警器日勺仿

真功能，即用打火机在火焰传感器上方30cM处点火，报警器立即报警。手动按

下报警消除按键（轻触开关），报警声停止。

2、本设计的I电路原理图、印制板图。

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