煙霧報(bào)警電路設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、 四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)目錄摘要1第1章緒論21.1 論文研究背景、目的和意義21.1.1 論文研究背景21.1.2 論文研究目的和意義21.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2第2章方案論證42.1 設(shè)計(jì)方案的介紹42.1.1 方案一42.1.2 方案二52.2 設(shè)計(jì)方案的選定5第3章單元電路設(shè)計(jì)73.1 電源電路設(shè)計(jì)73.1.1 變壓器73.1.2 橋式整流電路83.1.3 濾波電路83.1.4 三端集成穩(wěn)壓電路93.2 煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)103.2.1 氣體傳感器的介紹103.2.2 煙霧傳感器的選定103.2.3 半導(dǎo)體煙霧傳感器簡(jiǎn)介113.2.4 煙霧檢測(cè)電路133.3 555時(shí)基

2、集成電路143.3.1 555時(shí)基電路簡(jiǎn)介143.3.2 555時(shí)基電路的工作原理153.3.3 555時(shí)基電路的工作模式163.4 聲光報(bào)警電路173.5 整機(jī)電路的工作原理17第4章電路仿真與調(diào)試19第5章印制板制作與整機(jī)裝配調(diào)試225.1 印制電路板設(shè)計(jì)225.2 印刷板制作工藝流程225.3 整機(jī)裝配與調(diào)試23結(jié)論25參考文獻(xiàn)26附錄1整機(jī)電路原理圖27附錄2元件明細(xì)表28 ii 摘要為了提前發(fā)現(xiàn)并阻止火災(zāi)的發(fā)生，提高人們的警覺性，防止和減少火災(zāi)引起的事故。設(shè)計(jì)出以模數(shù)電和傳感器技術(shù)為設(shè)計(jì)方法，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則，由三端集成穩(wěn)壓電路、半導(dǎo)體電阻式煙霧傳感器、555集成電路等元器

3、件構(gòu)成的煙霧報(bào)警電路，可實(shí)現(xiàn)煙霧檢測(cè)和聲光報(bào)警功能。并且運(yùn)用電子仿真軟件進(jìn)行電路仿真、實(shí)物制作來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的功能。電路選用半導(dǎo)體煙霧傳感器mq-2型，對(duì)煙霧進(jìn)行檢測(cè)。運(yùn)用555集成電路實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，及時(shí)提醒用戶。本設(shè)計(jì)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的煙霧報(bào)警電路，且具有一定的實(shí)用性。關(guān)鍵詞煙霧傳感器；555集成電路；聲光報(bào)警第 1 頁(yè) 共 28 頁(yè)第1章緒論1.1 論文研究背景、目的和意義 1.1.1 論文研究背景 隨著科技的發(fā)展，越來越多的安全隱患由工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活而產(chǎn)生。為了更早發(fā)現(xiàn)和阻止火災(zāi)的發(fā)生，防止因火災(zāi)引起的燃燒、爆炸等事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失

4、，甚至危及人的生命安全。為了減少這類事故的發(fā)生，就必須對(duì)煙霧進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，采用先進(jìn)可靠的安全檢測(cè)電路，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)環(huán)境中煙霧的濃度，及早發(fā)現(xiàn)事故隱患，采取有效措施，避免事故發(fā)生，才能確保工業(yè)安全和家庭生活安全。也是科學(xué)技術(shù)和社會(huì)發(fā)展的必然要求。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要方向。 1.1.2 論文研究目的和意義 為了提前發(fā)現(xiàn)和阻止火災(zāi)發(fā)生，防止和減少火災(zāi)引起的燃燒、爆炸等事故，造成社會(huì)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及人的生命安全。因此，研究煙霧的檢測(cè)方法與煙霧報(bào)警器就成為傳感器技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本設(shè)計(jì)中的煙霧報(bào)警電路是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度并具有聲光

5、報(bào)警功能的電路。該報(bào)警電路是石油化學(xué)工業(yè)、有氣體泄漏可能的生產(chǎn)工廠及家庭防火防爆必備的儀器。因此研究新型、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)可燃性氣體，并符合國(guó)家相關(guān)規(guī)定的報(bào)警器具有極其重要得意義。1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)在70年代初期開始研制煙霧報(bào)警器，生產(chǎn)型號(hào)多樣、品種較齊全，應(yīng)用范圍也由單一的煉油系統(tǒng)擴(kuò)展到幾乎所有危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的各種類型報(bào)警器，產(chǎn)品數(shù)量也在不斷增加。但主要是在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的傳感器技術(shù)和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上，進(jìn)行研究與開發(fā)形成自己的特色。近年來，在煙霧選擇性和產(chǎn)品穩(wěn)定性上也有很大進(jìn)步。國(guó)外從20世紀(jì)30年代開始研究并開發(fā)煙霧傳感器，且發(fā)展迅速，一方面是因?yàn)槿藗儼踩庾R(shí)增強(qiáng)，對(duì)環(huán)境安全性

6、和生活舒適性要求提高；另一方面是因?yàn)閭鞲衅魇袌?chǎng)增長(zhǎng)受到政府安全法規(guī)的推動(dòng)。據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)1996年2002年煙霧傳感器年均增長(zhǎng)率為27%30%。隨著傳感器生產(chǎn)工藝水平逐步提高，傳感器日益小型化、集成度不斷增大，使得煙霧檢測(cè) 儀器的體積也逐漸變小，提高了煙霧檢測(cè)儀器的便攜性，更加利于生產(chǎn)、運(yùn)輸及市場(chǎng)推廣。 煙霧報(bào)警器可分為民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器、工業(yè)用煙霧報(bào)警器、有毒有害煙霧報(bào)警器三大系列產(chǎn)品。1.民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器 民用火災(zāi)煙霧報(bào)警器為居民家庭用的火災(zāi)報(bào)警器,一般安裝在廚房，遇到火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧時(shí)，報(bào)警器可發(fā)出聲光報(bào)警，或同時(shí)伴有數(shù)字顯示，同時(shí)聯(lián)動(dòng)外部設(shè)備。有的報(bào)警器可自動(dòng)開啟排風(fēng)扇，把煙霧排出室

7、外。 2.工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器 工業(yè)用煙霧報(bào)警器及有毒有害煙霧報(bào)警器只是檢測(cè)探頭有差異，而在原理和應(yīng)用中都很相近。工業(yè)用燃?xì)鈭?bào)警器及有毒煙霧報(bào)警器根據(jù)檢測(cè)環(huán)境的不同，也可分為檢漏儀、控制器和探測(cè)器。 第 28 頁(yè) 共 28 頁(yè)第2章方案論證2.1 設(shè)計(jì)方案的介紹煙霧報(bào)警電路是能夠檢測(cè)環(huán)境中的煙霧濃度，若達(dá)到一定的值時(shí)具有報(bào)警功能的電路。根據(jù)煙霧報(bào)警電路的設(shè)計(jì)要求，在本次的設(shè)計(jì)中有兩種設(shè)計(jì)方案可選擇:一種是由555時(shí)基集成電路為核心器件構(gòu)成的煙霧報(bào)警電路，另一種是由lm324集成電路為核心器件構(gòu)成的煙霧報(bào)警電路。以下是對(duì)兩種不同設(shè)計(jì)方案的介紹。2.1.1 方案一以555時(shí)基電路為

8、核心的報(bào)警電路此方案電路的最基本部分是由直流穩(wěn)壓電源、氣敏煙霧傳感元件和觸發(fā)電路、聲光報(bào)警電路等組成。其中，電壓降壓、整流與穩(wěn)壓電路是由變壓器、橋氏整流電路、三端集成穩(wěn)壓器cw7805等器件組成。觸發(fā)電路和報(bào)警電路由可控多諧振蕩器(555集成電路)和蜂鳴器等組成。電路選用mq-2型煙霧傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)煙霧的檢測(cè)，且其也適用于煤氣、天然氣、汽油、醇、醚類及各種煙霧的報(bào)警，其具有靈敏度高、響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)。由于氣敏元件工作時(shí)要求其加熱電壓相當(dāng)穩(wěn)定，所以利用cw7805三端集成穩(wěn)壓器對(duì)氣敏元件加熱燈絲進(jìn)行穩(wěn)壓，且要求開機(jī)預(yù)熱3分鐘，使報(bào)警器能穩(wěn)定地工作在額定的電壓范圍內(nèi)

9、，使電路省電且可靠性更高。其組成框圖如圖2-1所示：220v煙霧傳感器555集成電路聲光報(bào)警直流穩(wěn)壓電源圖2-1 電路組成框圖本方案是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)的煙霧報(bào)警電路，且具有一定的實(shí)用價(jià)值。2.1.2 方案二以lm324集成電路為核心構(gòu)成的報(bào)警電路。此方案的電路組成框圖如圖2-2所示，整個(gè)電路分為電源、檢測(cè)、定時(shí)報(bào)警輸出三部分。電路的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。其核心的元件是煙霧傳感器和lm324集成電路。電源部分是由變壓器、電橋、cw7805集成電路、cw7810集成電路幾部分構(gòu)成的。電路檢測(cè)部分是由煙霧傳感器和一個(gè)電位器組成，報(bào)警電路是由lm324集成塊、三極管及揚(yáng)聲器組成

10、。在此方案中煙感元件采用hq-2氣敏管，在電路加點(diǎn)的瞬間，氣敏管可能會(huì)導(dǎo)通一下，但如果長(zhǎng)期擱置時(shí)再使用時(shí)，沒有遇到煙霧時(shí)元件的電阻也可能會(huì)變小，所以需要預(yù)熱10分鐘的初始穩(wěn)定時(shí)間后才能正常工作。因此，此電路的穩(wěn)定性不是很高，靈敏度不是很高，容易出現(xiàn)誤報(bào)警動(dòng)作。使用的范圍有一定的局限性。檢測(cè)電路定時(shí)報(bào)警lm324集成電路電源圖2-2 電路組成框圖2.2 設(shè)計(jì)方案的選定根據(jù)對(duì)前面介紹的兩種方案的分析得出，方案一中的555時(shí)基電路比方案二中的lm324集成電路性能穩(wěn)定，電路結(jié)構(gòu)較嚴(yán)密，且更加符合實(shí)際中的使用需要。在方案二中在電源部分沒有電源的指示燈，在使用中可能會(huì)對(duì)使用者帶來不便，而在電路的報(bào)警部分

11、，由于元件和電路本身的問題，可能會(huì)在電路的運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)警的錯(cuò)誤，且在電路的報(bào)警電路中，電路的設(shè)計(jì)中只有指示燈為報(bào)警信號(hào)。用戶在使用時(shí)可能不會(huì)很容易就發(fā)覺出現(xiàn)煙霧的情況，引發(fā)火災(zāi)，從而帶來人身和財(cái)產(chǎn)上的損失。相反，在方案一中，設(shè)計(jì)里面的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)考慮的較為嚴(yán)密，在電源部分使用cw7805三端穩(wěn)壓集成電路，產(chǎn)生穩(wěn)定的5v電壓，并且在集成塊的兩端加上一個(gè)反向的二極管，以保護(hù)三端穩(wěn)壓集成塊，防止過高的電壓擊穿集成塊。在煙霧檢測(cè)電路部分，采用靈敏度較好的mq-2型煙霧傳感器，以確保整機(jī)在工作時(shí)不會(huì)出現(xiàn)因電路本身而產(chǎn)生的故障。在電路的報(bào)警部分，采用較為穩(wěn)定的555時(shí)基電路作為電路的核心器件，在有報(bào)

12、警指示燈的基礎(chǔ)之上還加入了蜂鳴器，以提醒用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)煙霧所引起的事故，以保障安全，使整機(jī)的作用得到最大的發(fā)揮，滿足用戶的使用需求。且方案本身是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)的煙霧報(bào)警電路，且具有一定的實(shí)用價(jià)值。根據(jù)對(duì)兩種方案煙霧報(bào)警電路應(yīng)具備的功能要求的比較得出，方案一比方案二的電路設(shè)計(jì)好。所以在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用第一種方案進(jìn)行電路的設(shè)計(jì)，使整機(jī)電路更符合設(shè)計(jì)的要求。第3章單元電路設(shè)計(jì)3.1 電源電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中采用直流穩(wěn)壓電源為整機(jī)供電，直流穩(wěn)壓電源是一種將220v交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)部分共同完成。電路方框圖如圖3-

13、1所示。根據(jù)電路的需要，在電源部分，采用三端穩(wěn)壓集成電路cw7805產(chǎn)生穩(wěn)定的+5v電壓，為整機(jī)供電。在三端穩(wěn)壓器兩端加入一個(gè)二極管，防止過高的電壓擊穿穩(wěn)壓器。電源電路原理圖如圖3-2所示。圖3-1 直流穩(wěn)壓電源的方框圖圖3-2 電源電路原理圖3.1.1 變壓器電源變壓器：本設(shè)計(jì)中運(yùn)用的是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220v交流電壓變換成符合電路需要的+12v交流電壓，并送給整流電路進(jìn)行整流。它有兩個(gè)共用一個(gè)鐵芯的線圈，即初級(jí)線圈和次級(jí)線圈。變壓器的變壓比由變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈電壓確定，當(dāng)初級(jí)線圈通上交流電時(shí)，變壓器鐵芯產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，次級(jí)線圈就產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。變壓器的線圈的匝數(shù)比等于電壓比。電壓變壓

14、器結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示：圖3-3 電壓變壓器結(jié)構(gòu)圖3.1.2 橋式整流電路整流電路：利用二極管的單向?qū)щ娫?0hz、220v的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電。在設(shè)計(jì)中整流電路采用二極管單相全波整流電路，電路如圖3-4所示。在u2的正半周內(nèi)，二極管d1、d3正偏導(dǎo)通，d2、d4反偏截止；在u2的負(fù)半周內(nèi)，d2、d4正偏導(dǎo)通，d1、d3反偏截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過負(fù)載電阻rl，且方向是一致的。每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半。圖3-4 單相橋式整流電路3.1.3 濾波電路濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而

15、得到比較平滑的直流電壓。濾波電路利用電抗性元件對(duì)交、直流阻抗的不同，實(shí)現(xiàn)濾波。電容器c對(duì)直流開路，對(duì)交流阻抗小，所以電容c應(yīng)該并聯(lián)在負(fù)載兩端。經(jīng)過濾波電路后，既可保留直流分量、又可濾掉一部分交流分量，改變了交直流成分的比例，減小了電路的脈動(dòng)系數(shù)，從而改善了直流電壓的質(zhì)量。本設(shè)計(jì)中采用單相橋式整流電容濾波電路。電容濾波電路如圖3-5所示，在負(fù)載電阻上并聯(lián)了一個(gè)濾波電容c。電容濾波波形如圖3-6所示。輸出電壓為：u01.2u2 圖3-5 單相橋式電容濾波電路 圖3-6 單相橋式電容濾波波形圖3.1.4 三端集成穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變

16、化，從而使整機(jī)的供電正常。在本設(shè)計(jì)中采用cw7805三端穩(wěn)壓集成電路。只有三個(gè)端子，即輸入端、輸出端和公共端，稱為三端集成穩(wěn)壓器。它的電路符號(hào)如圖3-7所示，封裝形式如圖3-8所示。 圖3-7 電路符號(hào) 圖3-8 封裝圖三端固定輸出集成穩(wěn)壓器7805的兩種穩(wěn)壓方式如圖3-9所示。在本設(shè)計(jì)的應(yīng)用中采用正穩(wěn)壓的連接方式。圖3-9 三端固定輸出集成穩(wěn)壓電路3.2 煙霧檢測(cè)電路設(shè)計(jì)煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣電變換器，它將煙霧及氣體在空氣中的含量(即濃度)轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過煙霧傳感器將模擬信號(hào)送到555集成電路中，進(jìn)而由555集成電路完成數(shù)據(jù)處理及報(bào)警控制等工作。煙霧傳感器作為煙霧檢測(cè)報(bào)警

17、電路的信號(hào)采集部分，是電路中的核心組成部分之一。由此可見，傳感器的作用在檢測(cè)電路和整個(gè)電路中都是至關(guān)重要的。3.2.1 氣體傳感器的介紹1.氣體傳感器的分類 氣體傳感器種類繁多，從檢測(cè)原理上可以分為三大類：(1)利用理化性質(zhì)的氣體傳感器：如半導(dǎo)體氣體傳感器、接觸燃燒氣體傳感器等。 (2)利用物理性質(zhì)的氣體傳感器：如熱導(dǎo)體氣體傳感器、光干涉氣體傳感器、紅外傳感器等。 (3)利用電化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器：如電流型氣體傳感器、電勢(shì)型氣體傳感器等。2.氣體傳感器應(yīng)滿足的基本條件一個(gè)氣體傳感器可以是單功能的，也可以是多功能的；可以是單一的實(shí)體，也可以是由多個(gè)不同功能傳感器組成的陣列。但是任何一個(gè)完整的氣體

18、傳感器都必須具備以下條件： (1)能選擇性地檢測(cè)某種單一氣體，而對(duì)共存的其它氣體不響應(yīng)或低響應(yīng)。 (2)對(duì)被測(cè)氣體具有較高的靈敏度，能有效地檢測(cè)允許范圍內(nèi)的氣體濃度。(3)對(duì)檢測(cè)信號(hào)響應(yīng)速度快，重復(fù)性好。(4)長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性好。 (5)使用壽命長(zhǎng)。 (6)制造成本低，使用與維護(hù)方便。3.2.2 煙霧傳感器的選定 煙霧報(bào)警器主要應(yīng)用在石油、化工、冶金、油庫(kù)、液化氣站、噴漆作業(yè)等易發(fā)生可燃煙霧泄漏的場(chǎng)所，根據(jù)報(bào)警器檢測(cè)煙霧種類的要求，一般選用接觸燃燒式煙霧傳感器和半導(dǎo)體煙霧傳感器。采用接觸燃燒式傳感器，其探頭的阻緩及中毒，是不可避免的問題。阻緩是當(dāng)在煙霧與空氣的混合物中含有硫化氫等含硫物質(zhì)的情況下

19、，則有可能在無焰燃燒的同時(shí)，有些固態(tài)物質(zhì)附著在催化元件表面，阻塞載體的微孔，從而引起響應(yīng)緩慢反應(yīng)滯緩，靈敏度降低。雖然將阻緩的傳感器再放回新鮮空氣環(huán)境中有得到某種程度的恢復(fù)的可能，但是如果長(zhǎng)期暴露在這樣的環(huán)境中，其靈敏度會(huì)不斷下降，導(dǎo)致傳感器最終喪失檢測(cè)煙霧的能力。因此按期對(duì)探頭進(jìn)行標(biāo)定，是必須且有效的辦法。一般連續(xù)使用兩個(gè)月后應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行量程校準(zhǔn)，這種經(jīng)常性對(duì)傳感器的維護(hù)，無形中加大了工作人員的工作量，同時(shí)增加了報(bào)警器的維護(hù)成本。半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器，以及用單晶半導(dǎo)體器件制作的煙霧傳感器，它具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)

20、格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要看其靈敏度、選擇性(抗干擾性)和穩(wěn)定性(使用壽命)。 經(jīng)過對(duì)比上述兩種煙霧傳感器的應(yīng)用特性，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體煙霧傳感器的優(yōu)點(diǎn)更加突出，且不會(huì)發(fā)生探頭阻緩及中毒現(xiàn)象，維護(hù)成本較低等。因此，本設(shè)計(jì)采用半導(dǎo)體煙霧傳感器作為報(bào)警器煙霧信息采集部分的核心。而在眾多半導(dǎo)體煙霧傳感器中，根據(jù)各方面的要求，本設(shè)計(jì)選用mq-2型煙霧傳感器。3.2.3 半導(dǎo)體煙霧傳感器簡(jiǎn)介1.半導(dǎo)體煙霧傳感器的結(jié)構(gòu)、外形、分類本設(shè)計(jì)中采用的mq-2型煙霧傳感器屬于二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料，屬于表面離子式n型半導(dǎo)體。當(dāng)其處于200300時(shí)，二氧化錫吸附空氣中的氧，形成氧的負(fù)離子吸附

21、，使半導(dǎo)體中的電子密度減少，從而使其電阻值增加。當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘大小受到該煙霧的濃度的變化而發(fā)生變化，相應(yīng)的就會(huì)引起電導(dǎo)率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息。遇到可燃煙霧（如ch4等）時(shí)，原來吸附的氧脫附，而可燃煙霧以正離子狀態(tài)吸附在二氧化錫半導(dǎo)體表面；氧脫附放出電子，煙霧以正離子狀態(tài)吸附也要放出電子，從而使二氧化錫半導(dǎo)體導(dǎo)帶電子密度增加，電阻值下降。而當(dāng)空氣中沒有煙霧時(shí)，二氧化錫半導(dǎo)體又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)氧的負(fù)離子吸附，使電阻值升高到初始狀態(tài)。這就是mq-2型燃性煙霧傳感器檢測(cè)可燃煙霧的基本原理。mq-2型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。圖3-10 mq-2型傳感器的結(jié)

22、構(gòu)圖半導(dǎo)體煙霧傳感器包括用氧化物半導(dǎo)體陶瓷材料作為敏感體制作的煙霧傳感器以及用單晶半導(dǎo)體制作的煙霧傳感器。煙霧傳感器外形如圖3-11所示。按敏感機(jī)理分類，可分為電阻型和非電阻型。半導(dǎo)體氣敏元件也有n型和p型之分。n型在檢測(cè)時(shí)阻值隨煙霧濃度的增大而減?。籶型阻值隨煙霧濃度的增大而增大。它具有靈敏度高、響應(yīng)快、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體煙霧傳感器的性能主要是其靈敏度、選擇性和穩(wěn)定性。半導(dǎo)體煙霧傳感器的分類如表3-1所示。圖3-11 煙霧傳感器外形圖表3-1 半導(dǎo)體煙霧傳感器的分類主要物理特性傳感器舉例工作溫度代表性被測(cè)氣體電阻式表面控制性氧化錫、氧化鋅室溫

23、450可燃性氣體體控制型氧化鈦、氧化鈷 氧化鎂、氧化錫300450700以上酒精、可燃?xì)怏w、氧氣非電阻式表面電位氧化銀室溫硫醇二極管整流特性鉑/硫化鎘、鉑/氧化鈦室溫200酒精、一氧化碳、氫氣晶體管特性鉑柵mos場(chǎng)效應(yīng)管150氫氣、硫化氫2.mq-2型傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo) (1) mq-2型傳感器的一般特點(diǎn)： mq-2型傳感器對(duì)天然氣、液化石油氣等煙霧有很高的靈敏度，尤其對(duì)烷類煙霧更為敏感。 mq-2型傳感器具有良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。初始穩(wěn)定、響應(yīng)時(shí)間短、長(zhǎng)時(shí)間工作性能好。 mq-2型傳感器具有良好的抗干擾性，可準(zhǔn)確排除有刺激性非可燃性煙霧的干擾信息，例如酒精、粉塵等。 電路設(shè)計(jì)電

24、壓范圍寬，18v以下均可；加熱電壓50.2v。 (2) mq-2型傳感器的特性參數(shù)： 回路電壓：(vc)518v 取樣電阻：(rl)0.120k加熱電壓：(vh)50.2v加熱功率：(p)約750mw 靈敏度：以甲烷為例r0(air)/rs(0.1%ch4)5 響應(yīng)時(shí)間：tres10秒 恢復(fù)時(shí)間：trec30秒 3.2.4 煙霧檢測(cè)電路煙霧檢測(cè)電路是整機(jī)電路中最重要的組成部分之一，它的的核心元件是mq-2型煙霧傳感器。煙霧傳感器的工作電壓由直流穩(wěn)壓電源輸出的+5v電壓供給。在使用時(shí)，將電位器r3的靈敏度調(diào)節(jié)到最高，當(dāng)電路處于無煙霧的情況下，煙感元件mq-2的極片a-b間的阻值較大，該電阻與r3

25、的分壓減小，相應(yīng)使555腳處于低電平，555停振，led指示燈和蜂鳴器不工作。當(dāng)煙感元件檢測(cè)到一定濃度的可燃性氣體或煙霧時(shí)，其煙感元件極片a-b間的電阻降低，從而使該電阻與r3的分壓上升，相應(yīng)555腳電位上升，當(dāng)腳的電位上升到2.8v以上時(shí)，即電壓超過臨界值。煙霧傳感器將檢測(cè)到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后傳輸?shù)?55時(shí)基集成電路中，經(jīng)過由555時(shí)基電路組成的多諧振蕩器處理后，由報(bào)警電路中蜂鳴器和led燈發(fā)出報(bào)警。煙霧檢測(cè)電路如圖3-12所示：圖3-12 煙霧檢測(cè)電路3.3 555時(shí)基集成電路3.3.1 555時(shí)基電路簡(jiǎn)介555集成時(shí)基電路稱為集成定時(shí)器，是一種數(shù)字模擬混合型的中規(guī)模集成電路，其

26、應(yīng)用十分廣泛。該電路使用靈活、方便，只需要外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器，因而廣泛應(yīng)用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。它的內(nèi)部電路標(biāo)準(zhǔn)的使用了三個(gè)5k的電阻，故取名555電路。其電路類型有雙極型和cmos型兩大類，兩者的工作原理和結(jié)構(gòu)相似。幾乎所有的雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的三位數(shù)碼都是555或556；所有的cmos產(chǎn)品型號(hào)最后四位數(shù)碼都是7555或7556，兩者的邏輯功能和引腳排列完全相同，易于互換。555和7555是單定時(shí)器，556和7556是雙定時(shí)器。雙極型的電源電壓是+5v+15v，輸出的最大電流可達(dá)200ma，cmos型的電源電壓是+3v+18v。555集成電路

27、內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-13所示：圖3-13 555集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)555集成電路是雙列直插型8引腳封裝，引腳排列方式如圖3-14所示。在本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為ne555的集成電路芯片，各引腳功能為：1腳是地端(gnd)；2腳稱觸發(fā)端()，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(out)，它有0和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；4腳是復(fù)位端()，加上低電平時(shí)可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(co),可用它改變上下觸發(fā)電平值；6腳稱閾值端(th)，是上比較器的輸入；7腳是放電端(d)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；8腳是電源端(vcc)。圖3-14 555集成電路外引腳排

28、列圖3.3.2 555時(shí)基電路的工作原理555電路的內(nèi)部電路含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本rs觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)vt，比較器的參考電壓由三只5k的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平比較器c1同相比較端和低電平比較器c2的反相輸入端的參考電平為和。c1和c2的輸出端控制rs觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。為復(fù)位端，當(dāng)=0時(shí)，定時(shí)器輸出out為0。當(dāng)=1時(shí)，定時(shí)器有以下幾種功能：(1)當(dāng)高觸發(fā)端，且低觸發(fā)端時(shí)，比較器c1輸出為低電平；c1輸出的低電平將rs觸發(fā)器置為0狀態(tài)，即q=0 ，使得定時(shí)器輸出out為0，同時(shí)放電管vt導(dǎo)通。(2)當(dāng)高觸發(fā)端，且低觸發(fā)端時(shí)，比較器c2輸出為低電平，c2輸出的低電平將

29、rs觸發(fā)器置為1狀態(tài)，即q=1，使得定時(shí)器的輸出out為1，同時(shí)放電管vt截止。(3)當(dāng)高觸發(fā)端，且低觸發(fā)端時(shí)，定時(shí)器的輸出out和放電管vt的狀態(tài)保持不變。根據(jù)以上分析，同時(shí)得出555定時(shí)器的功能表見表3-2所示。表3-2 555定時(shí)器的功能表輸入輸出thoutvt00導(dǎo)通10導(dǎo)通1不變不變11截止3.3.3 555時(shí)基電路的工作模式在本機(jī)中采用555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器工作模式對(duì)由煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)進(jìn)行處理，如圖3-15所示，由555定時(shí)器和外接元件r1、r2、c構(gòu)成多諧振蕩器，腳2與腳6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路亦不需要外接觸發(fā)信號(hào)，利用電源通過r1、r2向c

30、充電，以及c通過r2向放電端dc放電，使電路產(chǎn)生振蕩。電容c在和之間充電和放電，從而在輸出端得到一系列的矩形波，對(duì)應(yīng)的波形如圖3-16所示： 圖3-15 555構(gòu)成多諧振蕩器 圖3-16 多諧振蕩器的波形圖輸出信號(hào)的振蕩周期t是： t=tw1+tw2tw1=0.7（r1+r2）c tw2=0.7r2c根據(jù)電路的參數(shù)要求，計(jì)算出輸出信號(hào)的振蕩周期是t=8.33ms,頻率為f=1.2hz。其中，tw1為vc由上升到所需的時(shí)間，tw2為電容c放電所需的時(shí)間。555電路要求r1與r2均應(yīng)不小于1k，但兩者之和應(yīng)不大于3.3m。外部元件的穩(wěn)定性決定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性，555定時(shí)器配以少量的元件即可獲得

31、較高精度的振蕩頻率和較強(qiáng)的功率輸出能力。因此，這種形式的多諧振蕩器應(yīng)用很廣。3.4 聲光報(bào)警電路為使報(bào)警電路更加完善，在聲音報(bào)警的基礎(chǔ)上，加入led光閃報(bào)警，變化的光信號(hào)可以引起用戶注意，以彌補(bǔ)嘈雜環(huán)境中聲音報(bào)警的局限性。聲光報(bào)警電路圖如圖3-17所示。紅燈不亮、蜂鳴器沒有鳴叫表示電路處于無煙狀態(tài)，環(huán)境中煙霧濃度極低。紅燈閃亮和蜂鳴器發(fā)出鳴叫，表示環(huán)境中煙霧濃度超過報(bào)警限值，提醒用戶盡快采取相應(yīng)安全措施。若濃度仍超出報(bào)警限，報(bào)警器會(huì)一直鳴叫，led燈會(huì)一直閃爍以此來提醒用戶。用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，可斷開電源，報(bào)警器停止報(bào)警。報(bào)警電路采用蜂鳴器和led燈。蜂鳴器：聲音響亮，適用于煙霧報(bào)警聲音源。led

32、燈：功耗小，節(jié)約能量。圖3-17 聲光報(bào)警電路圖3.5 整機(jī)電路的工作原理設(shè)計(jì)中的煙霧報(bào)警電路主要由煙霧傳感器和555集成電路及分立元件組成，電路將檢測(cè)到的煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過555時(shí)基集成電路進(jìn)行電位分析，判斷電位是否大于或等于某個(gè)預(yù)設(shè)值(也就是臨界報(bào)警值)。為方便調(diào)節(jié)臨界報(bào)警值，在煙霧傳感器檢測(cè)電路部分安裝了電位器。以下是電路的工作方式與過程：當(dāng)電源開關(guān)閉合后，交流電經(jīng)過降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)過程后，產(chǎn)生12v和5v的直流電壓，給單元電路和整機(jī)供電。電路經(jīng)預(yù)熱3分鐘后，整機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)電路處于無煙霧的情況下，煙感元件mq-2的極片a-b間的阻值較大，該電阻與r3的分壓減小，相

33、應(yīng)使555腳處于低電平，555停振，led指示燈和蜂鳴器不工作。當(dāng)煙感元件接觸到可燃性氣體或煙霧時(shí)，其煙感元件mq-2極片a-b間的電阻值降低，從而使該電阻與r3的分壓上升，相應(yīng)555腳電位上升，當(dāng)腳的電位上升到2.8v以上時(shí)，555起振，其振蕩頻率f=1.44(r4+2r5)c5。相應(yīng)555的輸出端腳的輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，直到煙霧消失后電路才能恢復(fù)正常。煙霧報(bào)警整機(jī)電路如附錄1所示。第4章電路仿真與調(diào)試電子仿真軟件multisim10是由美國(guó)國(guó)家儀器公司(ni公司)公司推出，而在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中就運(yùn)用電子仿真軟件multisim10進(jìn)行虛擬仿真，軟件中有許多傳感器或新器件，只需要知

34、道它們的特性和在電路中的作用，可以采用相似的元件代替進(jìn)行仿真，這樣可以大大地拓寬電子仿真軟件multisim的應(yīng)用范圍。軟件在仿真時(shí)并不存在損壞和燒毀元件、儀器等問題，只要電路設(shè)計(jì)好后就可以進(jìn)行仿真測(cè)試，如仿真成功，則可以進(jìn)行硬件電路的設(shè)計(jì)和實(shí)物電路的輔助制作。在整個(gè)電路中，電源部分是必不可少的，因此電源電路在整個(gè)電路中起到最重要的作用。在電源電路仿真部分，由v1表測(cè)試交流電經(jīng)過電橋產(chǎn)生的12v左右的電壓，為整個(gè)電路供電。而v2表測(cè)試由三端穩(wěn)壓器產(chǎn)生的5v左右的電壓，為煙霧傳感器供電。仿真圖如圖4-1所示：圖4-1 電源仿真圖由于在此仿真軟件當(dāng)中沒有煙霧傳感器，所以選用單擲開關(guān)j1代替。在整個(gè)

35、電路中，主要是對(duì)電路進(jìn)行以下幾種工作情況的仿真。當(dāng)整機(jī)電路在無煙霧的情況下時(shí)，煙霧傳感器替代開關(guān)j1未閉合，即煙霧傳感器沒有檢測(cè)到煙霧，報(bào)警電路不工作。如仿真圖4-2所示，波形如圖4-3所示。圖4-2 無煙霧無報(bào)警狀態(tài)圖4-3 無報(bào)警時(shí)的輸出波形當(dāng)整機(jī)電路在檢測(cè)到煙霧時(shí)，調(diào)節(jié)電位器r3的阻值為最佳（即臨界值狀態(tài)），煙霧傳感器替代開關(guān)j1閉合，表示煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧，此時(shí)555集成電路的第4腳的電壓超過臨界值2.8v，555集成電路起振，聲光報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警信號(hào)，如仿真圖4-4所示：圖4-4 有煙霧時(shí)的工作狀態(tài)555時(shí)基電路輸出的波形如圖4-5所示：圖4-5 報(bào)警時(shí)輸出波形當(dāng)整機(jī)電路工作在報(bào)警

36、狀態(tài)時(shí)，模擬用戶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，關(guān)閉整機(jī)電路的電源，整個(gè)電路都停止工作。如仿真圖4-6所示：圖4-6 停止工作狀態(tài)在對(duì)模塊電路的仿真與調(diào)試工作過程中，電源部分的作用很重要，產(chǎn)生的電壓必須符合電路的需要，因此在對(duì)電路的仿真時(shí)，調(diào)試和計(jì)算元器件的參數(shù)是必須的。在整機(jī)的仿真和調(diào)試時(shí)，為了使蜂鳴器產(chǎn)生穩(wěn)定的鳴叫和led的正常發(fā)光，也就是使示波器產(chǎn)生的穩(wěn)定的波形，因此對(duì)元件參數(shù)的反復(fù)調(diào)節(jié)和計(jì)算也是必須的，以保證電路在實(shí)際的運(yùn)用中能穩(wěn)定、正常的工作。第5章印制板制作與整機(jī)裝配調(diào)試protel公司2001年正式推出了功能強(qiáng)大的eda綜合設(shè)計(jì)環(huán)境protel99se，它具有原理圖設(shè)計(jì)、印制電路板設(shè)計(jì)、電路仿真及邏

37、輯器件設(shè)計(jì)等功能。所以在本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中也采用軟件protel99se進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和印制電路板的設(shè)計(jì)。5.1 印制電路板設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，運(yùn)用protel99se軟件進(jìn)行原理圖繪制及印制電路板的設(shè)計(jì)，其中在用軟件進(jìn)行pcb板設(shè)計(jì)的主要過程為以下步驟：繪制電路原理圖pcb電氣規(guī)格檢查及標(biāo)注調(diào)整生成網(wǎng)絡(luò)表建立pcb文件、定義電路板加載pcb元件庫(kù)加載網(wǎng)絡(luò)表元件布局設(shè)計(jì)規(guī)則設(shè)置自動(dòng)布線人工布線調(diào)整打印pcb樣圖。經(jīng)過以上的步驟，最后軟件輸出pcb板的三維效果圖，如圖5-1所示：圖5-1 pcb板三維效果圖5.2 印刷板制作工藝流程 工藝程序：確定整板周邊尺寸貼熱轉(zhuǎn)印紙熱轉(zhuǎn)印去除熱轉(zhuǎn)印紙腐蝕清洗細(xì)砂紙擦

38、光亮涂松香水鉆孔定位檢查電路線。 1.將符合尺寸要求的覆銅板表面用細(xì)砂紙擦光亮,再用熱轉(zhuǎn)印紙粘貼到覆銅板上。2.貼熱轉(zhuǎn)印紙，貼完熱轉(zhuǎn)印紙后，應(yīng)在板上墊放一張厚張，用手掌在上面壓一壓，其目的是使全部熱轉(zhuǎn)印紙與復(fù)銅板粘貼得更加牢靠，便于熱轉(zhuǎn)印。3.將已經(jīng)貼好熱轉(zhuǎn)印紙的覆銅板用熱轉(zhuǎn)印機(jī)進(jìn)行電路板的熱轉(zhuǎn)印，使熱轉(zhuǎn)印機(jī)的工作溫度控制在150度左右，讓熱轉(zhuǎn)印紙上的電路圖充分的附著在覆銅板上。4.將轉(zhuǎn)印好的覆銅板經(jīng)冷卻以后，去除熱轉(zhuǎn)印紙（注意不要損壞轉(zhuǎn)印好的電路）。5.腐蝕過程一般采用三氯化鐵作腐蝕液，腐蝕速度與腐蝕液的濃度、溫度及腐蝕過程中不斷的抖動(dòng)有關(guān)，為保證制板質(zhì)量及提高腐蝕速度，可采用抖動(dòng)和加熱的方

39、法。6.將已經(jīng)腐蝕好的印制板用清水沖洗，去掉殘留在印制板上的三氯化鐵腐蝕液，再晾干。用細(xì)砂布將印刷板復(fù)銅面擦至光亮為止，然后立即涂上松香溶液，晾干。（涂松香水時(shí)應(yīng)將印刷電路板傾斜再涂上松香水）。7.將晾干的印制板用直徑1.0mm鉆頭的鉆孔機(jī)鉆孔、定位，完成后檢查電路線。5.3 整機(jī)裝配與調(diào)試經(jīng)過前面的一系列的工作過程后，最后部分是整機(jī)的裝配和調(diào)試，按照整機(jī)電路的設(shè)計(jì)圖，搭接實(shí)物電路，且按照pcb板的效果圖中的電路進(jìn)行元件的安裝、焊接、調(diào)試。最后組裝完成出如圖5-2所示的整機(jī)實(shí)物電路。圖5-2 實(shí)物其具體的裝配過程如下：1.做好裝配前的準(zhǔn)備工作，包括工具、儀器、材料等。2.清理和檢測(cè)元件的好壞。

40、3.元件的焊接，按照先小后大，先輕后重，先里后外的規(guī)則。并確定是臥裝還是立裝，按照工藝要求，個(gè)別元件要進(jìn)行引腳的整形，再進(jìn)行焊接。4.剪引腳，元件焊接完成后，剪掉元件較長(zhǎng)的引腳。5.清洗與檢查，用工業(yè)酒精對(duì)殘留有助焊劑的焊盤進(jìn)行清洗，按照原理圖，對(duì)照焊接的電路，觀察有無錯(cuò)焊的元件，也可以借助儀表進(jìn)行檢測(cè)。裝配完成以后，進(jìn)行整機(jī)電路的調(diào)試，其過程是：按照電路先靜態(tài)，后動(dòng)態(tài)，先局部，后整體的調(diào)試的基本原則進(jìn)行。同時(shí)借助儀表進(jìn)行測(cè)試點(diǎn)的的檢測(cè)，如果測(cè)得的數(shù)據(jù)與電路的技術(shù)指標(biāo)相符，確定無誤后，再進(jìn)行通電測(cè)試。若不能正常工作，則必須對(duì)電路進(jìn)一步檢測(cè)，觀察有無元器件錯(cuò)焊、漏焊等，有錯(cuò)誤立即糾正。調(diào)試直到整機(jī)能夠正常工作為止。結(jié)論在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是“煙霧報(bào)警電路設(shè)計(jì)”，主要以模數(shù)電知識(shí)和傳感器知識(shí)為核心，結(jié)合相關(guān)的學(xué)習(xí)軟件輔助設(shè)計(jì)，最終完成了整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)。在做整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中