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文檔簡介
1、北京交通大學電子課程設(shè)計報告煙霧報警器一,問題背景 當發(fā)生火災(zāi)或可燃氣體泄漏時,為了減少危害,我們需要煙霧氣體報警器這一裝置。一旦檢測到遇到煙霧或可燃氣體,煙霧報警器可立即發(fā)出聲光來警示人們,同時還可以通過接口自動實現(xiàn)滅火,斷氣操作,保障生命和財產(chǎn)安全。煙霧報警器具有廣泛的應(yīng)用價值和意義.我們這次課程設(shè)計就是嘗試掌握其原理,設(shè)計一個初級的煙霧報警器。二,設(shè)計目的 1,了解傳感器的基本知識,掌握傳感器的使用方法;2,進一步加深對模擬電路基礎(chǔ)理論和數(shù)字電路基礎(chǔ)理論的理解;3,掌握比較器和振蕩器的設(shè)計方法;4,提高認識一些器件手冊并運用這些器件的能力.三,設(shè)計要求1,基本部分: 1)電源電壓不限,可
2、以使用交流或直流電源; 2)有氣體和煙霧時進行報警,無氣體和煙霧后仍然維持報警,直至重新上電后才撤消報警; 3)氣體和煙霧報警以不同的聲光加以區(qū)分; 4)氣體和煙霧報警分別設(shè)置斷氣、滅火驅(qū)動接口; 5)顯示報警時間。2,發(fā)揮部分: 1)可以通過無線方式向遠端發(fā)送報警信息,無線傳輸所使用的信號調(diào)制、解調(diào)方式不限,可以使用成品模塊; 2)多個報警器報警時互相不影響,在接收端各自有獨立的聲光指示;3,設(shè)計任務(wù): 1)設(shè)計,安裝、調(diào)試所設(shè)計的電路; 2)畫出完整電路圖,詳細說明電路原理,寫出設(shè)計總結(jié)報告。四,設(shè)計原理1,原理框圖氣敏傳感器報警聲光顯示報警時間顯示報警處理邏輯2,原理描述 當發(fā)生火災(zāi)或可
3、燃氣體泄漏,傳感器遇到煙霧或可燃氣體時,將產(chǎn)生電信號。信號通過邏輯處理模塊使能聲光顯示及計時模塊,實現(xiàn)煙霧報警功能.五,設(shè)計方案 1, 設(shè)計總圖 當傳感器遇到可燃氣體或煙霧時,比較器的輸出由低變高,通過無線發(fā)射模塊發(fā)射信號,無線接收模塊接收到信號,使能聲光報警及計時,由于觸發(fā)器的保持功能,所以聲光報警及計時延續(xù)到重新上電。 考慮到時間和成本,我們只制作了可燃氣體的報警,煙霧報警原理完全一樣,只需加上煙霧的信號產(chǎn)生電路及不同的聲光報警(加以區(qū)別),無線發(fā)射和接收模塊上已經(jīng)有相關(guān)的接口和通道。2,各子模塊的實現(xiàn)方案1) 信號的產(chǎn)生部分主要器件:QM-NG1氣敏傳感器, LM324,電阻若干。 傳感
4、器比較電路由于市場上氣體傳感器的選擇不多,我們只購買到QM-NG1型廣譜型氣體傳感器。QMNG1型廣譜型氣體傳感器.它是采用目前國際上工藝最成熟,生產(chǎn)規(guī)模最大的SnO2材料作為敏感基體制作的廣譜型氣體傳感器。它的最大特點是對各種可燃性氣體(如氫氣、液化石油氣、一氧化碳、烷烴類等氣體)以及酒精、乙醚、汽油、煙霧等有毒氣體具有較高的敏感性。QM-NG1的標準工作條件如下:加熱電壓(VH)5±0.2V(AC.DC)回路電壓(VC)10V(最大DC24V)負載電阻(RL)2K(可自定)清潔空氣中電壓(VO)1.5V靈敏度3響應(yīng)時間(tres)10S恢復(fù)時間(trec)30S元件功耗0.7W使
5、用壽命5年 QMNG1的外觀及內(nèi)部構(gòu)造如下:其有三對對稱管腳,一對為電感,兩端接標準電壓,另兩對相同,為電容,一端接電源正,另一端接負載電阻(根據(jù)參數(shù)表可設(shè)計為2k)。當遇到可燃氣體時,傳感器反應(yīng)為電阻由很大變?yōu)楹苌?從而產(chǎn)生電位變化(負載端電位瞬間變大)。 通過以比較器將變大的電位轉(zhuǎn)換為低電平向高電平轉(zhuǎn)變,這樣就達到了信號產(chǎn)生的目的。簡單的運放就能設(shè)計一個比較器, LM324物美價廉,自然便是理想的選擇。如是,得到如下電路圖: 接通電源,預(yù)熱約2分鐘,當氣敏傳感器遇到可燃氣體后,LM324的3端電壓迅速增大,從而比2端電位高,輸出端由低變高。2) 無線發(fā)收部分主要器件:PT2262編碼及F0
6、5P發(fā)射集成模塊,PT2272解碼及J04V接收集成模塊. 集成模塊構(gòu)成及功能。 為了使電路簡單并可靠,我們選用了F/J模塊,此模塊的調(diào)制方式為ASK,功率低,穩(wěn)定性不錯,無線發(fā)射部分采用PT2262編碼,F(xiàn)05P發(fā)射,采用應(yīng)用廣泛成熟的電路。數(shù)據(jù)可由1013腳任意一腳輸入,18腳為地址編碼.接收部分我們采用對應(yīng)的PT2272、J04V,只要兩端有同樣的地址碼,2272對應(yīng)腳就會輸出高電平. 其基本電路圖如下: 通過無線發(fā)射、接收部分我們可以實現(xiàn)多路信號的編碼、調(diào)制、解調(diào),應(yīng)用時從2262兩路(例如10、11腳)分別接氣體、煙霧傳感電路,在2272對應(yīng)管腳接相應(yīng)的不同響應(yīng)電路(聲光顯示的不同加
7、以區(qū)別),可以實現(xiàn)氣體、煙霧分別報警,互相區(qū)分,互不干擾。也可以接入多個報警器,各報警器在感應(yīng)報警時互不影響,能分別實現(xiàn)自己的功能。 3) 信號保持部分主要器件: CD4013雙D觸發(fā)器,單刀雙擲開關(guān). CD4013實現(xiàn)信號保持CD4013為集成D觸發(fā)器,其芯片管腳圖及功能表如下:由功能表可知,當R,S端為L,L,CP為上升沿時,次態(tài)與D相同,同時從表中可以看出R為清零端,高電平有效.所以,當Q端接D端時可以實現(xiàn)信號保持電路,并可以清零復(fù)位。如下圖:當CP為上升沿時,觸發(fā)器輸出高電平并能保持下去,直到4腳(CD1)接高電平復(fù)位。 74LS74 實現(xiàn)信號保持74LS74與的功能與CD4013相同
8、,只是不同系列的芯片而已,其封裝和功能表如下:輸 入輸 出CPD01××1010××0100××不定不定1111011001同樣的得到如下信號保持電路: 相比之下,CMOS系列的芯片高低電平更明顯,且價格低,功率低,所以我們選擇了CD4013作為信號保持電路。4) 聲光顯示部分主要器件:NE555,發(fā)光二極管,1uF電解電容,10nF陶瓷電容,蜂鳴器,電阻若干.555諧振電路 555定時器構(gòu)成振蕩器是最常用的諧振電路,振蕩器輸出的脈沖接通蜂鳴器與發(fā)光二極管就可以模擬出報警聲及燈光閃爍效果。下面是555的管腳及功能表:TH:閾值輸入端T
9、R:觸發(fā)輸入端CO:控制電壓輸入端OUT:輸出端DIS: 放電端RST: 復(fù)位輸入端 55 上圖為一基本的諧振電路,其振蕩周期為: T=0.7R1+2R2 C 充電時間為: t=0.7R1+R2 C 放電時間為: t=0.7R2C 為了聲光效果能更逼真,需要放電的時間比充電的時間長,需要調(diào)整R1,R2,C三個參數(shù)。經(jīng)過仿真得到如下電路圖: 上圖中555的4腳(RST)為控制端,當4段(RST)為高電平時,555的3腳為輸出端,接蜂鳴器和發(fā)光二極管顯示??紤]到555的輸出驅(qū)動,我們在實驗箱上對這部分進行了驗證,效果很不錯。5) 計時顯示部分主要器件:CD4060,74LS161計數(shù)器,74LS0
10、0與非門,74LS47譯碼器,單刀雙擲開關(guān),七段共陽數(shù)碼管.六十進制計數(shù)器 六十進制計數(shù)器設(shè)計的方法有很多選擇,例如,利用74LS161(163),74LS193,74LS90(290),CD4518. 無論使用何種芯片,其原理都是實現(xiàn)如下的狀態(tài)表,并將其譯碼顯示。N低位片狀態(tài)00000100012001030011401005010160110701118100091001 進位脈沖N高位片狀態(tài)0000010001200103001140100501011) 使用74LS161當U4的輸出端QDQCQBQA為1001時,通過與非門得到低電平,使能置數(shù)端實現(xiàn)同步預(yù)置0000.同時可以產(chǎn)生一個時
11、鐘脈沖使U5計數(shù)一次.當U5的輸出端QDQCQBQA為0101時,通過與非門得到低電平,使能置數(shù)端實現(xiàn)同步預(yù)置0000。這樣就完成了六-十進制計數(shù)器2) 使用74LS193同理,我們可以得到如下電路圖: 這一部分我們在電子鐘里面設(shè)計過,十分熟悉??紤]到清零及設(shè)計簡單(使用最少的與非門),我們選用了74LS161作為最終方案。計時顯示電路 當U4的7腳為高電平時,計數(shù)器開始計時,直到重新通電源清零。注:由于這部分在數(shù)字時鐘中已經(jīng)進行過深入學習,這里不作詳細分析.六,電路焊接與實驗調(diào)試1, 電路焊接電路整體分為兩部分:信號產(chǎn)生與發(fā)射和信號接收,聲光顯示及計時,我們分兩塊板子分別焊接。在焊接電路的時
12、候,為了方便調(diào)試,我們附加了一些開關(guān)和發(fā)光二極管。例如:在計數(shù)顯示,聲光顯示的使能端我們接了電源開關(guān),在無線發(fā)射和接收通道我們分別接了發(fā)光二極管,便于分塊調(diào)試和快速發(fā)現(xiàn)問題。2, 電路調(diào)試1) 計數(shù)模塊我們非常熟悉,所以我們最先調(diào)試這一部分.我們將這一部分直接用開關(guān)接電源使能,但是這一部分我們還是遇到了一個棘手的問題:進位脈沖不對,每次都是逢8進位,這個讓我們很不解,無論是從理論上還是MULTSIM仿真軟件的仿真結(jié)果來看,都沒有問題,電路上也沒有連接錯誤的地方。經(jīng)過分析,我們發(fā)現(xiàn)我們在設(shè)計的時候僅以MULTSIM的74LS161 為標準,其時鐘觸發(fā)方式不同,軟件是下降沿工作,實際的芯片是上升沿
13、工作,為此我們將進位脈沖進行非邏輯運算,最后調(diào)試成功.2) 聲光顯示部分,由于在實驗箱上試驗過,調(diào)試非常順利,而且效果也很好。對于傳感器信號產(chǎn)生模塊,我們是根據(jù)比較器的三端的電位來調(diào)整變阻器的阻值,并多次重復(fù)調(diào)整,使其靈敏度達到最理想的效果,并且測試其接到無線傳輸模塊的電位,使其也盡可能大. 3) 無線傳輸模塊是集成的,其效果在焊接前已經(jīng)調(diào)試過.各模塊的協(xié)同整體調(diào)試,讓我們很困惑,有時候效果出來了,有時出現(xiàn)報警中斷,我們一時找不到方向,最后我們將接受模塊端的測試燈去掉了,這樣就解決了問題.七,實驗體會 通過這次課程設(shè)計,我們重溫了模擬電路和數(shù)字電路的知識,同時學習了閱讀器件手冊,嘗試利用一些新的器件,體驗了知識的運用實踐.實驗中,我們遇到了不少問題,嘗試解決這些問題,大大鍛煉我們的實踐能力.對于電路的焊接工藝,雖然我們做得不夠好,但是我們在布局,焊接方面有很大的進步. 實際操作與理論是有一定區(qū)別的,實際操作需要基礎(chǔ)知識,更是加深了對知識的理解,這就是我們最大的收獲.八,元件清單
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