简易烟雾粉尘报警电路设计.docx
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简易烟雾粉尘报警电路设计.docx
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简易烟雾粉尘报警电路设计
电子课程设计
题目:
简易烟雾、粉尘报警电路设计
学校:
淮南师范学院
所在系:
计算机与信息工程系
专业:
自动化
设计人:
姚宝山(069060348)李刚(069060315)
指导老师:
杨国诗沈晓波
摘要
讨论了用2CU2B光电传感器、继电器、LM339电压比较器、NE555定时器构成的烟雾、粉尘报警电路。
由于本电路加有LM339电压比较器,从而使检测范围可以调节,另外NE555定时器可以组成三种不同的工作状态,即单稳态触发器,施密特触发器和多谐振荡器,灵活运用之,可以使本电路的报警时间以及声光闪烁报警时间间隔可以改变。
关键词:
2CU2B;继电器;LM339;NE555;声光报警
目录
前言······················································3
第一章设计要求··········································4
第二章方案论证与比较····································4
2.1整个电路设计方案选择····························5
2.2报警信号采集电路方案选择························6
第三章总体电路的功能框图和说明··························6
第四章各模块电路设计及相关说明··························7
4.1光信号采集与LM339电压比较器电压整形电路·········7
4.2555定时器延时电路·······························8
4.3555定时器方波产生电路···························16
4.4声光报警电路····································17
第五章总体电路原理图及相关说明·························18
第六章测试过程与结果分析·······························19
第七章结论·············································23
致谢·····················································24
参考文献·················································24
附录
1.完成整个电路设计所需的元器件
2.电路板实物及电路工作中的部分图片
前言
现代建筑的特点是楼层不断加高,这主要是从缓解城市用地紧张的角度出发的,同时还便于集中供电、供热、供气,便于集中控制和管理。
现在,不论是普通型(比如民用住宅)还是豪华型(比如高级宾馆)的高层建筑,都日益重视防火和安全技术的普及应用。
因为其楼层多、人员密集,如果发生火灾,疏散困难,扑救也困难,势必造成严重的人员伤亡和财产损失。
为了避免这些灾难时常发生,必须要设计一个报警系统,能够对前场进行实时的检测,当有火灾发生的时候,该报警系统能够及时的检测出并发出声光报警提示工作人员和群众第一时间离开现场。
本报警电路的具体功能就是当光电传感器接收到光信号、火灾信号、烟雾粉尘信号时,会发出声光报警,报警的延时时间可以在电路中通过改变某些器件的参数值来实现,另外声光间隔时间也是可调的,为了能够让人轻易的听到报警声音,必须要调节一个合适的时间间隔。
本电路由于其设计简单,可以运用在较小的场合下,例如小型的花园、娱乐场所、小型的施工地等等,一定要保证单火灾发生的时候人能够第一时间听到报警声音病及时的赶往救火。
此电路还有较多地方可以改进和更新,信号处理和控制芯片可以用单片机代替本电路中的555定时器,加一些自动灭火的装置,这样使其功能更完善、方便;另外可以加一个无线收发模块,报警系统在现场检测的信号可以通过无线模块传输到消防人员办公室,这样更具有实时性,更能保证安全。
第一章设计要求
1、设计一个感光电路(要求对光的敏感度是可以调节的);
2、再设计一个开关延时电路(要求延时时间可调);
3、设计一个声光报警电路(要求闪烁的时间可以调节)。
整个电路设计框图如图1.1。
图1.1
第二章方案论证与比较
1、整个电路设计方案选择:
方案一:
用单片机做主芯片来处理报警信号,并通过单片自身的定时器定时时间做出报警延时,声光报警时间间隔,这些参数都是可以通过程序来设置的,硬件电路非常简单;
方案二:
用555定时器做主芯片,555定时器可以组成三种不同的工作方式,当工作在单稳态时就起到定时器的作用,当工作在多谐振荡器时可以产生频率可变的方波和PWM波,使用也较简单,相对单片机控制硬件电路要复杂点,但无需软件设计了,且设计的成本也降低了。
通过以上的方案比较和本电路的设计要求,选择方案二。
2、报警信号采集电路方案选择:
方案一:
用光电二极管和555定时器组成的采集电路,如图2.1。
图2.1
上面的电路原理是:
光电二极管在不受光时,阻值很大,连接于电路中相当于此段电路处于断路,当接收到光信号时则其导通,且阻值变得非常小可以忽略不计,在此电路中555定时器是工作单稳态触发器,在光电二极管没有接收到光信号时,555定时器的引脚3输出低电平,当接收到光时,2脚的电压减小,小于1/3VCC时,则3脚输出高电平,而且高电平延时时间由图中的R2、R4、C1的值决定的,并且时间值T满足T=1.1(R4+R2)C1;
方案二:
用光电二极管,LM339,三极管,555定时器组成的报警信号采集电路,如图2.2。
图2.2
此电路相比方案一中的电路加了一个电压比较器电路,这样主要可以实现对采集范围的调节,通过改变图中可变电阻R11的值,从而改变LM339电压比较器负输入的阈值电压从而达到调节光电二极管的接收范围,右边的时间延时电路原理与方案一是一样的。
第三章总体电路的功能框图和说明
总的电路包括光电二极管光信号采集电路,LM339电压比较器电路,555定时器延时电路,555定时器方波产生电路和声光报警电路,其功能框图如图3.1。
图3.1
结合上面的框图,对本电路的基本思想进行阐述:
在光电二极管没有采集到光信号时,电路处于待机状态,当接收到光信号时,则此信号马上进入LM339电压比较器电路进行整形,出来的信号便是标注的数字量高低电平的形式,此信号再进入555定时器组成的单稳态触发器电路中使其输出一个高电平的延时电路,这个高电平的信号进入另一个555定时器构成的多谐振荡器从而使其生成方波信号,此方波信号可以驱动声光报警电路工作,最后就形成了一个完整的烟雾报警电路。
第四章各模块电路设计及相关说明
本课程设计的电路主要包括光信号采集与LM339电压比较器电压整形电路,555定时器定时电路,555定时器方波生成电路以及声光报警电路。
4.1光信号采集与LM339电压比较器电压整形电路
电路如图4.1
图4.1
上面的电路中的电压比较器LM339原理是,它有两个输入端和一个输出端,两个输入端分别为正负输入,工作时主要对两输入端的电压大小进行比较,如果正输入的电压大于负输入,则输出端就输出高电平,反之亦然。
观察图中的电路连接得知,初始状态将可变电阻R11调到中点的位置,即LM339负输入端的电压为1/2VCC,当光电二极管没接收到光信号时则LM339正输入端的电压为VCC,比较亮输入端的电压得出其输出端输出VCC(高电平);当接收到光信号时,LM339正输入端的电压为0V,则其输出0V(低电平),这就完成了对烟雾、粉尘采集电路的设计。
4.2555定时器定时电路
电路如图4.2
图4.2
图中的的芯片为数字电路中常见的555定时器,用途也非常广泛,下面介绍其基本原理:
555定时器是一种中规模集成电路,外形为双列直插8脚结构,体积很小,使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件,就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。
它在波形的产生与变换、测量与控制、定时电路、家用电器、电子玩具、电子乐器等方面有广泛的应用。
集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。
一般双极性型产品型号的最后三位数都是555,CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。
器件电源电压推荐为4.5~12V,最大输出电流200mA以内,并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。
其主要参数见表1。
555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图4.3和图4.4所示。
引脚功能:
Vi1(TH):
高电平触发端,简称高触发端,又称阈值端,标志为TH。
Vi2(
):
低电平触发端,简称低触发端,标志为
。
VCO:
控制电压端。
VO:
输出端。
Dis:
放电端。
:
复位端。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络,产生
VCC和
VCC两个基准电压;两个电压比较器C1、C2;一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器(低电平触发);放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
是复位端,低电平有效。
复位后,基本RS触发器的
端为1(高电平),经反相缓冲器后,输出为0(低电平)。
分析图8.1的电路:
在555定时器的VCC端和地之间加上电压,并让VCO悬空,则比较器C1的同相输入端接参考电压
VCC,比较器C2反相输入端接参考电压
VCC,为了学习方便,我们规定:
当TH端的电压>
VCC时,写为VTH=1,当TH端的电压<
VCC时,写为VTH=0。
当
端的电压>
VCC时,写为VTR=1,当
端的电压<
VCC时,写为VTR=0。
1低触发:
当输入电压Vi2<
VCC且Vi1<
VCC时,VTR=0,VTH=0,比较器C2输出为低电平,C1输出为高电平,基本RS触发器的输入端
=0、
=1,使Q=1,
=0,经输出反相缓冲器后,VO=1,T截止。
这时称555定时器“低触发”;
2保持:
若Vi2>
VCC且Vi1<
VCC,则VTR=1,VTH=0,
=
=1,基本RS触发器保持,VO和T状态不变,这时称555定时器“保持”。
3
表2555定时器控制功能表
输入
输出
TH
VO
Dis
×
<
VCC
<
VCC
>
VCC
×
<
VCC
>
VCC
×
L
H
H
H
L
H
不变
L
导通
截止
不变
导通
高触发:
若Vi1>
VCC,则VTH=1,比较器C1输出为低电平,无论C2输出何种电平,基本RS触发器因
=0,使
=1,经输出反相缓冲器后,VO=0;T导通。
这时称555定时器“高触发”。
555定时器的“低触发”、“高触发”和“保持”三种基本状态和进入状态的条件(即VTH、VTR的“0”、“1”)必须牢牢掌握。
VCO为控制电压端,在VCO端加入电压,可改变两比较器C1、C2的参考电压。
正常工作时,要在VCO和地之间接0.01μF(电容量标记为103)电容。
放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。
555定时器的控制功能说明见表2。
根据555定时器的控制功能,可以制成各种不同的脉冲信号产生与处理电路电路,例如,史密特触发器、单稳态触发器、自激多谐振荡器等。
2.史密特触发器
由555定时器组成的史密特触发器见图8.4(虚线框中电位器RW用来调节阈值);在数字电路中用于脉冲信号的整形。
当输入Vi是不规则信号时,经史密特触发器处理
后,输出为规则的方波;将史密特触发器用于数据通讯电路中,具有一定的抗干扰能力。
在图4.5(a)电路中,若Vi端(即555的2、6脚)输入三角波(或正弦波)及其它不规则的波形,则在输出端VO(3脚)输出幅值恒定的方波。
史密特触发器是一种具有双
阈值(VT+、VT—)的比较器电路,(如果在VCO端接入RW,则可调节阈值)。
工作原理:
在不接入RW时,VT+=
,VT—=
。
因为Vi端与TH和
端连接,所以:
Vi=VTH=VTR。
由表8.2分析可知:
1Vi 2VT— 3Vi>VT+时,VTH=1,VTR=1,555定时器“高触发”,VO为低 电平。 3.单稳态触发器 图4.5所示为单稳态触发器的电路和波形图。 单稳态触发器在数字电路中常用于规整信号的脉冲宽度(TW): 将脉宽不一致的信号输入单稳态触发器后,可输出脉宽一致的脉冲信号。 另外,单稳态触发器也常用于定时器电路中,调整RC的值可以得到不同的定时值。 单稳态触发器采用电阻、电容组成RC定时电路,用于调节输出信号的脉冲宽度TW。 在图4.5(a)的电路中,Vi接555定时器的 端,其工作原理如下: 1稳态(触发前): Vi为高电平时,VTR=1,输出VO为低电平,放电管T导通,定时电容器C上的电压(6、7脚电压)VC=VTH=0,555定时器工作在“保持”态。 2触发: 在Vi端输入低电平信号,555定时器的 端为低电平,电路被“低触发”,Q端输出高电平信号,同时,放电管T截止,定时电容器C经(R+RW)充电,VC逐渐升高。 电路进入暂稳态。 在暂稳态中,如果Vi恢复为高电平(VTR=1),但VC充电尚未达到 VCC时(VTH=0),555定时器工作在保持状态,VO为高电平,T截止,电容器继续充电。 3恢复稳态: 经过一定时间后,电容器充电至VC略大于 VCC,因VTH> VCC使555定时器“高触发”,VO跳转为低电平,放电管T导通,电容器经T放电,VC迅速降为0V,这时,VTR=1,VTH=0,555定时器恢复“保持”态。 4高电平脉冲的脉宽TW: 当VO输出高电平时,放电管T截止,电容器开始充电,在电容器上的电压< VCC这段时间,VO一直是高电平。 因此,脉冲宽度即是由电容器C开始充电至VC= VCC的这段暂稳态时间。 脉冲宽度计算公式: Tw≈1.1(R+RW)C。 4.自激多谐振荡器 图4.6所示为自激多谐振荡器电路和波形图。 自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信号。 电路采用电阻、电容组成RC定时电路,用于设定脉冲的周期和宽度。 调节RW或电容C,可得到不同的时间常数;还可产生周期和脉宽可变的方波输出。 脉冲宽度计算公式: Tw≈0.7(R1+RW+R2)C 振荡周期计算公式: T≈0.7(R1+RW+2R2)C 分析方法与单稳态电路相似,但电容器C的充电电阻是R1+RW+R2,放电电阻是R2。 当VC是低电平时,555定时器低触发,VO为高电平,放电管T截止,电容器经(R1+RW+R2)充电,当充电至VC=VTH> VCC时,电路高触发,输出VO变为低电平,放电管T导通,电容器经R2放电,当放电至VC=VTR< VCC时,电路又进入低触发,VO变为高电平,如此周而复始,循环不止,输出连续脉冲信号。 有以上对555定时器原理的阐述得出本课程设计的延时电路是利用了555定时器工作在单稳态触发器的状态下,此电路具体的工作原理是: 前面报警采集电路的信号会传给图中的R3,当R3左端输入电平为低电平则三极管Q3导通,R14中没有电流流过,从而使555定时器的2脚输入电压小于1/3VCC,则根据555定时器工作原理得此时其3脚输出高电平,并且此时有一定的延时时间(时间计算公式: T=1.1(R5+R9)C3)。 综合上述的两个电路分析单光电二极管没有接收到光信号时则555定时器的3脚一直为低电平,当接收到光信号时,则555定时器会在3脚产生延时高电平的脉冲。 这样整个电路中开关延时电路就设计成功了。 4.3555定时器方波生成电路 电路图如图4.7 图4.7 观察上图可知电路中555定时器时工作在多谐振荡器的状态,图中的555定时器的4脚是接在上一个图中555定时器的3脚,当4脚位低电平时则整个电路处于置位状态,只有4脚位高电平时,3脚才有波形输出,根据555定时器工作在多谐振荡器状态时的特征,可以计算出此时输出波形的周期T,T=0.7(R6+R7+R8)C4,因此此电路就可以产生周期为T的方波信号。 这样整个设计中的方波信号产生电路就完成了。 4.4声光报警电路 电路图如图4.8 图4.8 此电路原理很简单,当R2左边引脚输入高电平时,则三极管Q2导通,从而蜂鸣器中有电流通过,使其发出声音,而此时也会是LED点亮,当R2左边引脚为低电平时,则三极管Q2截止,蜂鸣器没有电流流过,LED两端也没有电压即熄灭,这样给R2两端加一方波信号就可以使蜂鸣器产生“滴··滴··滴”的报警声音,LED闪烁。 一个报警电路设计就结束了。 综上所述,本课程设计的所有单元电路就全部完成了。 第五章总体电路原理图及相关说明 总的电路图是将第四章的所有单元电路按照信号的传输方向进行连接起来,连接起来的总图如图5.1。 图5.1 根据上图,简单的分析一下整个电路的工作原理: 当打开电源开关时S1后电源指示灯D1就会点亮,此时整个电路就处于待机状态,当光电二极管接收到光信号,则LM339的负输入电压大于正输入电压,则LM339的输出端输出低电平,此低电平加到三极管Q3的基极,使其导通,则R14就被Q3断路掉了,从而555定时器U2的2脚端的电压小于1/3VCC,3脚就会产生具有一定时间的高脉冲,这个高脉冲加到上面的555定时器U3的4脚,使U3开始工作,生成具有周期可调的方波信号,此信号就可以驱动声光报警电路工作了。 第六章测试过程与结果分析 6.1测试工具和器材 万用表,螺丝刀,卷尺,一个功率各异的灯泡(15W、25W、40W、100W),灯头、连接导线、开关和插头,3节1.5电池,秒表 6.2测试过程 1.准备好所有工具和器材,先用灯头、连接导线、开关和插头组成一个完整灯泡发光装置,再将4.5V电池盒、光电二极管探头接到电路板的相应接头上,用螺丝刀调节电路板上与LM339相连的可变电阻(定义: 设和地连接的部分为Ra,另一部分设为Rb),用万用表测出其连接在电路中的阻值并做相应的记录(连接在LM339负输入的可变电阻R11调到中点处,使Ra/Rb=1,即输入电压为V=VCC*Ra/(Ra+Rb)=1/2VCC),再仔细的检查一下电路中有没有断路和短路情况,当检查正常时就可以打开电源开关,观察电源指示灯点亮否,如果正常就可以进行测试了,拿一盏15W灯泡装在灯头上,将灯泡发光装置的插头插在220V的插座上,打开开关,灯泡点亮了,测试开始,探头和灯泡有一段距离,将光电二极管探头正对灯泡,当探头接收到光信号时电路板上会有一定时间的声光报警,不停的移动探头和灯泡的距离,用卷尺测量之间的距离,直到探头接收不到灯泡发出的光为止,记下此时探头和灯泡的距离值也为最大值,记录的值填在表6.1,关掉灯泡的电源开关,依次换上25W、40W、100灯泡按照上述的方法一一测试,将测试的距离值记录在表6.1中。 表6.1(Ra/Rb=1) 灯泡的功率值(W) 15 25 40 100 测量距离的最大值(m) 0.45 1.36 2.43 3.46 2.关掉电路板上的电源开关和灯泡的开关,重新换上一个25W的灯泡,用螺丝刀调节R11的阻值万用表测量使Ra/Rb=2,打开所有的电源开关,再进行测量,更上面的测量方法一样,用卷尺量出探头与灯泡的在符合要求时的最大距离值,将结果记录在表6.2,将电路板的电源开关关掉,在用螺丝刀和万用表调节R11使Ra/Rb=4,1/2,1/4三个值用时、更上面相同的方法进行测量,每次的测量距离值都记录在表6.2中。 表6.2(灯泡的功率为25W) Ra/Rb 2 4 1/2 1/4 测量距离的最大值(m) 1.78 2.86 0.67 0.36 3.用螺丝刀调节与图中555定时器U2的6、7脚相连的可变电阻R9的阻值,用万用表测量其阻值并记录之,这样可以改变555定时器电路的延时时间T(即本电路设计中报警时间),T=1.1(R5+Rc)C3(注: Rc为电路图中与555定时器6、7脚和R5相连的部分),不断的的调节Rc的值,再用秒表记录实际的报警时间t,理论计算出来的时间t1,将这三个值分别记录在表6.3中。 表6.3 Rc阻值大小(K欧) 100 60 20 0 测试中秒表记录时间t(s) 5.2 5 4.5 4.3 理论计算时间t1[t1=1.1(R5+Rc)c3] 5.5 5.06 4.62 4.4 4.用螺丝刀调节与图中555定时器U3的2、6引脚相连的可变电阻R8阻值,且用万用表测量几组电阻值,不同电阻值将会使定时器电路输出频率不同的方波信号,此方波信号的周期值T可以有公式T=0.7(R6+R7+Rd)C4(Rd为图中与555定时器相连和R6相连的部分阻值),通过调节不同Rd的值就可以改变输出方波的频率,在每调节一次电阻值之后用万用表记录其阻值,并使整个电路处于报警状态用秒表记录声光报警的时间间隔t2(从蜂鸣器刚发出声音到下一次刚发出声音的时间间隔),再用公式计算出此时间值t3,分别将其填入表6.4中。 Rc阻值大小(K欧) 10 6 2 0 测试中秒表 记录的时间t2(s) 第一次 0.7 0.8 0.6 0.5 第二次 0.9 0.6 0.7 0.6 第三次 0.8 0.7 0.5 0.4 第四次 0.8 0.8 0.7 0.5 第五次 0.7 0.8 0.6 0.4 平均值 0.8 0.7 0.6 0.5 理论计算时间t3 T3=0.7(R6+R7+Rd)C4 0.8554 0.7238 0.5922 0.5264 6.3结果分析 通过以上的测试过程和表格中记录的数据可以得出本电路的性能,由试验测试出的数据与理论计算出的数据有一定的差距,这其中大部分也是允许存在的误差,由于硬件电路设计上的问题,环境的因素,温度变化导致芯片性能改变等等。 在以后的电路设计中,要尽可能的将一些能够避免的因素考虑进去,这样可以再很大程度上提高了电路的性能,更能电路安全的工作。 第七章结论 历经两个星期的时间,终于成功的完成了这个电子课程设计,包括设计方案的选择,电路图的设计,一些元器件的选择,电路板的焊接工作,硬件电路的调试,在各种环境下进行测试,最终完成整个电路的设计。 在设计此电路当中由于元器件的限制,有些比较好的功能就无法实现,在以后的学习当中,我们将会不断的完善其功能,也希望我们设计的电路能够应用于实际生活中。 本电路如果将555定时器芯片该用单片机,电路的功能会更强,下面就用单片机能够实现的功能做个简单的叙述: 1.可以用单片机来实现软件的定时更方面,另外单片机也很方便的生成方波信号; 2.可以加无线模块,通过无线模块将光电传感器探头采集到的烟雾、粉尘信号及时的传输给办公人员工作的办公室,这样很大程度上提高了实时性; 3.可以在现场装一些自动灭火的装置,当工作人员在办公室听到报警信号时,只要在办公室的相应控制单元进行某些操作就可以远程的进行灭火; 4.还可以通过编码的方式进行控制,将每个房间编
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- 简易 烟雾 粉尘 报警 电路设计