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1、传感器课程设计1传感器课程设计一、设计要求1、功能与用途随着科技的发展，越来越多的巨大的隐患由于工业生产和人们的日常生活而产生。为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全。保卫社会主义现代化建设，防止火灾引起燃烧、爆炸等事故，造成严重的经济损失，甚至危及生命安全。为了减少这类事故的发生，就必须对烟雾进行现场实时检测，采用先进可靠的安全检测仪表，严密监测环境中烟雾的浓度， 及早发现事故隐患，采取有效措施，避免事故发生，才能确保工业安全和 家庭生活安全。因此，研究烟雾的检测方法与研制烟雾报警 器就成为传感器技术发展领域的一个重要课题。 本烟雾报警器可以在室内烟雾浓度达到一定程度
2、时发出报警声，并同时具有发光报警功能。此项设计在教学中具有一定的现实意义，由于此设计还具有较好的性能指标，元器件选择方便、成本低具有实用价值，可用于家庭和空间适中的其他室内场合2、指标要求采用放大逻辑控制电路和振荡器的设计思路，运用传感器的基本知识，在对模拟电路基础理论和数字电路基础理论的理解上，设计一种气体烟雾报警器。基本要求：(1)电源电压不限，可以使用交流或直流电源。(2)有气体和烟雾时进行报警，无气体和烟雾后仍然维持报警一段时间。2、 设计方案及其特点气体烟雾报警器的基本原理是当环境中有气体烟雾时，气敏传感器的阻值降低，导致电路中电流或电压升高，开关元件探测到此变化，触发喇叭，实现报警
3、。1、方案一 二级远程报警电路设计 这种设计采用二级设计1 ，第一级为气敏开关电路，其作用是探测气体烟雾的存在，报警并向远端接受装置发射报警信号。第二级为接收报警电路，其作用是接收第一级信号并在远端发出报警。第一级： 气体烟雾气敏传感器开关元件喇叭电流变化无线电发射器第二级： 无线电接收器远程报警电压变化图1 二级远程报警电路设计框图2、方案二 狭域报警电路设计这种电路设计定位于一定区域内的气体烟雾报警，它由电源电路、稳压电路、气敏传感电路和触发报警电路组成。气敏传感电路触发报警音响电路电源电路稳压电路图2 狭域报警电路设计框图3、方案三 单片机报警电路设计报警器系统结构框图如图2.2所示，系
4、统以单片机为核心，配合外围电路共同完成信号采集、浓度显示、时间显示、状态显示、声音及闪烁报警、按键输入、故障自检等功能。报警器采用巡检的工作方式，进行两级报警值设定，并发出不同的光、声信号。系统应采用高性能的单片机，要求工作稳定、测量精度高、通用性强、功耗低，保证报警器的精确性及可靠性，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。传感器放大电路A/D转换器单片机状态指示灯声音报警浓度显示四个按键串口通信安全控制装置扩展功能图3可燃性气体检测报警器结构框图4、方案选择二级远程报警电路设计适合于大型企业，大型商场以及图书馆等人流较多，安全隐患较分散又不明显的需要专门人员进行时
5、时监控的较大范围区域。这种设计思路的优点是监控范围广，可进行远程报警，对于监测人员来说比较方便，但从实施上来看线路繁多，设计复杂，资金消耗较大。单片机设计电路测量精度高、成本低、工作稳定，但是用到单片机，较其它的设计成本高，使用复杂。狭域报警电路设计适合于一定区域内的气体烟雾报警，如个人家庭，一栋住宅楼，网吧等需要监控范围小的区域。这种设计的优点是简单易行，清晰流畅，设计简单，易于实现，而且不需要很多的资金。从设计要求来看，两种方案都达到了设计要求，但设计要求较宽松，可见并不是定位于大范围的远程报警，所以本课程设计选择狭域报警电路设计方案。三、电路的工作原理图4 气体烟雾报警器电路图工作原理是
6、：电源采用220V交流电，通过变压器把220V交流电转变为9V交流电，再通过单项桥式全波整流电路将交流电转变为直流电，由于气敏传感器灯丝加热电压要求稳定，故采用稳压块7805进行稳压。555定时器组成的多谐振荡报警电路（如图7所示），电源经电阻R和R对电容C进行充电，其电压u由0按指数规律上升。当uV时，电压比较器G和G的输出分别为u=0、u=1，基本RS触发器被置0，=0,=1,输出u 跃到低电平U。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R和R放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C的放电，u随之下降。当u下降到uV时，则电压比较器G和G的输出为u=1、u=0，基本RS触发器被置1， =1,=
7、0,输出u由低电平U跃到高电平U。同时，因=0，放电管V截止，电源又经电阻R和R对电容C进行充电，电路又回到前一个暂稳态。这样，电容C上的电压在V和V之间来回充电和放电，从而使电路产生振荡，输出矩形脉冲。当有气体或烟雾时，A-B极间阻值降低，使4脚电位上升，555起振，扬声器发出警告。五、电路设计和参数计算1、电源电路此单元电路2的任务是通过变压器把220V交流电转变为9V交流电，再通过单向桥式全波整流电路将交流电转变为直流电，此电路为后级电路提供直流输入电压。电路图3如下：图5 电源电路2、稳压电路图6 稳压电路此单元电路4的任务是把电源电路输入的直流电进行稳压，由于气敏传感器灯丝加热电压要
8、求稳定，故采用稳压块7805进行稳压。3、气敏传感电路此单元电路的任务是探测气体烟雾的存在，当有气体或烟雾时，A-B极间的阻值降低，调节后级电路电位上升。本电路的主体元件是气敏传感器。 图7 气敏传感电路4、触发、报警音响电路图8 触发、报警音响电路此单元电路的主要任务是当有气体或烟雾时起到报警作用。当有气体或烟雾时，4脚电位上升到使555起振，通过扬声器起到报警作用。其核心元件是555组成的多谐振荡报警电路。5、555多谐振荡电路多谐振荡器5是一种自激振荡电路，不需要外加输入信号，就可以自动地产生出矩形脉冲。图9 555多谐振荡电路图7 555多谐振荡电路6、参数计算如555多谐振荡器电路图
9、所示，为使报警器在没有气体和烟雾时能继续报警一段时间，电路中R=150K,R=150K,C=90F.多谐振荡器的振荡周期为 T=t+t （1）t为电容C上的电压由V上升到V所需要的时间，充电回路的时间常数为（R+R）C.t可用下式估算 t=（R+R）Cln20.7（R+R）C=18.9s （2）t为电容C上的电压由V下降到V所需要的时间，放电回路的时间常数为RC. t可用下式估算t=RCln20.7RC=9.5s （3）所以，多谐振荡器的振荡周期为T=t+t0.7（R+2R）C=28.4s （4）f= =0.035Hz （5）所以，无气体和烟雾后维持报警的时间为28.4s.六、系统需要的元器件
10、清单1、阻容元件的选择：电阻元件：2K一个 36K一个 150K一个 2.2K一个电容元件：220F一个 3.3F一个 0.1F一个 0.01F一个 22F一个2、分立元件的选择：二极管四个 气敏传感器一个3、集成电路的选择：稳压块7805 IC555集成电路序号元器件类型元器件规格数量备注1电 容220F等 62电 阻2.2K等 43二 极 管QM-25 44气敏传感器 15稳 压 块 7805 IC555 1表1 元器件清单七、总结此气体烟雾报警器电路设计达到了设计要求，线路简洁易懂，清晰流畅，易于实现。方案的优点是用最简单的设计达到了设计指标，制作容易而且不需要很多的资金。缺点是报警电路
11、的误报率也许会不尽理想。环境变化和气敏元件自身原因会对气体烟雾参数产生一定影响。天然气 、煤气、液化石油气等易燃易爆气体由于各种原因泄露后，当室内燃气浓度超过爆炸下限时，遇到火种就会发生爆炸，发生无法弥补的事故。气体烟雾报警器能有效警告气体烟雾的产生，避免重大火灾爆炸事故和人身财产损失的发生。改进建议：1.可以通过无线方式向远端发送报警信息。2.多个报警器报警时互不影响，在接收端各有独立的声光指示。通过一周多来对课程设计的研究，我阅读了很多关于555定时器的结构与用法的内容，还学习了数字电子技术中的相关知识，并学到了很多关于传感器的知识。课程设计对增强我的学习能力，拓宽我的知识面起到了很重要的
12、作用。参考文献1无线电杂志社.无线电制作精汇（2）M.北京：人民邮电出版社，2005，9.2 华成英，童诗白主编；清华大学电子学教研组编-4版.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006，5.3 杜刚.电路设计与制板Protel应用教程M.北京：清华大学出版社，2006，6.4 阎石主编；清华大学电子学教研组编-5版.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2006，5.5 陈振官等.数字电路及制作实例M.北京：国防工业出版社，2006,8.11德州学院学院课程设计成绩评价表课程名称传感器及其应用课程论文题目名称气体烟雾报警器学生姓名学号指导教师姓名职称副教授助教序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务，难易程度和工作量符合教学要求，工作努力，遵守纪律，出勤率高，工作作风严谨，善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理，计算过程简练准确，分析问题思路清晰，结构严谨，文理通顺，撰写规范，图表完备正确。453创新工作中有创新意识，对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语： 指导教师： 2011年6月10日