1、传感器技术课程设计智能仓库火焰报警器的设计2016 年 6 月目录第 1 章 绪论 .31 前言 .31.2 设计的背景及意义 .3第 2 章 智能仓库火焰报警器的设计 .42.1 电子元器件介绍 .42.1.1 电源指示发光二极管 .422.1.2 火焰传感器 .52.1.3 蜂鸣器 .52.1.4 电压取样电位器 .72.1.5 半导体三极管 .72.1.6 双 D 触发器 .82.1.7 通用运算放大器 LM358.92.2 电路框图的设计 .92.4 工作原理分析 .11第 3 章 智能仓库火焰报警器的制作 .123.1 硬件电路元件清单及实物图 .123.1.1 智能仓库火焰报警器硬
2、件电路元件清单 .123.1.2 硬件电路元件实物图 .133.2 硬件电路 PCB 布局及焊接安装 .133.2.1 硬件电路 PCB 布局图 .133.3 线路板的焊接 .133.3 线路板的调试与检测 .143.3.2 线路板的调试 .14第 4 章 总结 .15第 5 章 参考文献 .16线路板的调试 .17硬件电路检测 .17附录第 1 章 绪论1 前言消防是防火和灭火的总称。我国消防工作执行“预防为主，防消结合”的方针。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，力求制止火灾的发生，同时充分做好灭火准备。每当发生火灾，尽快扑灭，尽3可能地减少火灾所造成的人员伤亡
3、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。物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是通过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，可以将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器通过对火灾发出的物理、化学现象气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接
4、收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。集中报警是将接收到的信号以声光形式表现出来，其屏幕上也显示出着火的楼层和房间号，利用本机专用电话还可迅速发出指示和向消防队报警。1.2 设计的背景及意义仓库是生产、生活资料集中存储的地方，也是战略物资重要基地，随着社会生产的发展，各种物资必将日益增多，特别是化工原料、农药、化肥、医药制品、化学试剂等，它们具有不同程度的爆炸、易燃、毒害、腐蚀等危险特性，一旦发生火灾，就会早段时间内烧毁大量物资，造成巨大经济损失，直接影响国计民生和国内贸易。因此，做好仓库火灾消防安全工作，保障人民消费物资供应，保障存储
5、物资的安全，减少火灾损失，具有极其重要的意义。火灾自动报警系统是为了尽早探测到火灾的发生并发出火灾警报、启动有关防火、灭火装置而在建筑物中设置的一种自动消防设施。安装智能仓库安全防火报警系统是现代仓库必备的安全系统，该系统具有火灾报警和防盗报警功能。学生通过综合运用所学知识设计仓库安全防火报警系统，掌握传感器应用技术，培养学生对控制系统的设计分析能力。可利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。如果改进火焰传感器检测的设备，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动人体，还可以实现防盗检测。要采
6、用万能板焊接智能仓库火焰报警器，因为这种电子制作方法，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，为日后维修、设计电子产品打下坚实的基础。4第 2 章 智能仓库火焰报警器的设计2.1 电子元器件介绍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 Light Emitting Diode 的缩写，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，与普通二极管一样是由一个 PN 结组成，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
7、 区注入到 P 区的电子，在 PN 结附近数微米内的荧光。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管 OLED 和无机发光二极管 LED。如图所示 2.1图 2.1 电源指示发光二级管LED 只能往一个方向导通（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、颜色跟其所采用的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、高可靠性等传统光源不及的优点。白光 LED的发光效率，在近几
8、年来已经有明显的提升，同时，在每千流明的购入价格上，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、家具、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)上仍然低于新型的荧光灯，是国家以后发展民用的去向。52.1.2 火焰传感器火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在 0.1-10m 或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在 4.4m 附近的 CO2 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
9、其它频谱范围的光线不敏感,利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的电光源发出的光波长均大于 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造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻。所以可靠性较高，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，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。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
10、外线检测、及紫外线光电控制装置中。火焰是由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的 1 2 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 传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根
11、据信号的变化做出相应的程序处理。火焰传感器的原理:由各种燃烧生成物、中间物、高温气体、碳氢物质以及无机物质为主体的高温固体微粒构成的。火焰的热辐射具有离散光谱的气体辐射和连续光谱的固体辐射。不同燃烧物的火焰辐射强度、波长分布有所差异，但总体来说，其对应火焰温度的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结构的电子讯响器，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。蜂鸣器主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 表示，此次用的
12、是电压式蜂鸣器 ，它主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。如图 2-2。6图 2.2 蜂鸣器由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，所以要利用放大电路来驱动，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含以下几个部分：一个三极管、一个蜂鸣器、一个续流二极管和一个电源滤波电容。1蜂鸣器：发声元件，在其两端施加直流电压（有源蜂鸣器）或者方波（无源蜂鸣器）就可以发声，其主要参数是外形尺寸、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：蜂鸣器本质上是一个感性元件，其电流不能瞬
13、变，因此必须有一个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的其它部分。23滤波电容：滤波电容 C1 的作用是滤波，滤除蜂鸣器电流对其它部分的影响，也可改善电源的交流阻抗，如果可能，最好是再并联一个 220uF 的电解电容。4三极管：三极管 Q1 起开关作用，其基极的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。本电路设计的蜂鸣器如图所示V CCH A 1V T19013+ 5VK i图 2.3 有源蜂鸣器驱动电路72.1.4 电压取样电位器电位器 （英文：Potentiometer）是可变电阻器的一
14、种。通常是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个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节的电阻元件。电位器通常由电阻体和可移动的电刷组成。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。电位器的作用调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。电位器的结构特点电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值，从而改变了电压与电流的大小。电位器是一种可调的电子元件。它是由一个电阻体和一个转动或滑动系统组成。当电阻体的两个固定触点之间外加一个电压时，通过转动
15、或滑动系统改变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个与动触点位置成一定关系的电压。它大多是用作分压器，这时电位器是一个四端元件。电位器基本上就是滑动变阻器，有几种样式，一般用在音箱音量开关和激光头功率大小调节电位器是一种可调的电子元件。用于分压的可变电阻器。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的阻值。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）。主要参数为阻值、容差、额定功率。广泛用于电子设备，在音响和接收机中作音量控制用。图 2.4 电压取样电位器2.1.
16、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的电信号， 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，是电子电路的核心元件。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 结把整块半导体分成三部分，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（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有 NPN 和 PNP 两种结构形式，但使用最8多的是硅 NPN 和锗 PNP 两种三极管，（其中，N 表示在高纯度硅中
17、加入磷，是指取代一些硅原子，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同外，其工作原理都是相同的。本电路使用的是 NPN 型的三极管 9012，当把有字的面向自己，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。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，对一个特定的输入频率，要经 N/2 分频后才能得到所需要的输出，这就要求电路具有 N/2 的非整数倍的分频功能。CD4013 是双 D 触发器，在以 CD4013 为主组成的若干个二分频电路的基础
18、上，加上异或门等反馈控制，即可很方便地组成 N/2 分频电路。CD4013 由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。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 输入端的逻辑电平传送到 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：1D、2D：数据输入端，1CP、2CP：时钟输入端 1Q、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：
19、地。图 2.6 双 D 触发器CD4013 真值表9CD4013 有两个 D 触发器，一个 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、D。1）R 和 S 不能同时为高电平。2）当 R 为 1、S 为 0 时，输出 Q 一定为 0，因此 R 可称为复位端。3）当 S 为 1、R 为 0 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，具体是 Q=D，即若 D 为 1 则 Q 也为 1，若 D 为 0 则 Q 也为 0。RD（复位端） SD（置位端）Q（输出端）1 0 00 1 10 0 D1 1 x2.1.7
20、 通用运算放大器 LM358LM358 是双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适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的场合。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 引脚功能介绍O U T11IN 1 -2IN 1 +3G N D4IN 2 +5IN 2 -6O U T27V C C81 脚：第一运放输出端2 脚：第一运放反向输入端3 脚：第一运放
21、同向输入端4 脚：接地端5 脚：第二运放同向输入端6 脚：第二运放反向输入端7 脚：第二运放输出端8 脚：正电源引脚本电路设计利用了 LM358 中的其中一个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。如果 3 脚电压大于 2 脚电压，则 1 脚输出高电平；如果 3 脚电压小于 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可分为火焰感应电路、人工控制电路、信号处理电路、报10警电路组成，框图设计如图 2.7：2.3 电路原理图设计图 2.7 框图的设计电路原理图设计包含火焰感应电路设计，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的设计，将他们放在一起如图 2.8。VCCR110KLED1VD1R230KOUT11IN1-2IN1+3GND4 IN2+ 5IN2- 6OUT2 7VCC 8U1LM358R3 1KHA1C11041Q11/Q2ICP31RD41D51SD6GND7 2SD 82D 92RD 102CP 112/Q 122Q 13VCC 14U24013S1R410KVT19013R5 1KRP110K+5VSiCiKi1234 J1+5V1 2 3 4 J2GND图 2.8 电路原理图设计
