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1、 我校毕业设计（论文）开题报告 开题报告内容包括：课题的意义，所属领域的发展状况，课题的研究内容、 研究方法、研究手段和研究步骤等！ 一.课题的意义、所属领域发展状况课题的意义、所属领域发展状况 火灾是最经常、最普遍地威胁公众安全和社会发展的主要灾害之一。 火，在给人类带来文明进步、光明和温暖的同时，失去控制的火也会给 人类造成灾难。人类使用火的历史与同火灾作斗争的历史是相伴相生的。
对于火灾，在中国古代，人们就总结出“防为上，救次之，戒为下”的 经验。随着社会的不断发展，在社会财富日益增多的同时，导致发生火 灾的危险性也在增多，火灾的危险性也越来越大！据不完全统计，我国 70 年代火灾年平均
2、损失不到 2.5 亿元， 80 年代火灾年平均损失不到 3.2 亿元。进入 90 年代， 特别是 1993 年以来，火灾造成的直接财产 损失上升到年均十几亿元，年均死亡 2000 多人。因此，加强对火灾事 故的预防，是所有生产企业以及相关单位的重要任务！ 实践证明，随着社会和经济的发展，消防工作的重要性就越来越突 出。由此，烟雾报警器在消防工作就的作用也尤为突出了。我国的火灾
自动报警控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的发展过程，其智能 化程度也越来越高。但目前国内厂家多偏重用于大型仓库、商场、高级 写字楼、宾馆等场所大型火灾报警系统的研发，他们采用集中区域报警 控制方式，其系统复杂、成本较
3、高。而在居民住宅区、机房、办公室等 小型防火单位，需要设置一种单一或区域联网、廉价实用的火灾自动探 测报警装置，因此，研制一种结构简单、价格低廉的语音数字联网火灾 报警器是非常必要的。 探测器朝新探测技术的发展进一步拓展了烟雾探测的应用领域，为 一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展， 如傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术、低功耗 MCU 技术进一步促进
了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提 高。火灾着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的 方向发展迈出了更快的步伐。 三十多年前，中国的消防报警产品刚刚起步，无论产品技术含量、 产品
4、系列完整性、使用性，还是社会影响程度都是相当低的。国外的产 品和品牌一统天下，占领中国的大部分市场。由于中国的建设正在飞速 发展，市场大的惊人，外企在市场中占据大部分份额。然而中国企业抓 住了机遇，顶住了挑战，花了十多年时间，通过几次产品更新换代，就 使自己的产品紧紧跟上了国际水平，并且夺回了大部分国内市场！当然 目前而言，这些企业基本占据的是国内市场，对外还刚启动。中国企业
正虎视眈眈，准备进军海外市场。我国烟雾报警系统起步较发达国家晚 几十年，从上世纪 70 年代我国才开始研制生产火灾报警系统产品。进入 80 年代后，国内主要厂家也多是模仿国外产品，或是引进国外技术进行 生产!烟雾报警器真
5、正发展是在 90 年代以后，随着政府逐渐开放国门， 国外企业开始大量进入中国消防市场，带来先进技术的同时也促进了市 场的成熟。这时期，我国生产火灾报警产品的企业也得到了快速发展， 部分企业进行了合资生产、技术合作，取得了不菲的成绩，也造就了现 今市场上许多有实力的商家，部分技术已接近或赶上了国际水平。 二二.本课题的本课题的研究内容研究内容
本课题研究的是由分立器件构成的数模电路控制的狭域烟雾警控制 系统。该系统是以单相桥式全波整流电路、气敏传感器电路、555 多谐 振荡器电路为核心，用烟雾传感器采集烟雾浓度信息经气电变换，引起 555 振荡器起振输出矩形波信号，报警灯闪烁、通过扬声器报警已达
6、到 目的！ 三三.研究方法和研究手段研究方法和研究手段 由于本课题涉及的知识比较多，所以在课题的制作过程中需要用以 下方法和手段： （1）查阅资料。到图书馆借阅与课题相关的书，熟悉课题的研究意 义及原理，为课题的研究打下一个良好的基础。 （2）绘制原理图。在熟悉原理的基础上，绘制相应的电路原理图！ （3）Multisim 电路仿真。在确认原理图没有大的问题后，在 Multisim
中绘制出电路图进行模拟仿真！ （4）电路仿真无问题后开始实践操作做出成品，最后进行检测！ 四四. .研究步骤研究步骤 （1）烟雾报警控制系统原理分析:包括对烟雾报警系统整体思路的 把握和烟雾报警的基本原理及组成模块的
7、简单介绍。 （2）系统硬件方案选择：通过方案比较，选择确定各个模块，尽量 选择性能优良、价格合适且可以满足系统功能的芯片，特别是温度采集 部分，其测量精度必须达到系统要求。 （3）熟练掌握电子线路设计软件 Protel DXP 的使用，完成系统总 体电路的设计。 （4）电路仿真：在原理图确认画好后，为了保证成品的成功率必须 进行电路模拟仿真！
（5）整机调试与实际检测：在保证系统硬件正确的条件下，进行系 统整体功能调试与检测！ 摘 要 随着现代家庭失火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。烟雾 报警器也随之被广泛应用于各种场合。我国的烟雾自动报警系统经历了从无到 有、从简单到复杂的发展过
8、程，其智能化程度也越来越高，且烟雾报警器种类 比较烦多，主要是由分立器件和单片机控制的烟雾报警器。鉴于目前家庭中的 烟雾问题以及设计要求，我们设计了家庭烟雾智能报警系统！本设计是由分离 元器件构成的烟雾报警器。它主要由三部分构成：单项桥式整流电路、气敏传 感器电路、555 多谐振荡器电路。其中传感器选用半导体传感器中典型的 MQ-2
气敏传感器，通过振荡电路构成的报警电路实现对家庭烟雾的检测，及时避免 由于烟雾造成的财产和人们的生命安全！ 关键词：分立器件/传感器/烟雾/报警 Abstract With the increase of modern family fire, electrici
论文研究背景、目的和意义论文研究背景、目的和意义2 1.1.1 论文研究背景2 1.1.2 论文研究目的和意义3 1.21.2 烟雾报警器的国内外现状及发展趋势烟雾报警器的国内外现状及发展趋势4 1.2.1 烟雾报警器的国内外现状4 1.2.2
13、 烟雾报警器的发展趋势5 1.31.3 本论文及设计要达到的要求本论文及设计要达到的要求5 2 2 烟雾报警器的方案设计烟雾报警器的方案设计6 2.12.1 烟雾报警器的设计方案及选择烟雾报警器的设计方案及选择6 2.1.1 设计方案6 2.1.2 方案选择8 2.22.2 电路工作原理电路工作原理9 2.32.3 电路各部分具体结果和参数计算电路各部分具体结果和参数计算9
15、 烟雾报警器的设计与制作 2 4 4 烟雾检测报警器的元器件选择及采购烟雾检测报警器的元器件选择及采购26 5.5.电路板的线路布置以及焊接电路板的线路布置以及焊接26 6.6.整机调试与检测整机调试与检测27 结结 论论27 参考文献参考文献29 致致 谢谢30 1 绪论 1.1 论文研究背景、目的和意义 1.1.1 论文研究背景
近年来，随着人民生活水平的提高，家庭自动化、电气化的不断普及，用 火、用电、用气十分普遍。然而，居民的防火安全意识并没有随着家庭的现代 化同步提高，家庭成员对防火知识的匮乏令人担忧，从而导致因乱接电线、盲 目增大功率电器、用火用气不慎引起的火灾事故频频发生。居民住
16、宅存在的火 灾隐患更无法得到及时有效的治理！烟雾报警器是一种用于检测烟雾的感应传 感器，一旦发生火灾危险，其内部的电子扬声器便会及时警醒人们。 在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭 必须时刻注意的问题。假如能根据每家的实际情况预先采取简单的防火措施， 一些悲剧是完全可以避免的。 武汉软件工程职业学院 3
消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火 灾的 30%左右。据报道： 天津市红桥区西于庄城防里大街三兴里一户居民家中不慎失火， 一名男子在火灾中死亡。 11 月 5 日，启东市某居民楼内发生一起煤气轰然起火事故。一名妇女使
17、用 液化气过程中，煤气发生泄漏。当她再次点燃煤气灶时，一股火焰瞬间燃烧， 其双手被烫伤。本月上旬，港闸区某出租房内也发生了一起煤气事故，一名男 子将煤气残气倒进卫生间的下水管道时正抽着烟，幸亏其躲闪及时未造成严重 后果。 今年江苏省淮安市九九消防日的主题为“找火灾隐患，保家庭平安” 。临近 “119”消防宣传日，江苏省淮安市消防支队盱眙大队各种形式多样的消防宣传
教育活动也已紧锣密鼓地开展起来。通过以上我们不难看出家庭火灾对我们大 家生命财产安全的影响，同时也看到了相关部门是非常重视家庭火灾的防护！ 在 2014 年十月下旬，按照学校的要求，我们 12 级的毕业生要开始进行毕 业设计。在陈祖新
18、老师的领导下，我们开始了毕业设计的工作!因为当时看到供 选的课题后，立马将目光转移到了烟雾报警器上，因为我觉得目前火灾以及家 庭火灾这块很值得我们去研究！通过最后的选题以及老师的要求要通过分立器 件做，我们最终将烟雾报警器的范围缩小到了研究家庭火灾以及小范围的等更 贴近我们生活的家庭烟雾报警器！ 1.1.2 论文研究目的和意义
众多数据表明，采用家用烟雾报警器的好处有：1.可以再着火是迅速发现 火灾;2.减少人员伤亡率;3.减少火灾损失，火灾损失往往仅限于首先着火的物 质。各项火灾统计还表明，着火与发现火灾之间的间隔时间越短，火灾死亡率 就越低。事实上，受烟雾报警器保护的家庭火灾死亡率低于那些
19、没有这种保护 的家庭火灾死亡率。 综上情况可知，在民用住宅中使用烟雾报警器是必不可少的。现针对我国 民用住宅缺乏使用烟感器意识的现象提出以下建议： 一、国家立法部门可制定相应法规，强制民用住宅区域安装烟感器;另外， 烟雾报警器的设计与制作 4 政府参与调节烟感器的售价幅度，适当给予补贴政策，让普通家庭都能承受并 愿意去购买。
二、针对居民对住宅防火如此无知，政府相关部门深入开展社会宣传工作， 向居民广泛宣传住宅防火的重要性、必要性及具体措施。大力发动民宗安装住 宅烟感器，直到国内城乡居民住户全部普及使用为止。 三、消防协会可协同法律和保险部门，由家庭财产保险部门出资，对每幢 居民住宅强制性安装
20、烟火报警器，以此减少住宅火灾危险。 四、对新建的居民住宅，相关部门应强调必须安装烟感器。还应组织检查 城市旅馆、酒店、商场等公共场所是否合理安装烟感器。以确保火灾发生后能 将危害降到最低。 1.2 烟雾报警器的国内外现状及发展趋势 1.2.1 烟雾报警器的国内外现状 早在上个世纪 30 年代左右，国外就展开了烟雾报警器的研究，而其发 展迅猛！一
方面是因为人们安全意识增强，对环境安全性和生活舒适性要求提 高；另 一方面是因为传感器市场增长受到政府安全法规的推动。据有关统计， 美国 1996 年2002 年烟雾传感器年均增长率为 27%30%。随着传感器生产 工艺 水平逐步提高，传感器日益小型化
21、、集成度不断增大，使得烟雾检测 仪器的体 积也逐渐变小，提高了烟雾检测仪器的便携性，更加利于生产、运输及市场推 广。 1963 年 5 月，日本开发完成第一台接触燃烧式家用燃气泄漏报警器， 次年 12 月其改良产品问世，改良的报警器可以检测燃气、一氧化碳等气 体， 可以安装在浴室或者采用集中监视。 我国在 70 年代初期开始研制烟雾报警器，生产型号多样、品种较齐全，
应用范围也由单一的炼油系统扩展到几乎所有危险作业环境的各种类型报警器， 产品数量也在不断增加。但主要是在引进国外先进的传感器技术和先进的生产 工艺基础上，进行研究与开发形成自己的特色。近年来，在烟雾选择性和产品 稳定性上也有很大进
22、步。 武汉软件工程职业学院 5 燃气报警器可分为民用火灾烟雾报警器、工业用烟雾报警器、 有毒有害烟 雾报警器三大系列产品。 (1)民用火灾烟雾报警器 民用火灾烟雾报警器为居民家庭用的火灾报警器,一般安装在厨房，遇 到火灾产生的烟雾时时，报警器可发出声光报警，或同时伴有数字显示，同时 联动 外部设备。有的报警器可自动开启排风扇，把烟雾排出室外 (2)
工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器 工业用烟雾报警器及有毒有害烟雾报警器只是检测探头有差异，而在 原理和应用中都很相近。工业用燃气报警器及有毒烟雾报警器根 据检测环境的 不同，也可分为检漏仪、控制器和探测器。 检漏仪的体积较小，可随身携带或手持，
23、主要应用于燃气管理的查漏 与巡检。若有燃气泄漏，检漏仪便会发出声光报警，同时数字显示烟雾浓 度， 以便及时采取安全措施，防止爆炸等恶性事故的发生。 控制器与探测器结合使 用，可在防爆现场长期监测烟雾的浓度。 探测器安装在防爆现场，控制器壁挂在值班室等有人值守的地方，二者采 用屏蔽电缆线连接。当在现场的探测器探测到燃气泄漏之后，通过屏蔽电缆线
将信号传到控制器，控制器发出声光报警，同时启动排风装置或关闭电磁阀切 断气源，以确保安全。此种仪器广泛应用于液化气站、汽车加油站、锅炉房等 工业场所。 1.2.2 烟雾报警器的发展趋势 在这个人类经济与科技迅猛发展的年代，伴随这电子、计算机、通讯和现 代控
24、制技术的迅速发展，现代火灾自动报警应用技术发展趋势正在向着全总线 制、软件编程、网络化、智能化、多样化、小型化、社区化、蓝牙技术无线化、 高灵敏化、综合化等方面发展。 针对当前火灾自动报警系统存在的通讯协议不一致，系统误报、漏报频繁， 智能化程度低，网络化程度低、特殊恶劣环境的火灾探测报警抗干扰等问题较 为突出的现象，提出在符合国家消防规范的基础下采用统一、标准、开放的通
讯协议。通过对新技术、新工艺、新材料和新设备的应用研究，对系统方案、 烟雾报警器的设计与制作 6 设备选型的优化组合，改进火灾自动报警系统的工作性能、减少维护费用和维 护要求，向着高可靠性、高灵敏性、低误报率、系统网络化、技
25、术智能化方向 发展，为更好的预防和遏制建筑火灾提供强有力的保障，从而更好的保护国家 和人民的生命、财产安全。 1.3 本论文及设计要达到的要求 在我们选定了课题后，陈祖新老师给我们提出了要求。首先第一个就是必 须用分离元器件做，而且要做出实物，不能用单片机或是 PLC 等其他可编程程 序控制：主要是为了锻炼我们对模拟数字电路掌握的能力，当然用分离元器件
做，在某些方面更具有挑战性，也更具有设计意义；第二个就是控制要求。当 检测到烟雾或是一些可燃性气体后能够报警，而且还要有红灯闪烁。总的来说， 没有太多额外要求。通过目前的电路仿真情况来看没有太大要求！ 2 烟雾报警器的方案设计 2.1 烟雾报警
26、器的设计方案及选择 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。 2.1.1 设计方案 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： 武汉软件工程职业学院 7 第二级： 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。 3、方案三 单片机报警
27、电路设计 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 电压变化 无线电接收器远程报警 图 2-1 二级远程报警电路设计框图 气敏传感电路 触发报警 音响电路 电源电路稳压电路 图 2-2 狭域报警电路设计框图 烟雾报警器的设计与制作 8 报警器系统结构框图如图 2.2 所示，系统以单片机为核心，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
28、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 2-3 可燃性气体检测报警器结构框图 2.1.2 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。对于我们学校做毕业设 计来说不太符合实情：在我们的周围不太具有实际意义，而且资金以及其他
29、的 设计都不太适合我们做毕业设计，所以不能要！ 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。当然，这里我们首先是可以否定这个的。因为老 武汉软件工程职业学院 9 师明文规定了：不能使用单片机做，在这里不再陈述！ 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。很明显这种方案更适合我 们。一是制作出来更有实用意义，而且做出来的成功概率大。再者不需要太多 资金，设计不是异常繁琐而又同时考察了我们的学习能力！所以本课程设
30、计选 择狭域报警电路设计方案。 2.2 电路工作原理 工作原理是：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 12
31、 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 12 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 ccc 3 1 cc 较器 G 和 G 的输出为 u=1、u=0，基本 RS 触发器被置 1， =1,=0,输 121G2G Q Q 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
OOLOH Q 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 12 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 3 2 cc 3 1 cc 冲。当有气体或烟
32、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。 通过分析出来的工作原理，我们绘制出的原理图如下： 烟雾报警器的设计与制作 10 图 2-4 烟雾报警器原理图 2.3 电路各部分具体结果和参数计算 1、电源电路 此单元电路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。电路图如下： 图 2-5 电源电路 武汉软件工程职业学院 11 2、稳压电路 此单元电路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 灯丝加热电压要求稳定，故采用稳压块 7805 进行稳压。
33、 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。为什 么选用 MQ-2 在下面将会说到！ 图 2-6 稳压电路 烟雾报警器的设计与制作 12 4、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。 图 2-7 气敏传感电路 图 2-8 触发、报警音响电路 武汉软件工程职业学院 13 5、555 多谐振荡电路 多谐振荡器是一种自激振荡电路，不需要外
34、加输入信号，就可以自动地产 生出矩形脉冲。 图 2-9 555 多谐振荡电路 6、参数计算 如 555 多谐振荡器电路图所示，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 12 T=t+t （1） 1W2W 图 7 555 多谐振荡电路 烟雾报警器的设计与制作 14 t为电容 C
所以，无气体和烟雾后维持报警的时间为 28.4s. 2.4 烟雾传感器的选型 烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气 体在空气中 的含量(即浓度)转化成电压或者电流信号。当有气体或烟雾时，传感器内部的 阻值降低，调节后级电路电位上
36、升，导致电路电压或是电流发生变化，由 555 定时器构成的报警电路开始工作！传感器作为烟雾检测报警器的信号采集部分， 是仪表的核心组成部分之一。由此可见，传感器的选型是非常重要的。 2.4.1 基本概况 烟雾传感器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟雾报警器内部 采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传
感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警 器。 它在内外电离室里面有放射源镅 241，电离产生的正、负离子，在电 武汉软件工程职业学院 15 场的作用下各自向正负电极移动。在正常的情况下，内外电离室的电流、电压 都是稳定的。一旦有烟
37、雾窜逃外电离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流， 电压就会有所改变，破坏了内外电离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线 报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用 在城市安防、小区、工厂、公司、学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化 工、燃气输配等众多领域。 2.4.2 功能特点 光学迷宫 采用低功耗 CMOS 微处理器 特殊防潮设计 独立/联网
/无线输出方式（可选）具有手动测试、手动复位功能 工作性能稳定可靠 单面 PCB 工艺 采用超薄式结构设计 结构设计独特，防尘、防虫、抗外 界光线干扰 2.4.3 技术参数 工作 温度 报警 浓度 工作 湿度 工作 电源 信
38、号 输出 安装 方式 外壳产品尺寸 - 10 +5 0 0.65 15. 5%FT 109 0% 12VDC /9VDC 常开/ 常闭 吸顶阻燃 树脂 直径 105mm 厚度 32mm 2.4.4 烟雾传感器分类 1.1.离子式烟雾传感器离子式烟雾传感器 该烟雾报警器内部采用离子式烟雾传感，离子 式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各消防
报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器。它在内外电离室里面有放 射源镅 241，电离产生的正、负离子，在电场的作用下各自向正负电极移动。 在正常的情况下，内外电离室的电流、电压都是稳定的。一旦有烟雾窜逃外电 表 2-1 MQ-
39、2 传感器技术参数 烟雾报警器的设计与制作 16 离室。干扰了带电粒子的正常运动，电流，电压就会有所改变，破坏了内外电 离室之间的平衡，于是无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机， 将报警信息传递出去。烟雾传感器广泛应用在城市安防、小区、工厂、公司、 学校、家庭、别墅、仓库、资源、石油、化工、燃气输配等众多领域。 2.2.光电式烟雾传感器光电式烟雾传感器
光电烟雾报警器内有一个光学迷宫，安装有红 外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学 迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过 阈值，如果超过发出警报。光电感烟探测器可分为减光式和
40、散射光式，分述如 下： (1) 减光式光电烟雾探测器 该探测器的检测室内装有发光器件 及受光器件。在正常情况下，受光器件接收到发光器件发出的一定光量；而在 有烟雾时，发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡，使受光器件接收的光量减少， 光电流降低，探测器发出报警信号。 (2) 散射光式光电烟雾探测器 该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。在正常情况下，受光器件是
接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在发生火灾时，当烟雾进 入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光 被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾 信号转变为电信号的功能，探
41、测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。 两种传感器的比较两种传感器的比较 离子烟雾报警器对微小的烟雾粒子的感应要灵敏一 些，对各种烟能均衡响应；而前向式光电烟雾报警器对稍大的烟雾粒子的感应 较灵敏，对灰烟、黑烟响应差些。当发生熊熊大火时，空气中烟雾的微小粒子 较多，而闷烧的时候，空气中稍大的烟雾粒子会多一些。如果火灾发生后，产
生了大量的烟雾的微小粒子，离子烟雾报警器会比光电烟雾报警器先报警。这 两种烟雾报警器时间间隔不大，但是这类火灾的蔓延极快，此类场所建议安装 离子烟雾报警器较好。另一类闷烧火灾发生后，产生了大量的稍大的烟雾粒子， 光电烟雾报警器会比离子烟雾报警器先报警，这类场所建议安
42、装光电烟雾报警 器。 3.3.气敏式烟雾传感器气敏式烟雾传感器 气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。它主 要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器等，其 中用的最多的是半导体气敏传感器。它的应用主要有：一氧化碳气体的检测、 武汉软件工程职业学院 17 瓦斯气体的检测、煤气的检测、氟利昂（R11、R12）的检测、呼气中乙醇的检 测、人体口腔口臭的检测等等。
它将气体种类及其与浓度有关的信息转换 成电信号，根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中的存在情况 有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机 组成自动检测、控制和报警系统。 其中气敏
43、传感器有一下几种类型： (1)可燃性气体气敏元件传感器, 包含各种烷类和有机蒸气类(VOC)气体, 目前大 量应用于抽油烟机、泄漏报警器和空气清新机; ( 2)一氧化碳气敏元件传感器, 一氧化碳气敏元件可用于工业生产、环保、汽车、家庭等一氧化碳泄漏和不完 全燃烧检测报警; (3)氧传感器, 氧传感器应用很广泛, 在环保、医疗、冶金、交 通等领域需求量很大;
(4)毒性气体传感器,主要用于检测烟气、尾气、废气等环 境污染气体。 气敏式烟雾传感器的典型型号有 MQ-2 气体传感器。该传感 器常用于家庭和工厂的气体泄漏装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒 精、氢气、烟雾等的探测。 气敏式烟雾传感
44、器与离子式烟雾传感器的比较气敏式烟雾传感器与离子式烟雾传感器的比较 火灾烟雾是由气、液、 固体微粒群组成的混合物，具有体积、质量、温度、电荷等物理特性。离子型 烟雾探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子的 微电流变化装置。当烟雾粒子进入电离室，改变了电离室空气的电离状态，从 而宏观表现为电离室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大，由此来确定
空气中的烟雾状况。而气敏式传感器是探测空气中某些可燃气体的成分，所以 在火灾探测方面，气敏式传感器性能并不如离子式传感器。探测空气中可燃气 体的含量。有效地探测煤气、液化石油气、然气、一氧化碳等多种可燃性气体 的微量泄漏。适用于石
45、油、化工、煤炭、电力、冶金、电子等工业企业，以及 煤气厂、液化石油气站、氢气站等生产和贮存可燃性气体的场所。 2.5 烟雾传感器的选定 烟雾检测报警器主要应用在石油、化工、冶金、油库、液化气 站、喷漆作 业等易发生可燃烟雾泄漏的场所，根据报警器检测烟雾 种类的要求，一般选用 接触燃烧式烟雾传感器和半导体烟雾传感器。 使用接触燃烧式传感器，其探头的阻缓及中毒，是不可避免的问题。 阻缓
烟雾报警器的设计与制作 18 是当在烟雾与空气的混合物中含有硫化氢等含硫物质的情况下，则有可能在无 焰燃烧的同时，有些固态物质附着在催化元件表面，阻塞载体的微孔，从而引 起响应缓慢反应滞缓，灵敏度降低。虽然将阻缓的
46、传感器再放回新鲜空气环境 中有得到某种程度的恢复的可能，但是如果长期暴露在这样的环境中，其灵敏 度会不断下降，导致传感器最终丧失检测烟雾的能力。中毒是如果环境空气中 含有硅烷之类的物质时，则传感器将 使催化元件产生不可逆转的中毒，以致灵 敏度很快就丧失。当怀疑检测环 境中存在这些物质时，经常对探头进行标定， 是必须且有效的办法。
因此，经常对传感器进行标定，是保证其准确性的必要的途径。一般连续 使用两个月后应对传感器进行量程校准，这种经常性对传感器的维护，无形中 加大了工作人员的工作量，同时增加了报警器的维护成本。 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传感器 以及用单
47、晶半导体器件制作的烟雾传感器，它具有灵敏度高， 响应快、体积小、 结构简单，使用方便、价格便宜等优点，因而得到广泛应用。半导体烟雾传感 器的性能主要看其灵敏度、选择性(抗干扰性)和稳 定性(使用寿命)。 经过对比上述两种烟雾传感器的应用特性，发现半导体烟雾传感器的优点 更加突出：灵敏度高、响应快、抗干扰性好、使用方便、价格便宜，且不会发
生探头阻缓及中毒现象，维护成本较低等。因此，本设计采用半导体烟雾传感 器作为报警器烟雾信息采集部分的核心。而在众多半导体气体传感器中，本设 计选用 MQ-2 型烟雾传感器，这种型号的传感器不但具备一般半导体烟雾传感 器灵敏度 高、响应快、抗干扰能力强、寿命长等
48、优点。 2.6 MQ-2 型烟雾传感器的工作原理 半导体烟雾传感器包括用氧化物半导体陶瓷材料作为敏感体制作的烟雾传 感器以及用单晶半导体器件制作的烟雾传感器。按敏感机理分类，可分为电阻 型和非电阻型。半导体气敏元件也有 N 型和 P 型之分。N 型在检测时阻值随烟 雾浓度的增大而减小；P 型阻值随烟雾浓度的增大而增大。半导体气敏传感器 的分类如表 2.2 所示。
武汉软件工程职业学院 19 表 2-2 半导体气敏传感器的分类 所利用的特性工作温度表面电阻控制器 300450C 类型所利用的特性工作温度代表性被检测气体 表面电阻控制器300450C可燃性气体 电阻型 电阻 体电阻控制器30045
49、0C 700C 以上 乙醇、可燃性气体 二极管整流特性室温200CH2、CO、乙醇非电阻型 晶体管特性 150C H2、H2S 本设计中采用的 MQ-2 型烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于 表面离子式 N 型半导体。当处于 200300C 温度时，二氧化锡吸附空气中的 氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少， 从而使其电阻值增加。
当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒受 到该烟雾的调制而变化，就会引起 表而电导率的变化。利用这一点就可以 获得这种烟雾存在的信息。 遇到可燃烟雾（如 CH4 等）时，原来吸附的氧脱附，而由可燃烟雾以正离 子状态吸附在二氧化锡半导体表面；氧脱附放
50、出电子，烟雾以正离子状态吸附 也要放出电子，从而使二氧化锡半导体导带电子密度增加，电阻值下降。而当 空气中没有烟雾时，二氧化锡半导体又会自 动恢复氧的负离子吸附，使电阻值 升高到初始状态。这就是 MQ-2 型燃性烟雾传感器检测可燃烟雾的基本原理。 MQ-2 型传感器的结构图如 图 2.1 所示，其外观如 2.2 所示。 烟雾报警器的设计与制作 20 图 2-10 MQ-2
型传感器的结构图 图 2-11 MQ-2 型传感器的外观 2.7 MQ-2 型传感器的特性及主要技术指标 (1) MQ-2 型传感器的一般特点 (a)MQ-2 型传感器对天然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对 烷类烟
51、雾更为敏感。 (b)MQ-2 型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时 间短，长时间工作性能好。 武汉软件工程职业学院 21 MQ-2 型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾 的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d)电路设计电压范围宽，24V 以下均可；加热电压 50.2V。 (2) MQ-2 型传感器的基本特性 (a) 灵敏度特性
烟雾传感器在最佳工作条件下，接触同一种烟雾，其电阻值 RS 随气 体浓 度变化的特性称之为灵敏度特性，用 K 表示。 K=RS / R0 (2-1) 式中，R0 为烟 雾传感器洁净空气条件下的电阻值，RS 为烟雾传感器在一定浓度
52、的检测烟雾中 的电阻值。 虽然对于不同的烟雾，器件灵敏度特性 K 的值也会各有差异，但 是它们都遵循同一规律， log RS = m logC + n (2-2) 式中，m 为器件相对烟雾浓度变化的敏感性，又称烟雾分离能，对于 烟雾， m 值为 1/21/3；C 为检测烟雾的浓度。n 为与检测烟雾，器件材料有关，并随 测试温度和材料中有无增感剂而有所不同。 (b) 初期稳定特性
半导体烟雾传感器在不通电状态存放一段时间后，再通电时，器件并不能 立即投入正常工作。这是因为烟雾传感器中的二氧化锡在不通电的状态下会吸 附空气中的水蒸气，当再次通电时需要预热几分钟使水蒸气蒸发后，气敏电阻 才能正常工作
53、。再通电工作时气敏电阻值达到稳定时所需要的时间，定义为初 期稳定时间。一般情况下，不通电时间越长，初期稳定时间也越长，当不通电 存放时间达到 15 天左右时，初期稳定时间一 般需要 5 分钟左右。 (c) 加热特性 半导体烟雾传感器一般要在较高的温度(200450C)下工作，所以需要对 其加热。由于传感器一般工作在易燃易爆环境下，若加热丝直接与电源相接，
当加热丝局部短路造成器件过热或放电时，可能引发事故。所以必须使用传感 器生产厂家推荐的加热电压，使其工作在较安全的范围内。MQ-2 型烟雾传感 器加热电压为 50.2V，加热电阻为 313?。当加热丝断路时，由于热惰性缘 故，烟雾传感器的气敏
54、特性并不立即消失，此时检测必出现较大的误差。为避 免出现这种情况，并及时发现气敏元件的故障， 需要设计加热丝故障诊断报警 烟雾报警器的设计与制作 22 电路。 2.8 烟雾检测报警器的功能 （1）状态显示功能 控制输出的状态指示灯,绿灯常亮表示正常状态，环境中可燃烟雾浓度极 低.红灯闪亮表示环境中可燃烟雾浓度超过报警限值，提醒用户尽快作相应安全 措施。
当烟雾浓度超过报警限，报警器发出鸣叫，用户到达现场，可按下按键 停止报警器鸣叫。若过一点时间浓度仍超出报警限，报警器会再次鸣叫提醒用 户。 (2)烟雾报警功能 当烟雾浓度连续一段时间取值都在报警限值之上，蜂鸣器开始报警，且声 音越来越急促，并且
55、伴随红灯闪烁。因为人对变化的信号更为敏 感，所以变化 的声音及灯光更容易引起用户的注意。 武汉软件工程职业学院 23 2.9 方案总结 本节主要阐述了烟雾报警器的设计方案：即报警器的设计与传感器的选择。 大致从设计方案的筛选、选定方案的工作原理以及各部分电路的详细介绍、烟 雾传感器知识以及选定、MQ-2 传感器介绍。 烟雾报警器的设计方案大致就那么几种，应该说对比还是非常强烈，选择
相对来说不是太难。难点在于方案确定后分析电路过程致研究出电路原理图。 这是一个产品的核心，亦是一个难点。通过网上的学习以及结合平时的数模知 识，最终确定的原理图大致没有太大问题，具体的还要看仿真结果！后面重点 普及
56、了一下烟雾传感器的知识，应该说在接触这个设计之前，我们大家并不是 十分了解这方面的相关知识。因此，在查阅资料的同时，我们也是学到了很多。 后面对 MQ-2 的补充可能不尽完善，但是对于我们研究本设计是足矣，相信这个 学习过程并将会对我们以后的学习会有很大帮助！ 3.Multisim 电路仿真 3.1 Multisim 简介 工程师们可以使用 Multisim
交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的 SPICE 技 术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。 通过 Multisim 和
你可以搭建一个属于自己的实验工作室，在这里你可以将你设计的电 路进行一次逼真的模拟！ 下面，我为大家一一列举其强大的功能。 有着直观的图形界面。有着直观的图形界面。整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路 所需的元
59、器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导 线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、 波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的！ 丰富的元器件。丰富的元器件。提供了世界主流元件提供商的超过 17000 多种元件，同时 能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建 模型等功能，创建自己的元器件。
强大的仿真能力。强大的仿真能力。以 SPICE3F5 和 Xspice 的内核作为仿真的引擎，通过 Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行 优化。包括 SPICE 仿真、RF 仿真、M
60、CU 仿真、VHDL 仿真、电路向导等功能。 武汉软件工程职业学院 25 丰富的测试仪器。丰富的测试仪器。 提供了 22 种虚拟仪器进行电路动作的测量： Multimeter(万用表）、Function Generatoer（函数信号发生器）等一大批！ 完备的分析手段。完备的分析手段。Multisimt 提供了许多分析功能：DC Operating Point
