家 用 防 火 防 盗 报 警 器概要.docx

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家用防火防盗报警器概要

家用防火防盗报警器

作者姓名：

周鹏

单位：

南华大学［南校区］0419911班

摘要：

本文主要根据555芯片的结构和工作原理设计的报警器，适用于个人家庭。

关键词：

报警器、555时基电路、多谐振荡器、单稳延时电路、脉冲。

概述

根据555芯片的基本原理设计的家用防盗防火报警器,作为家用或库房的防盗防火报警装置当有人破锁开门或发生煤气泄漏、火灾时，迅即发出报警声响。

当有人破锁开门，单稳态延时电路，延时约为60秒钟时立即发出报警声响，其频率内为1000HZ左右。

设计思路

各部分方框图、原理图及原理

一、单稳态触发电路

由IC1（555）和R1、C1等组成单稳态触发电路，金属片M与门锁的金属部分相连，当有人开锁时，人体的感应信号使IC1触发位置，VT1导通，VT2截止。

如图一所示：

1、555芯片

555芯片分两种：

一种为双极型，另一种为COM型

555在电路结构上是由模拟电路和数字电路组合而成，它将模拟功能与逻辑功能兼容为一体，能够精确的时间延迟和振荡。

该电路采用单电源，双极性的电压范围为4.5V～15V；而CMOS型的电源适应范围更宽，为2V～18V。

这样他就可以和模拟运算放大器和TTL和CMOS数字电路共用一个电源。

555的输出为全电源电平，可与TTL、HTL、CMOS型等电路直接接口，电源电压变化对振荡频率和定时精度的影响小，对定时精度的影响仅为0.05％／V，且温度稳定性好，温度漂移不高于50ppm/℃（即0.005％／℃）。

555的最大输出电流达200mA，带负载能力强。

可直接驱动小电机、喇叭、继电器的负载。

从图1-1可见，三个5KΩ电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为

Vdd,，下触发电平为

Vdd,，在5脚控制端外接一个参考电源Vc,可以改变上,下触发电平值，比较器A1的输出同或非门1的输入端相接，比较器A2的输出端接到或非门2的输入端，由于由两个或非门组成的RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器A1同向端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，R-S触发器才翻转，而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位

Vdd时，RS触发器才翻转。

双极型555功能表（如表1-2）

引脚

2（S）

6（R）

4（MR）

3（VO）

7（Q）

电平

≤

VDD

*

>1.4V

高电平

悬空状态

电平

>

VDD

≥

VDD

>1.4V

低电平

低电平

电平

>

VDD

<

VDD

>1.4V

保持

保持

电平

*

*

<0.3V

低电平

低电平

注：

*表示任意电平表1－2

2、单稳态触发电路

单稳态触发电路主要由555时基集成电路构成的,这里以双极型555为例进行说明。

如图（2-1）所示。

单稳态触发电路仅在外接一个由电阻Ro和电容C组成的定时网络。

图中强制复位端MR（4脚）接VDD，阈值端（6脚）与放电端7脚并接定时网络RC的中点。

设当电源Vdd加上后，置位端S（2脚）无触发信号,即在稳定状态，输出Vo为低电平，触法器输出高电平，放电管VT1的饱和压降Vcex的电位，当S端（2脚）加进低于（1/3）Vdd的负向脉冲时，下比较器A2输出为高电平“1”，触发器被置信,输出为低电平，,放电管VT1截止，同时，,555的输出端（3脚）变为高电平，即Vo=“0”。

此时，电路处于置位阶段,进入暂稳态，,当S端的的输入脉冲消失后，下比较器A2虽然输出为“0”，钽触发器的输出的保持不变，故555的输出端仍为高电平“1”，而在暂稳期间，,由于VT1截止，Vdd通过Ra对电容器C充电，电容器C上电压呈指数形式上升为：

Vc（t）=Vdd（1-e-t/RaC）1-1

当C上的电压充电致电

Vdd时，A1输出为高电平“1”，触发器被置位，且输出变为高电平“1”，VT1再次导通,电容C通过VT1管迅即放电到低电平“0”，电路又复原到稳态.。

单稳态触发电路在触发信号作用下Vs、Vo、Vc的相应波形。

暂稳状态，从0上升到

VDD的时间为td则有

VDD＝VDD（1-e-t/RaC）1-2

由上式，可得输出为高电平的时间：

td＝－RaCln

1-3

或td≈1.1RaC（秒）

从（1－3）式可见，td与外加工作电压VDD无关，而取决于定时网络的时间常数。

实际上，电源电压的变化对电势精度是有影响的，约为1％／V左右。

尽管电源电压的变化对充电器速率和两个比较器的门限的都有影响，但由于实际单元内部的分压网络等的设置，时期在暂稳态内的影响因相互抵消而减至最小。

若在一定时时间内将一负脉冲同时加至触发输入端S和强制复位端MR（4脚），则电容器C上的电荷会迅速即放完电路从又进入复位状态，输出端（3脚）由高电平“1”变为低电平“0”。

当MR端的复位电平高于1V时，时基电路的输出取决于控制端Vc（5脚）和置位触发端S（2脚）的状态；而当MR端的复位电平低于0.4V时，则输出端（3脚）迅即变为低电平“0”。

因此，在实际的单稳态电路中，若不需要强制复位功能时，为避免任何可能的误触发，应将MR端（4脚）连接到＋VDD。

二、单稳态延时电路

由IC2和C4、R4组成单稳态延时电路延迟时间：

td=1.1R4C4

由555所组成的单稳态延时电路，本次以双极型555为例作以说明。

由图可知,单稳态延时电路也是在外部接一个RC定时网络，当阈值电压（6脚）无信号时，电路处于稳态，此时，电容上无电压，触发器的输出为高电平“1”，输出端3脚为低电平“0”，上比较器的输出Uc1处于高电平“1”，下比较器的输出Uc2处于低电平“0”，.当阈值电压（6脚）加以低电平“0”时，上比较器的输出电压Uc1翻转为低电平“0”，触发器保持原来的状态不变，则输出端3脚还是低电平“0”，同时Vdd对电容C充电，电容C上的电压增大,则下比较器A2的输入电压减少，当电容C上电压上升到

Vdd的时候，下比较器A2的输入电压降到

Vdd，则此时下比较器A2的输出为高电平“1”（6脚仍有输入），触发器的输出翻转为低电平“0”，则输出端3脚的电平为高电平“1”。

单稳态延迟电路的延迟时间为：

Tw=RaCIn

=1.1RaC

单稳态延迟电路输入电压V11，下比较器A2的输入电压V12与输出端3脚的电压Vo的电压波形，如图所示

公式中电阻以兆欧计，电容以微法计。

555的引脚3输出端通常为低电位，仅在计时周期中转为高电平。

输出即可流入也可流出，电流达200mA。

因此，，向继电器线圈这样的负载可以介导引脚3和VDD之间或引脚3和地线之间，则主要取决于电流的要求。

单继电器介导引脚3和地线之间时，它通常处于非激励状态，而仅在计时周期中被激励。

把继电器的一端接地将节省功率，并使集成电路免于发热。

三、多谐振荡电路

由555与R7、R8、R9等、三个电阻,C6、C8两个电容元件连接起来,便构成了多谐振荡电路。

如图所示，为了减轻3脚的负载，在电容C的容量较大时不宜直接由G4提供电容的充、放电电流。

为此在图电路中将7脚与R8接成了一个反向器它输出ύ0与υ0在高、低电平状态上完全相同。

将ύ0经R9和C6组成的积分电路。

当接通电源以后，因为电容上的初始电压为零，所以输出高电平并开始经电阻R9向电容C6充电。

当充到输入电压为υc＝VT＋时，输出跳变低电平，电容C6又经过电阻R9开始放电。

当放电至υc＝VT-时，输出电位又跳变成高电平，电容C6重新开始充电。

如此周而复始，电路便不停的振荡。

υc和υ0的波形将如图所示

由图中υc的波形求得电容C6的充电时间T1和放电时间T2各为

T1＝（R8+R9）Cln

＝（R8＋R9）Cln23－1

T2＝R9Cln

＝R9Cln23－2

故电路的振荡周期为

T＝T1＋T2＝（R8＋2R9）Cln23－3

振荡频率为

f＝

＝

3－4

当加上VDD后，由于C上端电压不能突变，故555处于置位状态，输出端（3脚）呈高

电平“1”，而内部的放电管VT1截止，C6通过R8、R9对其充电，2脚电位随C6上端电压的升高呈指数上升如图5（b）所示，当C6上的电压随时间增加，达到

VDD阈值电平（6脚）时，上比较器A1翻转，使RS触发器置位，经缓冲级倒相，输出VO呈低电平“0”。

此时，放电管VT1饱和导通，C6上的电荷经R9到VT1放电。

当C放电使其电压降至

VDD触发电平（2脚）时，比较器A2翻转RS触发器复位，经倒向后，是输出端（3脚）呈高电平“1”，以上过程重复出现，形成无稳态多谐振荡。

由上面对多谐振荡过程的分析得出，输出脉冲的持续时t1就是C6上的电压从

VDD充电到

VDD所需的时间，故C6两端的电压变法规律为

UC（t）=UDD（1-e－t/（R9+R8）C）+

VDDe－t/（R8+R9）C6，

设τ1=（R8+R9）C6，

则：

t1=-τ1ln（

）＝0.6932τ1＝0.6932（R8+R9）C6

电路的间歇期t2就是C两端的电压从VDD

放电到VDD

所需的时间，即：

UC（t）=

VDDe－t/R9C6，

令τ2＝R9C6，

则：

t2=-τ2ln（

）＝0.6932τ2＝0.6932R9C。

电路的振荡周期T由3－3式，得：

T＝t1+t2=0.693（R8+2R9）C6。

振荡频率f=

，

即：

f=

（HZ）。

输出振荡波形的占空比：

q＝

＝

。

当R9>>R8时，

则：

q≈50%。

由上面有关公式的推导，不难得出以下结论：

（1）、振荡周期与电源电压VDD无关，而取决于充电和放电的总时间常数，即仅与RA、RB和C值有关。

（2）、振荡波的占空比与C的大小无关，而仅与RA、RB的大小比值有关。

四、烟雾检测电路

一个QM-N5气敏传感器与RP1等组成烟雾检测器，但可燃气体或烟雾超过一定浓度时，A－B间电阻变小，使B点电位主义是VT3导通，C点呈高电平，IC3起振，发出音响报警信号。

气敏元件工作时需要本身的温度比环境温度高很多，因此，气敏元件结构上，由电阻丝加热器结构如图所示：

A和B是气敏电阻的一对电极，f和f`使加热电极，电阻中气敏电阻阻值的变化引起电路中电流的变化，输出电压（信号电压）由电阻RP1上取出，特别在低浓度下灵敏度高。

调节RP1可改变报警的阈值。

元器件的选择或计算

一、单稳态触发电路

1、

定时电阻R1值的选择

R1的最小值以不使放电管损坏为限度。

当放电管VT1导通时，流过R1的起始充电电流是灌入VT1管的，因此起始电流应不大于5mA。

R1的最大值取决于上比较器A1所需的阈值电流，该值一般约为1µA。

由此可见，在允许的某一给定电源电压条件下，只须通过改变电阻R1的值，就可以改变定时时间td，最大变化范围为5mA/1µA＝5000倍。

2、定时电容C1值得大小选择

实际选用的最小电容值C1，应远大于阈值端（6脚）和放电端（7脚）的寄生分布电容，以确保定是值的稳定。

定时电容C1的最小值应选用100pF或稍大才好。

C的最大电容值，通常由该电容的漏电流来确定。

一般说来，随着电容量的加大，其漏电流也随之加大。

例如,当定时长达1小时时,由R1所确定的最小起始电流为1µFA。

则有求电容C的漏电流应小于0.1µA。

而如此小的漏电流，一般的电解电容是很难达到的。

应选用漏电流小的钽电解电容，或选用其他型号的额定电压高的优质电容。

当电容工作在标称电压的二分之一时，其漏电流仅为标称值的五分之一左右。

对于IC1电路的定时电容C1：

因为

Tw＝

=1.1R1C1

所以

Tw1＝1,1R1C1=1.1×2×1012≥60

得

C1≥27µF

对于IC2的定时电容：

因为

Tw2=1.1R4C4=1.1×1×1012×C4≤60

所以

C4≤54.5µF

所得C1取100µF，C4取47µF。

3、驱动能力

对于双基型555，由图可见，末级是由VT18～VT21组成一个推挽式功率输出级，驱动能力相当强，当负载的拉电流和灌入电流不应超过200mA，以免损坏时基电路。

对于CMOS型555，末级输出的驱动电流较小，且与所加电源电压VDD有关。

4、感性负载的考虑

当负载为小电极或起动继电器时，在定时结束的瞬间，线圈两端会出现相当大的反电势。

一般大都采用在线圈上并接一个续流二极管D1，以消弱该反电势，如图所示但对于555电路，D1的接入有可能造成定时电路阻塞。

为此，常在电路中加一个隔离二极管以提高输出端（3脚）的电位。

5、精确电势与可调控制电压VC

由1－3式可知单稳态模式的延迟时间取决于定时网络RaC时间常数。

电容其容量的误差会造成定时宽度的变化。

在控制段（5脚）外加一个可调电位器来改变上比较器A1的参考电平值，同样可达到精确定时的目的。

由前面分析已知，当电容器C充电势控制电压达到

VDD时，触发器复位，输出变为低电平，即输出脉冲宽度取决于因电容器充电势控制电压达到VC=

VDD所需要的时间。

充电过程可表示为

VC=VDD（1－e

）1－4

或td=-RaCln（1-

）1－5

上式说明在定时网络RaC的值给定的情况下，输出脉宽取决于

。

利用这一关系，可采用改变

比值的办法来补偿因电容容量引起的变化，以精确定时。

方法是在控制电压端（5脚）接一个电位器与组件内部两个串接的5KΩ电阻相并接。

为电阻由1MΩ电位器与R2＝20KΩ在电阻相串联。

的值为

＝

1－6

式中RP为R1＋R2与内部2×5KΩ的并联值。

Rp＝

（kΩ）

当电位器调至最小值时，即R1+R2=20kΩ时，

RP＝6.67KΩ

则

＝0.57

二、单稳态延时电路

对于IC1电路的定时电容C1：

因为

Tw＝

=1.1R1C1

所以

Tw1＝1,1R1C1=1.1×2×1012≥60

得

C1≥27µF

对于IC2的定时电容：

因为

Tw2=1.1R4C4=1.1×1×1012×C4≤60

所以

C4≤54.5µF

所得C1取100µF，C4取47µF。

三、多谐振荡电路

设计要求振荡频率f=1000Hz左右

因为：

f＝

即

＝（R8＋2R9）C6

当R8<

取C6＝0.01μF，

则：

R8＝72KΩ。

取R8＝75KΩ，

则：

R9取7.5KΩ，C6＝0.01μf。

四、烟雾检测电路

QM-N5气敏传感器与RP1等组成烟雾检测电路中，RP1取３KΩ。

此电路元件的选择，就不具体介绍了

总结

在这里我介绍了家用防火防盗报警器的整个电路，对各部分电路进行了详细的说明。

单稳态触发器输出信号的宽度则完全由电路参数决定，与输入信号无关。

输入信号只起触发作用。

因此，单稳态触发器可以用于产生固定宽度的脉冲信号。

参考文献

1．郁有文等著《传感器原理及工程应用》，西安电子科技大学出版社出版，2000年8月。

2．张立主编《现代电力电子技术基础》，高等教育出版社，1999年10月。

3.邱关源主编《电路》，高等教育出版社，1998年11月。

4.杨振江编《新颖实用电子设计与制作》，西安电子科技大学出版社出版，2000年6月。

5.阎石主编《数字电子技术基础》，高等教育出版社，1998年。

6.康华光主编《电子技术基础－－模拟部分》，高等教育出版社，1999年。