设计选题三十四烟雾报警器的设计实现.docx
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设计选题三十四烟雾报警器的设计实现
电子电路综合实验
总结报告
题目：
烟雾报警器的设计实现
班级：
10-421
学号：
20100421--
姓名：
王磊
日期：
2013-04-19
成绩：
摘要
在城市化日益突出的今天，室内生活在人们的日常生活中的比例也越来越高。
在很多公共场合，因为人们吸烟而导致空气质量不好，影响人们的身体健康；在众多的家庭，天然气和煤气占据着厨房，带来便利的同时也隐藏着危险等等。
某些特定环境里对室内的烟雾浓度也有一定限制。
本系统采用模拟数字电路，设计简单，保证功能的同时成本较低，故障率低，能够监测指定环境内的烟雾浓度，并显示烟雾浓度等级。
系统根据烟雾浓度等级并自动开启排风机和语音报警，改善室内空气质量并发出警报，及时提醒人们所处环境烟雾和可燃性气体的变化。
一．设计选题
设计选题三十四烟雾报警器的设计实现
二．设计任务
□能够检测制定环境内烟雾浓度并将烟雾浓度分为三级加以显示。
□当浓度超过第二等级时系统自动开启风扇排风
□当浓度超过最高等级时系统发出声音警报
□当浓度超过最高等级时系统发出语音提示报警
三．设计目的
□学习烟雾传感器的原理，掌握实际应用方法
□掌握模数转换，电压比较和数码显示电路的设计和构建方法
□掌握电子电路系统设计的基本方法，培养提高综合利用多学科相关知识进行逐步工程设计与实际装调系统电路的能力
□增强电路布控能力和对电路错误的检错能力
四．设计提示
□利用QM-N5将烟雾浓度转化为电压信号
□将模拟电压信号转为数字信号，并进行等级划分，将烟雾浓度等级分为三级。
（拟定0~333ppm为第一等级333~666ppm为第二等级>666ppm为第三等级）
□使用数码管将烟雾浓度等级进行显示。
□三级烟雾浓度时，控制蜂鸣器报警。
□烟雾浓度大于或等于二级时，控制风扇排风。
□语音录放芯片录音，并在三级烟雾浓度时，控制其放音
五．方案比较与论证
1.用单片机实现
工作原理：
以STC89C51单片机为控制核心。
利用QM-N5将烟雾浓度转换为电信号，
单片机控制ADC0804将电压信号转化为数字信号。
根据数值的大小将烟雾
浓度划分为三个等级。
单片机驱动数码管显示烟雾浓度等级。
当烟雾浓度超
过第二等级时，单片机驱动风扇开始工作。
当烟雾浓度超过最高等级时，单
片机控制蜂鸣器发出报警提示。
系统框图：
优点：
能适应家庭和工业等场所对可燃性易爆烟雾安全性要求，设计的可燃性烟雾
报警仪应不仅能在较宽的温度范围工作，而且应具有显示可燃烟雾浓度、故
障自检、延时报警功能及可接计算机进行现场远测和实时控制等功能。
其目
标是在传统的烟雾报警仪的基础上，尽量提高准确性，降低成本，缩小体积。
该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。
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。
另外，单片机构成的外围电路所用元器
件较少，且电路简单。
缺点：
单片机的管脚多且分布较密，对焊接的要求高。
需要掌握单片机的使用方法，
并且具有一定的编程能力，对单片机的要求较高。
另一方面，芯片的价格较
模拟电路贵。
2.用模拟数字电路实现
工作原理：
利用QM-N5将烟雾浓度转化为电信号，使用LM324搭建两路电压比较器，
将烟雾浓度等级分为三级。
比较器输出的数字信号经过74HC147和非门之
后将浓度的等级变为BCD码。
再经过74LS47可驱动数码管显示相应的浓度等级。
当烟雾浓度超过第二等级时，打开风扇开始工作。
当烟雾浓度超过
最高等级时，驱动蜂鸣器进行报警，并播放录音芯片的语音报警。
系统框图：
优点：
只需要掌握简单的数电模电知识就可以进行设计，起点比较低。
电路结构清
晰明了，原理简单易懂。
而且所需的器件都比较简单常见，价位比较低，适
合初学者练习。
可以深刻理解数模转化，电压比较和数码显示电路的设计和
构架方法。
缺点：
电路所用元器件比较多，连线较为复杂，并且测量的精度不够准确，易受周
围环境影响。
最终方案确定：
基于以上两种方案的比较，结合老师所给的元器件以及自己对单片机知识的
掌握程度，最终确定以方案二（即模拟数字电路）实现设计.
模拟数字电路设计：
1、烟雾浓度采集
QM-N5型气敏元件是半导体气敏元件，当元件接触还原性气体时，其电导率随气体浓度的增加而迅速升高。
特点：
☐用于可燃性气体（CH4、C4H10、H2等）和烟雾的检测
☐灵敏度高
☐响应速度快
☐输出信号大
☐寿命长，工作稳定可靠
技术指标
☐加热电压（VH）AC或DC5±0.5V
☐回路电压（VC）最大DC24V
☐负载电阻（RL）2KΩ
☐清洁空气中电阻（Ra）≤4000KΩ
☐灵敏度（S=Ra/Rdg）≥4（在1000ppmC4H10中）
☐响应时间（tres）≤10S
☐恢复时间（trec）≤30S
☐检测范围50-10000ppm
注：
烟雾浓度采集电路可通过改变负载电阻的阻值改变灵敏度，我的实验设计电路中的负载电阻采用直插式，可根据不同的环境和使用者要求改变阻值。
2、烟雾浓度分级/编码
采用三个等值电阻串联形成比较阈值电压，与采样电压通过LM324进行比较实现给采样电压分级，进而实现给烟雾浓度分级。
比较器（运放）
a
b
0
0
1
0
1
1
3、输出控制
实现译码功能
将不同等级的浓度对应到不同输出
模拟开关（CD4052BCM）
双4选1模拟开关
4、输出
☐显示电路
☐蜂鸣器
☐风扇
☐语音
显示电路
9个输入管脚（1~9）、4输出管脚（A、B、C、D）
将0-9十个数字变成BCD码（极性相反）
9个输入管脚全为高电平时输出BCD码0
建议想输出数字几的BCD码，就将相应的输入管脚输入低电平，其余管脚高电平
7段数码管译码器（74LS47）
将BCD码译码提供给7段数码管显示
A0~A3对应4位BCD码
a~g对应共阳极数码管
74LS47输入的BCD码与74HC147输出的BCD码反向需要反向器
反向器（74LS04）
将74HC147输出的4位BCD码反向
数码管（共阳极）
☐由8段二极管组成（阳极连接在一起）
☐a~g对应74LS74输出（低电平时发光）
☐管脚测量（万用表）
蜂鸣器
显示电路
风扇
ISD1700语音电路
电路：
六．数据测量与方法
1.烟雾浓度测量时，采用气体和烟雾两种方式，气体用打火机气体，数据采集和显示正常，烟雾则采用香烟和碎纸屑等不同方式，数据采集和显示也正常；
2.等级浓度分为0,1,2三个等级，可根据烟雾采集模块的负载阻值进行灵敏度调节，试用1k、2k、5k的电阻时烟雾浓度的分级有明显变化，电阻值越大灵敏度越高；
3.输出模块在模块测试时不接入烟雾采集模块，模块工作在最高等级模式，接入显示电路时显示等级2，接入采集模块时，不同烟雾等级下管脚电平正常；
4.报警模块，如蜂鸣器，风扇输出均按设计要求工作，测试时，风扇的驱动电压设定在5-9v之间，正常工作电压为12v；
5.语音模块电路无误时调试较为简单，模块单独测试时各项功能正常，接入电路后能按设计要求工作；
七．结果分析
本次试验作品的实际工作情况与实验要求和预期效果吻合，没有较大失误，作品的焊接和布局达到了自己的要求且较为规范，选作的语音电路工作正常，音质清晰，设计任务成功完成。
误差：
本实验工作指标要求较低，误差分析不易；
故障及排除：
在实验过程中，需要对电路各个模块单独焊接测试，而电路图存在未知错误，需要分析纠错；
调试语音模块时，语音电路录放功能无法实现，多次检查后才发现20管脚的阻值由于焊接时缺少100k电阻而是用了10k电阻，更换标准阻值电阻后工作正常；
在帮同学检查电路的时候发现的问题较多，如焊点虚焊，跳线中间有断点，跳线较多而错接，管脚较长而互相接触，铺锡时两条锡路接触，芯片故障等等问题，规范操作均能解决问题；
心得体会：
本次实验过程完成得比较顺利，在布局和语音模块花费的时间较多。
通过帮助同学纠错的过程，对电路设计和焊接过程的细心程度有了深刻的体会。
因此，通过本次实验，增加了烟雾报警器的了解，增强了对电路的纠错能力。
整体电路
结论
烟雾检测报警器可保障生产与生活的安全，避免火灾和爆炸事故以及煤气中毒的发生，它是防火、防爆和安全生产所必备的仪器，具有广阔的市场空间与发展前景。
本实验制作的烟雾报警器，工作性能可靠，价格便宜，能极小地模块化，应用成本低。
本文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，合理地确定系统的设计方案。
并对仪器的整体设计和各个组成部分进行了详细的分析和设计。
[参考文献]
[1]张明强.基于传感器与单片机的烟雾报警器的实现.西安外事学院.2012
[2]叶启明.实用的火灾烟雾报警器.家庭电子.2004
（2）
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