我校毕业设计（论文）开题报告
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, electricity consumption, family fire frequency is higher and higher. Smoke alarm has been widely applied to various occasions. Automatic smoke detection and alarm system of our country has experienced from scratch, from simple to complex development process, its intelligent degree is becoming more and more high, and the smoke alarm type more vexed, mainly by discrete device and single-chip microcomputer control smoke alarm. Given the current smoke issues and the design requirements of the family, and we design the intelligent family smoke alarm system! This design is made up of separate components of the smoke alarm. It is mainly made up of three parts: single bridge rectifier circuit, gas sensor circuit, more than 555 harmonic oscillator circuit. The sensor selection semiconductor sensor in typical MQ - 2 gas sensor, through the alarm circuit, composed of oscillation circuit to realize the family smoke detection, in a timely manner to avoid caused by smoke property and people's life safety.
Keywords: discrete devices/sensors/smoke/alarm
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目录
1 绪论2
1.1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 1.2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烟雾报警器的发展趋势5
1.3本论文及设计要达到的要求6
2 烟雾报警器的方案设计6
2.1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
2.2电路工作原理9 2.3电路各部分具体结果和参数计算10 2.4烟雾传感器的选型14
2.4.1基本概况14
2.4.2功能特点15
2.4.3技术参数15
2.4.4烟雾传感器分类15
2.5烟雾传感器的选定17 2.6MQ-2型烟雾传感器的工作原理18 2.7MQ-2型传感器的特性及主要技术指标20 2.8烟雾检测报警器的功能22 2.9方案总结23
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烟雾报警器的设计与制作
3.MULTISIM电路仿真23
3.1M ULTISIM简介23 3.2M ULTISIM的发展趋势23 3.3M ULTISIM特点24 3.4烟雾报警器电路仿真分析及结果25
4 烟雾检测报警器的元器件选择及采购26
5.电路板的线路布置以及焊接27
6.整机调试与检测27结论28参考文献29致谢31
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。居民住宅存在的火灾隐患更无
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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。
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：
2014.1.28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没有这种保护的家
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烟雾报警器的设计与制作
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，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、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，
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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步。
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，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
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烟雾报警器的设计与制作
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、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：
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第二级：
图2-1 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。
图2-2 狭域报警电路设计框图
3、方案三单片机报警电路设计
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烟雾报警器的设计与制作
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，而且最好体积小，成本低，有利于减少报警器的体积，降低报警器的成本。
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
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9 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 1和R 2对电容C 进行充电，其电压u c 由0按指数规律上升。当u c ≥3
2V cc 时，电压比较器G 1和G 2的输出分别为u 1G =0、u 2G =1，基本RS 触发器被置0，Q =0,-
Q =1,输出u o 跃到低电平U oL 。与此同时，放电管V 导通，电容C 经电阻R 1和R 2放电管V 放电，电路进入暂稳态。随着电
容C 的放电，u c 随之下降。当u c 下降到u c ≤31V cc 时，则电压比较器G 1和G 2的输出为u 1G =1、u 2G =0，基本RS 触发器被置1， Q =1,-
Q =0,输出u O 由低电平U OL 跃到高电平U OH 。同时，因-Q =0，放电管V 截止，电源又经电阻R 1和R 2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32V cc 和31V cc 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。
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
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
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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。
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
图2-7 气敏传感电路
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2-8 触发、报警音响电路
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