2023年12月21日发(作者：)
北京交通大学 电子系统课程设计报告 烟雾报警器
北京交通大学
电子系统课程设计报告
设计题目：烟雾报警器
小组名单：
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专业
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联系电话：
指导老师：
完成日期：2013年3月29日
北京交通大学 电子系统课程设计报告 烟雾报警器
目录
一、 设计目的 ..................................................................................... 2
二、 设计要求 ..................................................................................... 2
三、 设计步骤 ..................................................................................... 2
四、 设计原理 ..................................................................................... 3
五、 设计方案 ..................................................................................... 4
1 总体电路设计图及原理说明 ...................................................... 4
2 各单元电路的设计图及原理说明 .............................................. 5
2.1 气体烟雾传感器 ................................................................. 5
2.2 控制电路............................................................................. 6
2.3 无线收发模块 ..................................................................... 7
2.4 报警信号保持电路 ............................................................. 9
2.5 声光报警电路 ................................................................... 12
2.6 计时显示电路 ................................................................... 13
六、 调试过程及结果分析 ................................................................ 18
七、 课设体会 ................................................................................... 20
八、 元件清单 ................................................................................... 20
九、 附件：烟雾报警器实物图 ........................................................ 21
1
北京交通大学 电子系统课程设计报告 烟雾报警器
一、 设计目的
1. 了解传感器的基本知识，掌握传感器的使用方法；
2. 进一步加深对模拟电路基础理论和数字电路基础理论的理解；
3. 掌握放大器逻辑控制电路和振荡器的设计方法。
二、 设计要求
1. 基本部分：
1) 电源电压不限，可以使用交流或直流电源；
2) 有气体或烟雾时进行报警，无气体或烟雾后仍然维持报警，直至重新上电后才撤消报警；
3) 气体或烟雾报警设置断气、灭火驱动接口；
4) 显示报警时间。
2. 发挥部分：
1) 可以通过无线方式向远端发送报警信息，无线传输所使用的信号调制、解调方式不限，可以使用成品模块；
2) 报警采用模拟救火车报警声的音响效果。
三、 设计步骤
1. 电路设计：
1) 确定整体方案
根据设计要求，实现题目要求的电路方案有多种供选择，比较各种方案2
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的优劣、和具体情况选择其中的一种；
2) 单元电路设计
设计两种以上满足要求的电路进行比较，确定最佳的方案；
3) 元器件的选择；
4) 画出总体电路图；
2. 安装焊接调试；
3. 总结设计报告：
1) 设计任务书；
2) 设计框图及电路系统概述；
3) 各单元电路的设计方案及原理说明；
4) 调试过程及结果分析；
5) 设计、安装及调试中的体会；
6) 参考文献。
四、 设计原理
1. 设计框图
声光报警电路
气体烟雾传感器
控制电路
无线收发模块 报警信号保持电路
断气、灭火驱动接口
计时显示电路
2. 电路系统概述
当空气中有烟雾或可燃气体时，传感器会探测到烟雾或气体，并造成电路中3
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电信号变化。控制电路处理电信号的变化，并控制无线发射模块发射报警信号，同时预留驱动接口，以控制断气、灭火等设备。对应的无线接收模块接收到报警信号后，将信号传给声光报警电路和计时显示电路进行报警。
五、 设计方案
1 总体电路设计图及原理说明
1.1 总体电路设计图
VCCVCC5VR22Key = A
100kΩ
5VVCCR20Key = A
10kΩ
A3R1810kΩ
A2R1953Key = A
500kΩ
GND50R17Key = A
100kΩ
U954R278 Ω
411U1255529555_VIRTUAL51Q1555_VIRTUALC410nF56R21Key = A
10kΩ
0424446R10R11R12220 Ω
R13220 Ω
R14220 Ω
R15220 Ω
R16220 Ω
220 Ω
220 Ω
37452R3C510µFC310nF2N1132AVCC313335R4R5220 ¦¸
R6R7220 ¦¸
220 ¦¸
R8R9220 ¦¸
220 ¦¸
220 ¦¸
220 ¦¸
328U13R28220 Ω
457U14A6354849J2Key = SpaceVCCVCC5VVCC5VJ1Key = SpaceVCC5921U3A74LS00D22U4A通过无线收发模块连接R1Key = A
1kΩ
74LS00DVCC5VR23Key = A
1MΩ
R26VCCA1Key = A
10kΩ
12U6113U714U818传感器10R2Key = A
1k¦¸
U11A21617C210nF606174LS90N555_VIRTUAL074LS90N74LS90NLM324NC11µFR242kΩ
0R252kΩ
驱动接口控制电路驱动接口计时显示电路584013BP_5V报警信号保持电路声光报警电路U1074LS47NU574LS47NU174LS161NU274LS161N
1.2 总体电路原理说明
当气体烟雾传感器遇到可燃气体或烟雾时，传感器的电阻急剧减小，比较器的输出由低电位跳变到高电位，驱动无线发射模块发射报警信号，无线接收模块接收到报警信号，送交报警信号保持电路，报警信号一直保持直到重新上电复位，信号使能声光报警电路和计时显示电路。
4
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2 各单元电路的设计图及原理说明
2.1 气体烟雾传感器
我们小组询问了北京中关村中发电子市场的商家后发现，市场上最常见的气体烟雾传感器是MQ系列的。课上推荐的QM-NG1型号多数商家都没有货。又通过比较两者的技术手册，我们发现两者基本参数、原理等大体相同。考虑功能、成本，我们购买了MQ-2型气体传感器。
MQ-2气敏元件由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。MQ-2可用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等的探测。
MQ-2气敏元件管脚图如下：
MQ-2气敏元件典型应用电路图如下：
其标准工作条件是：
符号
Vc
Vh
参数名称
回路电压
加热电压
技术条件
《15V
5.0V±0.2 V
5
备注
AC or DC
AC or DC
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RL
Rh
Ph
负载电阻
加热电阻
加热功耗
可调
31Ω±3Ω
≤900mW
室温
封装好的MQ-2气敏元件有６只针状管脚，其中４个A、B用于信号取出，２个H用于提供加热电流。实际使用时，一个H接电源正极，另一个H接地；2个A短接后接电源正极，2个B短接后为信号的输出端。
当无可燃气体或烟雾时，MQ-2的电阻为极大，此时信号的输出端是低电位；当有可燃气体或烟雾时，MQ-2的电阻急剧下降，此时信号的输出端的电位逐渐变高。
2.2 控制电路
由于2.1中MQ-2气敏元件探测到可燃气体或烟雾时，信号的输出端电位是逐渐变高的，不利于驱动其他电路。所以需要用一个控制电路，将电位的逐渐变化转变成有明显的低、高电位跳变的变化。由于我们在模电课上学习过此功能的电路，这里就直接使用了：用一个运放就能设计一个比较器，用来实现明显的低、高电位跳变的变化。结合模电实验课的知识，我们选择了LM324N运放。将MQ-2的信号输出端接到LM324N的3管脚，得到如下电路图：
VCC5VR23Key = A
1MΩ
50%R26VCC50%传感器Key = A
10kΩ
4316061U11A211LM324NR242kΩ
0R252kΩ
控制电路
6
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其中R23是传感器，R24是保护电阻（可调为0欧）。
接通电源，预热约1-2分钟，当气敏传感器遇到可燃气体或烟雾时，LM324的3端电压迅速增大，当增大到比2端的基准电位高时，输出端1由低电压跳变到高电位，作为控制信号输出到下一级电路。
另外可以在输出端1引出一个接口，作为断气、灭火驱动接口。可通过设计控制一个继电器的通断，来驱动断气、灭火设备的强电。
2.3 无线收发模块
根据老师的要求，无线收发部分可以使用集成模块。我们小组通过询问北京中关村中发电子市场的商家，购买了最常见、最普通的无线发送模块ZF-1、无线接收模块ZR06A。（不同的商家生产的模块名字可能不一样，但是使用的编码芯片、基本参数大致是相同的）。使用时，将控制电路输出的控制信号端接ZF-1模块的电源正极（红线），当控制信号为高电平时，无线模块工作，发射无线信号；接收模块ZR06A的输出管脚输出高电位，驱动下一级电路工作。
2.3.1 无线发送模块ZF-1
ZF-1模块的实物图如下：
本发射板已引出两根线，分别接电源正、负极（红正、黑负）,电压为DC 3-12V，每次发射可以直接通过控制电源的通断来实现，时间以不超过5秒为宜，图片中最左方编码为8位地址码，下方编码为四位数据码（通过拔插跳线控制哪几路信号发送），短距离通信时，天线可以不加。
7
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ZF-1模块的主要参数如下：
参数名称
发射频率
工作电压
调制方式
静态电流
工作电流
编码芯片
辐射功率
发射距离
2.3.2 无线接收模块ZR06A
ZR06A模块实物图如下：
技术条件
315 MHz
DC 3-12V
ASK
0 uA
8~10 mA
SC2262
10~15mW
20~50米以上
ZR06A模块是一种超再生带解码四路无线遥控接收模块，该模块广泛适用于广大电子爱好者对家庭、工业遥控类电子产品的设计和开发，可很好的作为单片机的信号输入源，特别适合大中院校学生电子电路设计、毕业设计中的遥控电路部分。
接收模块的七根引脚分别为10、11、12、13、GND、VT、VCC，其中VCC为DC 5V的供电端，GND为接地端，VT端为解码有效输出端，只要发射器的数据码有输出，VT都能同步输出高电平；10、11、12、13是PT2294解码芯片的四位数据输出端，有信号时能输出5V左右的高电平，驱动电流约2mA，与发射器的四位数据码输出一一对应。短距离通信时，接收模块不焊天线也能接收信号。
ZR06A模块的主要参数如下：
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参数名称
发射频率
工作电压
调制方式
工作电流
解码芯片
工作原理
技术条件
315 MHz
DC 5V
ASK
《3 mA
PT2294
超再生（利用正反馈原理，把经过放大了的信息回馈到输入端，再放大、循环。。。）
发射距离
2.4
20~50米以上
报警信号保持电路
2.4.1 方案一
使用74LS74N芯片，搭建锁存电路。74LS74N芯片内含两个独立的上升沿双D触发器。
芯片的逻辑管脚图如下：
1CP、2CP为时钟输入端；1D、2D为数据输入端；1Q、2Q、~1Q、~2Q为输出端；CLR1、CLR2为直接复位端（低电平有效）；PR1、PR2直接置位端（低电平有效）。
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芯片的功能表如下：
使用74LS74N芯片搭建的信号保持电路图如下：
VCC5V4~1PR21D1QU1A5~1Q631CLK~1CLR174LS74NJ2Key = Space
其中3脚1CLK接无线接收模块的信号输出端，5脚1Q接下一级电路。当3脚由低电位变为高电位时，5脚也由低电位变高电位，并且当3脚的高电位变为低电位时，5脚仍然能保持高电位，直到1脚接地复位。
2.4.2 方案二
使用CD4013芯片，搭建信号保持电路。CD4013芯片和74LS74芯片大致相同，其也是由两个独立的上升沿双D触发器组成。
芯片管脚图如下：
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1CP、2CP为时钟输入端；1D、2D为数据输入端；1Q、2Q、~1Q、~2Q为输出端；1RD、2RD为直接复位端（低电平有效）；1SD、2SD直接置位端（低电平有效）。
芯片功能表如下图：
使用CD4013芯片搭建的信号保持电路图如下：
57U14A6534SD1D1CP1CD1O1~O3BP_5V报警信号保持电路62J2Key = SpaceVCCVCC5V
3脚CP1接无线接收模块的信号输出端，当为上升沿时，触发器输出端Q1输出高电平并能保持下去，直到4脚（CD1）接高电平复位。
相比之下，CMOS系列的芯片高低电平更明显，且价格低，功率低，所以11
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我们选择了方案二CD4013芯片搭建信号保持电路。
2.5 声光报警电路
声光报警电路为烟雾报警器中重要的组成部分。其中，光报警比较容易，最简单的就是并联一个发光二极管（加限流保护电阻），所以这里不做太多叙述。下面主要阐述如何模拟出救火车的报警声。
消防车警报声音为连续调频调，频率6000－50～15000+50 Hz，变调周期3.000～5.000 S，类似于“呜~~哇~呜~~哇”的声音。
2.5.1 555谐振电路
555定时器构成振荡器是最常用的谐振电路。下面是555的管脚及功能表：
TH：阈值输入端
TR
：触发输入端
CO：控制电压输入端
OUT:输出端
DIS:
放电端
RST: 复位输入端
55
典型基本电路为：
振荡周期为： T=0.7(R1+2R2
)C
充电时间为： t=0.7(R1+R2
)C
12
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放电时间为： t=0.7R2C
2.5.2 555构成双音报警电路
为了使蜂鸣器的声音更接近救火车的警报声，需要采用2个555谐振电路级联。
如下图所示：
VCC5VR22Key = A
100kΩ
50%VCCR20Key = A
10kΩ
A3VCCR1810kΩ
A2R1953Key = A
500kΩ
50%VCCRSTDISOUTGND50R17Key = A
100kΩ
50%RSTDISTHRTRICON50%OUT54R278 Ω
55GNDTHRTRICON524C510µFC310nF9555_VIRTUAL51Q150%GND555_VIRTUALC410nF56R21Key = A
10kΩ
02N1132AU13R28220 Ω
63声光报警电路
图中，555 A3构成典型多谐振荡器电路，其中R22=R17=47K欧，R20=4.7K欧，R21=2.6K欧，R18=150K欧，R27代替蜂鸣器。为达到模拟警笛的声音，用555 A3的2、6脚外接充放电C5上，产生周期为1秒左右的低频锯齿波信号作为555 A2的调制信号，使A2输出一个扫频矩形波，产生变调效果。PNP晶体管Q1接成射极跟随器，将A3的2脚上的锯齿波经Q1缓冲后加到A2的5脚,使A2的振荡频率在0.67秒钟内逐渐下降到一个低频率，再在0.33秒钟内上升到原来的高频率，如此反复进行下去，使扬声器发出类似消防车警笛的声响呜~~哇~呜~~哇”。
2.6 计时显示电路
根据设计的要求，必须使用自己产生的时钟，所以计时显示电路中要有1Hz的频率产生电路。另外，因为计时器秒、分、小时的原理基本相同，只是进制不同罢了，考虑到一块板子的空间，我们小组决定只做60秒的计时13
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器（即六十进制计数器 +译码显示）。
2.6.1 1Hz频率产生电路
考虑到准确性、稳定性，经过研究，我们小组决定使用555振荡电路产生1KHz的方波，再经由3个74LS90级联而成的千分频电路，将频率降为1Hz。
电路图为：
R1Key = A
1kΩ
50%VCC5VVCCA110R2Key = A
1k¦¸
50%VCCRSTDISOUT12U611412367INAINBR01R02R91R92QAQBQCQD129811141INAINBR01R02R91R9213U7QAQBQCQD12981114U81814123INAINBR01R02R91R92QAQBQCQD661617C210nFTHRTRICONGND06774LS90N555_VIRTUAL74LS90N74LS90NC11µF计时显示电路由公式f=1/T≈1.44/（R1+2R2）C1，
计算得：C1=1.0uF；R1=440Ω；R2=500Ω。
2.6.2 六十进制计数器
六-十进制计数器设计的方法有很多选择，例如，利用74LS161（163），74LS193，74LS90（290），CD4518。
无论使用何种芯片，其原理都是实现如下的状态表，并将其译码显示。
N
0
1
2
3
4
5
6
7
8
低位片状态
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
14
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9
进位
N
0
1
2
3
4
5
1001
高位片状态
0000
0001
0010
0011
0100
0101
由于所有芯片的原理一样，我们小组讨论后决定使用74LS161N，原因是大家在做单片机实验时接触过这个芯片。另外还需要74LS00D芯片提供非门。
74LS161N的管脚图：
其中11、12、13、14管脚是计数输出端。
74LS161N的功能图：
搭建的六十进制计数器电路图如下：
15
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1211QAQBQCQDRCORCO15VCC5VQAQBQCQD14131211~LOAD~CLR~LOAD~CLRU174LS161NCLKU274LS161NCLK2ENPENT71456ENPENTABCDABCD59VCCJ1Key = Space021U3A74LS00D6722U4A9174LS00D
当U2的输出端QDQCQBQA为1010时，通过与非门得到低电平，使能置数端实现同步预置0000。同时可以产生一个时钟脉冲使U5计数一次。当U1的输出端QDQCQBQA为0110时，通过与非门得到低电平，使能置数端实现同步预置0000。这样就完成了六十进制计数器。
2.6.3 译码显示
74LS161N的输出是4位BCD码，要想用7段数码管显示，必须要先译码。而74LS47是最普遍、方便的BCD-7段数码管译码器。
74LS47的管脚图：
74LS47的真值表：
16
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根据真值表，74LS47可以把4位BCD码转为7位a、b、c、d、e、f、g输出，驱动七段数码管显示。
另外，我们小组使用的是共阳七段数码管，即7个LED的正极是短接在一起连接VCC，其余7个负极都需要加限流电阻，再接到74LS47的输出，否则通电后容易把7段译码管烧坏了。限流电阻的选取规则是：5V电源电压减去发光二极管的工作电压（通常选2V）除上10mA到15mA得数即为限流电阻的值，本设计中使用220欧姆电阻做限流电阻。
综上得到译码显示电路图为：
17
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VCC5VVCCCACAU9ABCDEFGABCDEFGUR10R11R12220 Ω
R13220 Ω
R14220 Ω
R15220 Ω
R16220 Ω
220 Ω
220 Ω
374522111091514R3313335R5220 ¦¸
R6R7220 ¦¸
220 ¦¸
R8R9220 ¦¸
220 ¦¸
220 ¦¸
220 ¦¸
3281524272934R414OAOBOCODOEOFOG~LT~RBI~BI/RBO74849257354~LT~RBI~BI/RBOU1074LS47NOAOBOCODOEOFOGU574LS47NABCDABCD
六、 调试过程及结果分析
我们小组采用的调试方法是先在multisim中仿真后，再分模块调试后再级联调试：也就是焊接完一个模块后，就调试直到正确后再进行下一个模块，最后再将各个模块级联起来调试。
以下是遇到的问题及分析解决过程：
1 万用表会测出MQ-2传感器是短路的
在调试传感器和控制电路时，我们发现电源正极和负极是短路的！首先我们想到是不是电路焊接错了。在排查电路无误后，我们有想是不是MQ-2的技术手册我们看错了。在搜了很多资料，确定手册没有看错后，我们试着把MQ-2拔下来，发现电源正极和负极不短路了！因此断定问题出在MQ-2上。
又因为电路的功能正常，即可以探测烟雾，我们断定，MQ-2没有损坏。
在仔细阅读技术手册后，我们发现，MQ-2的两个H端之间是一个加热电感，阻值只有几十欧姆，用万用表测这两个H极会发现是短路的。所以，我们总结：万用表会测出MQ-2传感器是短路的，而不是电路本身有错误。
2 无线收发模块干扰严重，无法使用
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由于没有买到课上老师推荐的无线收发模块，我们小组买了比较常见的模块代替课上推荐的模块。但是在实际使用中，发现模块不是很稳定，而且常莫名其妙的就会出现一个高电位脉冲。后来我们实验发现，如果手、身体或其他导体靠近无线模块，就会时常感应出高电位脉冲。这一问题由于2周毕业实习占用了时间，我们小组没有能解决。
3 滑动变阻器很容易坏！
在焊接滑动变阻器前，我们都用万用表测试过每一个滑变，确定都是好用的。但在调试声光报警电路时，我们发现有2个滑动变阻器不管怎么调节，阻值都是固定的，也就是说明坏掉了。由于我们我们买备用的滑动变阻器，所以这给我们造成了很大的困扰，最后我们小组通过串联固定阻值的电阻来代替滑动变阻器，这势必会给调节蜂鸣器报警声音频率带来不方便。
这个给我们的教训是：如果设计中使用到了滑动变阻器，一定要多买几个备用的滑动变阻器。
4 计时显示电路：08跳变到19再到10。。。
最先我们设计的计数器是：当低位74LS161N的输出为1001，即9时，低位进位后并清零。这种设计在multisim中仿真是没有问题的，但是在实际中就会出现上面的问题：数码管显示从08跳变到19再到10。。。我们分析后得出结论，如果进位所用的时延多于地位数码管由9变为0的时间的话，那么就不会出现上述问题。但是本设计中显然进位所用的时延十分的小。所以我们把设计改为：当低位74LS161N的输出为1010时，即10时，低位进位并清零。
这个设计在multisim中没问题，在实际电路中也没有问题。问题解决！
5 整体电路上电后需要几十秒的稳定时间
烟雾报警器整体电路上电后，就会立即发出警报声。这时需要将信号保持电路部分和计时显示部分的单刀双掷开关拨到非使能位置，等待几十秒，待电路稳定后再拨到使能位置。这时电路才能正常工作。
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七、 课设体会
通过这次课程设计，我们复习了许多模拟电路和数字电路的知识，比如运放器、三极管、555多谐振荡电路、multisim软件仿真等，同时学习了许多新的知识，如气体烟雾传感器的使用、救火车声音的模拟等。
在设计、焊接、调试过程中，我们遇到了很多问题，但通过阅读元件的技术手册、借助大量的网络资源和思考讨论，大部分问题都被我们解决了。但是遗憾的是没有完成无线收发部分。
八、 元件清单
元件名称
MQ-2气敏传感器
LM324N芯片
ZF-1无线发射模块
数量
1
1
1
ZR06A无线接收模块 1
CD4013BE芯片
555芯片
74LS161N
74LS47N
74LS90P
74LS00N
PNP S9012三极管
500K变阻器
100K变阻器
10K变阻器
1K变阻器
10K电阻
220Ω电阻
1
3
2
2
3
1
1
1
2
4
2
2
15
20
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10uF电解电容
1uF电解电容
10nF独石电容
单刀双掷开关
普通按键开关
1
1
3
2
1
共阳七段数码显示管 2
红色发光二极管
蜂鸣器
焊板
1
1
1
导线,芯片底座,焊锡 若干
九、 附件：烟雾报警器实物图
21
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