烟雾报警器的设计与制作毕业论文 - 图文

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 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.本课题的研究内容 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到目的！ 三.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.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

1.1 论文研究背景、目的和意义 1.1.1 论文研究背景 1.1.2 论文研究目的和意义

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 1.2.2烟雾报警器的发展趋势 1.3 本论文及设计要达到的要求

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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 2.1.1设计方案 2.1.2 方案选择

2.2 电路工作原理

2.3电路各部分具体结果和参数计算 2.4 烟雾传感器的选型 2.4.1 基本概况 2.4.2 功能特点 2.4.3 技术参数 2.4.4 烟雾传感器分类

2.5 烟雾传感器的选定

2.6 MQ-2型烟雾传感器的工作原理

2.7 MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 2.8烟雾检测报警器的功能 2.9 方案总结

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烟雾报警器的设计与制作

3.MULTISIM电路仿真

3.1 MULTISIM简介

3.2 MULTISIM的发展趋势 3.3 MULTISIM特点

3.4 烟雾报警器电路仿真分析及结果

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4 烟雾检测报警器的元器件选择及采购

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5.电路板的线路布置以及焊接

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6.整机调试与检测

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结 论

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参考文献

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致 谢

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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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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。

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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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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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电流变化 气体烟雾 气敏传感器 开关元件 电压变化 无线电发射器 喇叭 第二级：

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

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。

触发报警音响电路 电源电路 稳压电路 气敏传感电路 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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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。

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 串口通信 四个按键 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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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R1和R2对电容C进行充电，其电压uc由0按指数规律上升。当uc≥2Vcc时，电压比较器G1和G2的输出分别为uG1=0、

3uG2=1，基本RS触发器被置0，Q=0,Q=1,输出uo 跃到低电平UoL。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R1和R2放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电

1容C的放电，uc随之下降。当uc下降到uc≤Vcc时，则电压比较器G1和G2的

3?输出为uG1=1、uG2=0，基本RS触发器被置1， Q=1,Q=0,输出uO由低电平UOL跃到高电平UOH。同时，因Q=0，放电管V截止，电源又经电阻R1和R2对电容

1C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2Vcc和Vcc之

33??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：

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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

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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

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烟雾报警器的设计与制作

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。

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300~450°C

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类型 电阻型 所利用的特性 电阻 表面电阻控制器 体电阻控制器 工作温度 300～450°C 300～450°C 700°C以上 非电阻型 二极管整流特性 晶体管特性 室温～200°C 150°C H2、CO、乙醇 H2、H2S 代表性被检测气体 可燃性气体 乙醇、可燃性气体 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200~300°C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。

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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。

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?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5±0.2V。 (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1/2~1/3；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。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(200~450°C)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5±0.2V，加热电阻为31±3?。当加热丝断路时，由于热惰性缘故，烟雾传感器的气敏特性并不立即消失，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电路。

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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。

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图2-12 MQ-1传感器详细参数

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和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程！

3.2 Multisim的发展趋势

加拿大EWB （Electrical Workbench）

EWB4.0

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EWB5.0 EWB6.0

Multisim2001 Multisim 7 Multisim 8

美国国家仪器（NI）有限公司 Multisim 9 Multisim 10 Multisim 11 Multisim 12 Multisim 13

目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim 10.0，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。在本次电路仿真中使用的版本是Multisim。

3.3 Multisim特点

首先，作为Multisim来说，其最重要的功能当然是其出色的仿真功能。用Multisim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。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。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。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、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。

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。Multisimt提供了许多分析功能：DC Operating Point Analysis（直流工作点分析）、AC Analysis（交流分析）、Transient Analysis

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（瞬态分析）、Fourier Analysis（傅里叶分析）等一大波经典电路分析！

独特的射频（RF）。提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由RF-specific（射频特殊元件，包括自定义的RF SPICE模型）、用于创建用户自定义的RF模型的模型生成器、两个RF-specific仪器（Spectrum Analyzer频谱分析仪和Network Analyzer网络分析仪）、一些RF-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成；

模块强大的MCU模块。支持4种类型的单片机芯片，支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码，并兼容第三方工具源代码！

完善的后处理。对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等！

详细的报告。能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告；

兼容性好的信息转换。提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）等其他文件！

3.4 烟雾报警器电路仿真分析及结果

根据在DXP中画出的原理图，我们在Multisim12.0仿真过程中进行了一些改进。下图则是最后确定的原理图！在原先设计的基础上，我们加入了一个反相器来控制红灯与绿灯的反向控制要求，以及在传感器附近加入了一个滑动变阻器通过分压来调节烟雾传感器的灵敏度！不知道是因为软件问题还是系统问题，有一些元器件无法找到，因此MQ-2只能用R4代替。在软件中因为没有找到7805稳压块，因此这个图中就不能展示了！然而又有意外产生了，在整流电路之后的滤波电容有问题，每当拿下电容电路就可以正常仿真，一旦加上滤波电容就会仿真错误。因此为了整个实验考虑，暂时先不加，预留出一定位置，等待实物做出以后考虑加减器件。但是就整个电路而言不会有太大影响！

前面已经介绍，整个电路由三大部分组成。我们通过测试，当电路正常工作后各部分的电流电压以及振荡电路的输出波形，我们能够看到达到了预期效果。

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烟雾报警器的设计与制作

应该说通过一些简单的测试，我们暂时还没有发现太大问题，希望在实物制作过程中能够成功！

图3-1 烟雾报警器仿真图

4 烟雾检测报警器的元器件选择及采购

通过在Multisim中对DXP原理图的改进，通过原理图我们可以看出此次试验所需元器件并不算多。主要分为：555集成块、7805稳压块、MQ-2传感器、变压器等。

再仿真完电路后，我们通过老师的介绍到市场选购元器件。由于事先没有将导出的原件清单打印出来，导致在购买构成中出现了点问题。最后回来后发现了漏掉了几个小元器件，还有开关也买错了。不够对于最后试验成功与否不会造成太大影响，毕竟我们并不是做成实用产品！当然这也告诉我们，在以后工作中，物料采购是一件很细致的事，要用心去做！

序号 1 2 3 元器件类型 电 容 电 阻 二 极 管 表4-1元件清单 元器件规格 220μF等 2.2KΩ等 数量 6 4 4 备注

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4 5 6 7 8 气敏传感器 稳 压 块 滑动变阻器 发光二极管 开关 MQ-2 7805 IC555 100K 2.2K 1K 1 1 3 2 1

5.电路板的线路布置以及焊接

当我们买来元器件后心里边想，我们的试验产品已经只是一炷香的功夫了。因为，我们一直觉得那几个元器件布局好后焊接是很快的事。但是往往非常简单的事，我们做起来总是会遇到各种麻烦！

我们检查完元器件后开始对元器件开始布局，大致是按照原理图的走向布置，看似很简单。但总是会遇到问题，首先就是变压器，因为变压器比较大，占的位置相比较于其他元器件自然是不同。而且，我们纠结的是其如何走线，最后只能决定剪掉那很长的引线，像元器件那样去用导线在背面连接。还有一些集成款引脚很粗不能通过细孔，当时我们也没有钻孔机，用其他的东西很容易弄掉铜膜。应该说在布局的时候，我们就遇到了一些小问题！

布局完后自然就是走线焊接了，这个时候除了考验我们的焊接功夫，还得考验我们的细心。因为一旦线走错了，那一切就前功尽弃了。最后检查也会很麻烦！通过两天的努力，在我们组长的带领下，我们完成了这个看似简易却不失为对所学知识很好检验的烟雾报警器的基本工序！

6.整机调试与检测

经过两天的焊接，我们完成了烟雾报警器实物制作。当我们抱着满心的激动去测试的时候，结果却是让我们大跌眼镜。当我们通电后，我们就听到了不好的声音，

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这并不是告诉我们我们买的喇叭是好的，而是我们实验失败了！因为我们没有做任何测试，只是通电了。我心里很不明白，为什么仿真电路没有大问题的前提下，实验的结果会是这么出人意外。这样的结果的确让我们有点难以接受，既然通电喇叭就能响，那说明555振荡电路没有收到MQ-2的信号，因此MQ-2构成的气体检测电路是有问题的。通过用万用表的几番测试发现MQ-2构成的电路似乎没有太大问题。可能是由于我们没有掌握方法的缘故，至此我们没有解决这个问题。同时遗憾的宣告我们这次毕业设计的实物制作失败了，尽管如此，我们依然还是有很多体会。我们理论上都是对的，为什么做出的实物有问题。这说明我们的动手能力不够，当然如果我们的理论足够强，像这样的实验是不是检测不出来的。通过这次毕业设计告诉了我们，学习是一个求实的过程，要想把一门知识学好还是得踏实去钻研，懂些皮毛终究不能解决我们实际遇到的很多问题！

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。

本论文在对烟雾传感器和报警技术进行深入研究的基础上，全面比较国内外同类产品的技术特点，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。

本论文设计的烟雾报警器由单项桥式全波整流电路、烟雾信号采集电路与555多谐振荡器电路三大部分构成。整流电路，我们很果断的选择了效率高的桥式整流！根据设计要求、使用环境、成本等因素，选用MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器。该传感器是对以烷类烟雾为主的多种烟雾有良好敏感特性的广谱型半导体敏感器件。它的灵敏度适中，具有响应与恢复特性好，长期工作稳定性、重现性、不易受环境影响及抗温湿度影响等优点。

在烟雾触发报警电路中，我们选择了由555定时器构成的多谐振荡器。当有信号刺激时，4脚电位上升触发震荡，输出电信号响铃。555多谐振荡器电路比

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较简单：外接定时电阻R1和R2，以及定时电容C，5脚控制端通过0.01uf电容接地，4脚复位端接高电平Vcc。555集成块也是一款比较廉价的集成块，对于我们学生做实验也是很好的选择！

由于不能用单片机控制，只是通过数字电路来控制似乎显得有些单调。倘若能用单片控制，我们便能做出很多扩展功能，使得烟雾报警的功能更加完善，安全性更高，灵敏度更高，使用起来更加方便等。

当然对于我们这样的家庭烟雾报警器来说，用单片机来控制有点大材小用，而且对于我们学生实验来说不够经济，这些在前面方案选择已经详细阐述。通过数字电路的控制也是能够做到检测一些特定气体，对于家庭以及小范围烟雾报警已经够用！

当然，本次实验最遗憾的就是最后的实物没能做成功。虽然在仿真电路中，我们信心十足，相信是没有问题的。但是，最后的结果告诉我们还是存在一些实际操作问题。我相信原理上是不会有太大出入的，主要的问题就是在于焊接布线上，这个便是很考验我们大家的实际动手能力。当然，我们要是平时学习知识能够过硬，我相信即使有问题也是能够检测出来。这同时也说明了，我们对于模拟电路、数字电路的学习也是很不够的。我相信本次的毕业设计不够成功与否都会给我们诸多启示，在今后的工作中能够得到很好地体现！

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致 谢

非常感谢陈老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，他给了我耐心的指导和无私的帮助！同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。其中特别是各专业老师：诸如模电陈老师、数电罗老师、PCB周老师、SMT冉老师以及单片机游老师等。您对我们学习付出的心血，我们铭记在心，在此表示深深的感谢！

正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下！

通过这一阶段的努力，我的毕业论文《烟雾报警器的设计与制作》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。

在本论文的写作过程中，我的导师老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍地指出每稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。

写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名武软的学子，在今后的工作中把武软的优良传统发扬光大!

感谢所有给予我帮助和支持的同学和朋友。

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感谢我的父母，他们在我的成长过程中倾注了无数的心血。

在此再次向那些为我们的学习付出过心血的老师致敬、向那些为国家培养了大批莘莘学子的园丁们致敬，感谢陪伴了我15年光阴的您！

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