车厢香烟烟雾自动排气的装置.doc

车厢香烟烟雾自动排气的装置.doc 郑州轻工业学院 课程任务书 题目 车厢香烟烟雾自动排气装置的设计 专业、班级 电信08-2 学号 200801030232 姓名 仝锋 主要内容、基本要求、主要参考等: 主要内容 (整体电路设计(画出电路组成框图); 1 2(信号检测电路设计; 3(放大电路设计，电路参数选取、数据计算; 4(比较电路设计及驱动电路设计。 技术要求 1. 要求电路能够通过感应装置，检测到烟雾。 2. 要求电路根据烟雾的浓度，自动将排气扇打开和关闭。 主要参考资料 1(何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月 2(姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月 3(王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月 4(李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月 5(康华光，电子技术基础，高教出版社，2003 完 成 期 限: 指导教师签名: 课程负责人签名: 年 月 日 摘要:本次电路设计的目的就是设计出随烟雾浓度自动报警并开启排风扇的自动烟雾排风电路。该电路主要包含直流电源电路(给系统各部分提供稳定可靠的直流电)信号采集及处理电路(将空气中的有害气体浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理)触发电路(继电器执行电路)、声光报警电路(控制声音和红绿指示灯的电路)和排气通风装置。 这种类型的电路能使得排风扇加电即能进入自动监视状态，气敏传感器一旦检测到香烟烟雾，就能使排风机自动打开，并发出报警信号;香烟烟雾排干净时，即能自动关闭风机，停止报警。其路也可适用于温度、湿度、气体等方面的自动控制设备。 关键词:排风扇，自动监视，气敏传感器 目 录 1 绪 论 ....................................................................................................................... 1 2 #设计# ................................................................................................................. 2 2.1 设计任务.................................................................................................... 2 2.2 各部分电路功能的简单说明 ............................................................................ 2 3电路设计 .................................................................................................................. 4 3.1 电源电路 ........................................................................................................... 4 3.2 信号采集及处理电路 ........................................................................................ 4 3.2.1 气敏传感器....................................................................................................5 3.2.2 电压比较电路................................................................................................7 3.3 触发电路 ........................................................................................................... 8 3.4 光报警电路 ....................................................................................................... 9 3.5 排风通气装置.................................................................................................. 11 4 整机电路图 ........................................................................................................... 12 4.1 整体电路图及原理介绍.....................................................................................12 结论 ......................................................................................................................... 15 参考文献 ................................................................................................................... 17 1 绪 论 随着中国国的经济的发展，人们的生活水平也越来越高，外出乘车也比较频繁，由于很多人又抽烟的习惯，在车厢里里也会抽烟，因为车厢是密闭的，烟雾不会散去，会造成空气污染，其他人因此会成为二手烟的受害者，所以很有必要在车厢里安装一套自动排气装置。 排风扇从控制方式上分为手动和自动。手动控制的排风扇要人为开启开关，电机转动带动风扇排风。自动控制的排风扇具有自动检测的装置，当空气污浊指标超过规定值时则开启风扇排风。当空气变的清新后，电机停止转动不再排风。日常生活中，烟雾排风扇给我们带来了很大的帮助，以渐渐成为我们生活中不可缺少的一部分，因此设计出更为准确、灵敏、安全的自动烟雾排气扇具有很重要的意义。本设计介绍了它的工作原理，并对电路的设计进行了介绍和分析。 2 设计方案 2.1 总体设计分析 根据系统的设计要求和要实现的功能，本设计的系统设计主要包含直流电源电路、信号采集及处理电路、触发电路、光报警电路和排气通风装置。其各部分关系如下图2.1所示: 图2.1系统方框图 2.2 各部分电路功能的简单说明 1、气敏传感器的原理及特性 气敏传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器，是气敏体积分数将相应的转换成电信号。气敏传感器具有稳定性，灵敏性， 选择性， [2]抗腐蚀性。 2、直流电源部分 为系统各部分提供稳定、可靠的直流电，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。 3、信号采集及处理电路 信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。该电路由气敏传感器及附属电路组成。传感器将空气中的烟雾浓度变化转换为其本身阻值的变化，从而利于后面的电路处理。 4、触发电路 由555定时器组成双稳态触发电路，其输入状态改变输出状态，触发后续的执行电路。555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-S触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压-频率变换电路等，用途十分广泛。 当空气洁净时，因气敏传感器电阻大，R和R分压小，比较器的输16 出为低电平，即V和V都为低电平，由功能表可知:V为高电平，即263 QNE555置位，此时继电器和D 为低电平，(LED，红)均不工作;同时 2 放电管V截止，相当断开，此时D(LED，绿)通过电阻R导通而发光14[3]。 当空气中存在烟雾时，因气敏传感器电阻变小(约为466欧)而使 R和R分压值增大，比较器同相输入端电压高于反相输入端，故V和162V同时为高电平，且复位端电压V也为高电平，由功能表可知:V为低643 Q电平(V相当接近0V), D(LED，红)导通发光，又 为高电平，32 放电管V导通放电，将D(LED，绿)短路。同时继电器动作，使其常1 [4]开两触点接通，从而驱动声光报警电路及排气通风装置工作。 5、光报警电路 在有烟雾浓度超标时，电路产生相应的红色警告信号，同时驱动扬声器产生音频信号，在空气洁净时，电路应以不同的灯光提示，表明安全。 6、排气通风装置 在有烟雾浓度超标时，设计对应的电路驱动通风装置(如排气扇)工作，以迅速降低烟雾浓度。在接通交流电源后，电机带动风扇高速转动,烟雾被迅速排出。 3 电路设计分析 根据总体设计的方案，分别对其各个模块进行分析说明。 3.1 电源电路 电源电路由电源变压器、桥式整流电路、滤波器、稳压电路等四个部分 [5]组成。具体电路如图3.1所示: 图3.1直流电源原理图 本系统所需的是12V的直流电，因此要利用变压器将220V的交流电先降至合适的交流电压(本电路需先降至15V交流电压)，然后再将变压器次级输出电压去整流、滤波和稳压，最后得到所需要的直流电压幅值。 桥式整流电路将正负交替的正弦交流电压整流成为单向脉动电压。 滤波电路由电容元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。 稳压电路的作用是采取某些，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。电源稳压常采用三端集成稳压器，本设计可以采用三端集成稳压器W7812，它具有体积小、可靠性高以及温度特性好等优点，而且使用灵活、价格低廉，只有三个引出端子，分别接输入端、输出端和公共端，基本上不需外接元件，而且内部有限流保护、过热保护和过压保护电路，使用方便、安全。 W7812电路内部实际上包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分， [6]另外加上保护电路和启动电路。 3.2 信号采集及处理电路 信号采集电路包括气体检测电路及对传感器输出信号的处理电路。气体检测电路需要用气体传感器，将被检测对象中含的气体的浓度变为传感 器的电信号输出，以利于后面的信号处理电路进行处理。 3.2.1 气敏传感器 按构成气敏元件的材料划分为半导体和非半导体气敏元件两大类，而半导体型又分为电阻型和非电阻型两类。电阻型半导体气敏元件是用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料制作而成，利用其阻值的变化来检测气体的 [7]浓度。非电阻式半导体气敏元件是根据气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。 MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电2 导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。 MQ-2/MQ-2S气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。 图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。 图中纵坐标为传感器的电阻比(Rs/Ro)，横坐标为气体浓度。 Rs 表示传感器在不同浓度气体中的电阻值 Ro 表示传感器在1000ppm 氢气中的电阻值 图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。 灵敏度特性: 图2是传感器典型的温度、湿 度特性曲线。 图中纵坐标是传感器的电阻图1 比(Rs/Ro)。 Rs表示在含1000ppm 丙烷、 不同温/湿度下传感器的电 阻值 Ro表示在含1000ppm 丙烷、 20?/65%RH环境条件下传感 器的电阻值 温/湿度的影响: 1.9基本测试回路: 1.7图2 60%RH30%RH1.5图3 85%RH VVc RL1.3 Rs/R01.1 0.9 RL0.7V H0.5-20-1001020304050? GND 图3是传感器的基本测试电路。该传感器 需要施加2 个电压:加热器电压(VH)和测试电压(VC)。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。VC 则是用于测定与传感器串联的负载电阻(RL)上的电压(VRL)。这种传感器具有轻微的极性，VC 需用直流电源。在满足传感器电性能要求的前提下，VC 和VH 可以共用同一个电源电路。为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。 3.2.2 电压比较电路 电压比较电路用电压比较器实现。电压比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。 电压比较器是对两个模拟电压比较大小并判断出其中哪个电压高。如图3.2所示: .. 48 U1A 3 1 2 1458 .. (a) 电压比较器原理图 (b) 模拟电压比较曲线图 图3.2 电压比较器电路图及输出波形 3.3 触发电路 触发电路就是用555组成双稳态触发电路，由其输入状态改变输出状 [11]态，触发后续的执行电路。其基本电路如下图所示: 555时基电路是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙地结合在同一硅片上 的组合集成电路。它设计新颖，构思巧妙，因其内部含有电压比较器、基本R-S触发器、放电电路及驱动电路等，辅以适当外围分立元件后，被广泛应用于单稳态电路、施密特触发器、多谐振荡器、幅度鉴别器、波形发生器、延时发生器、定时器及电压-频率变换电路等，用途十分广泛。 图3.3 555组成的双稳态触发电路 在本次设计中应用LM555组成的双稳态触发电路如图3.4所示: 图3.4 应用LM555组成的双稳态触发电路 当空气洁净时，因气敏传感器电阻大，R和R分压小，比较器的输16 出为低电平，即V和V都为低电平，由功能表可知:V为高电平，即263NE555置位，此时继电器和D(LED，红)均不工作;同时为低电平，Q2 放电管V截止，相当断开，此时D(LED，绿)通过电阻R导通而发光。 14 当空气中存在烟雾时，因气敏传感器电阻变小(约为466)而使,R和R分压值增大，比较器同相输入端电压高于反相输入端，故V和162V同时为高电平，且复位端电压V也为高电平，由功能表可知:V为低643电平(V3相当接近0V), D(LED，红)导通发光，又为高电平，放Q2 电管V导通放电，将D(LED，绿)短路。同时继电器动作，使其常开1 两触点接通，从而驱动声光报警电路及排气通风装置工作。 3.4 声报警电路 该报警电路包括光报警电路组成部分。 该电路部分由两个发光二极管(绿、红)及其附属电路组成。 使用条件如下: 环境温度:,55,，85?; 相对温度:，40?时，达98%; 大气压力:达4400Pa; 振动:10,500Hz，加速度达49m/s2 ; 离心加速度:达245m/s2; 工作电压:12V; 线圈电阻:50?10%; 吸合电压?9V; 释放电压?2V; [13] 工作位置:任意。 电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称MER。它在电路中的文字符号为“K”或“KA”、“KR”(旧标准为“J”)。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的线圈J、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在线圈未通电时，触点1、2是闭合的，称常闭触点。1、3触点是断开的，称常开触点。线圈得电后则1、3接通，1、2断开。1、2、3三个触点为一组，继电器可以带多达7组触点。 当发现有烟雾超标时，继电器发生动作，常开触点闭合，常闭触点断 音乐片工作，通过三极管的放大作用推动扬声器工作，发出声音报警。 开， 在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为瞬间高压提供一个泄放回路，以保护电路。继电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或闭合，当继电器正常通电时，D截止，当继电器在断电时，1 线圈会产生感应电动势，极性为上„,?下„，?，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此时电路中的电流极大，若无二极管的保护，电流会向前一级流动，则发生灌电流损坏电路。二极管就是恰好构成了冲击电流的泄 [14]放回路，不至于发生灌电流现象。 3.5 排气通风装置 排风电路如图3.6所示: 图3.6 排风扇电路图 当空气中烟雾超标时，继电器动作，常开触点接通，驱动风扇工作，降低空气中有害气体的浓度，以确保室内人员的生命安全。 当空气中烟雾不超标时，继电器不动作，常闭触点接通，排气通风装置不工作。 继电器使用条件如下: 环境温度:,55,，85?; 相对温度:，40?时，达98%; 大气压力:达4400Pa; 振动:10,500Hz，加速度达49m/s2 ; 离心加速度:达245m/s2; 工作电压:12V; 线圈电阻:50?10%; 吸合电压?9V; 释放电压?2V; 电磁继电器属于簧片触点式继电器，简称MER。它在电路中的文字符号为“K”或“KA”、“KR”(旧标准为“J”)。其典型结构如下图所示。它由一个带铁心的线圈J、簧片、弹簧及若干合金触点构成。在继电器两端并联的二极管为泄放二极管，为瞬间高压提供一个泄放回路，以保护电路。继电器是利用电磁线圈通电后产生磁场，吸合簧片，使触点断开或闭合，当继电器正常通电时，D截止，当继电器在断电时，线圈会产生感应电1 动势，极性为上„,?下„，?，而线圈最大的特点是电流不能发生突变，此时电路中的电流极大，若无二极管的保护，电流会向前一级流动，则发生灌电流损坏电路。二极管就是恰好构成了冲击电流的泄放回路，不至于发 [14]生灌电流现象。 4 整机电路图 4.1 整体电路图及原理介绍 排风扇自动开关电路如图4.1所示，它是由转换元件为气敏半导体器件，它对香烟烟雾等刺激性气体有十分敏感作用，当烟雾达到一定浓度时，便自动启动排风扇将其排出室外。在平时，气敏传感器MQ—2为高阻值，继电器处于常开状态，排风扇及报警电路由于电源不通而停止工作。当车厢内的烟雾达到一定浓度后，气敏传感器电阻变小，继电器由常开到闭合状态，接通排风扇及报警电路电源，排风扇运转，将烟雾排出车厢，报警电路响应，提醒人们车厢内烟雾已造成空气污染，正在排除。 图4.1 整机电路图 结 论 第十七周是传感器课程设计，但是为了更好的完成这个设计，我提前一周就开始了资料的收集工作，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我在学校图书馆、网上查找各类相关资料，将这些宝贵的资料全部记下，尽量使我的资料完整、精确、数量多，这有利于课程设计的撰写。 在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，经过老师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。方案中自动排气扇的设计是个比较头疼的问题，在反复推敲、对比的过程中，才对各个电路明白、熟悉了起来。在进行电路连接的时候最需要注意的就是选用元器件以及各组件原理图了。为此我专门在网上找到了譬如 W7812、QM-N10、KD-9561、EO227等组件的原理图，设计出了继电器、555双稳态触发电路等电路模块，并最终完成了整个电路元器件的设计。 参考文献 [1] 童诗白.模拟电子技术基础[M].北京: 高等教育出版社,1988. 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