安防报警装置的设计.doc

1、摘 要报警器，是一种为防止或预防某事件发生所造成的后果，以声音、光、气压等形式来提醒或警示我们应当采取某种行动的电子产品。报警器经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾、感应检测等领域，与社会生产密不可分。本装置通过红外感应装置采集信号为后面电路提供信号，红外感应装置采集到的信号和连接在门上锁里的金属共同决定是否触发555定时器构成的单稳态触发器，若触发，此信号进入555定时器组成的延时电路，信号通过延时电路触发555定时器组成的多谐振荡器，然后振荡器使蜂鸣器发声。火警时，空气中的气体浓度增加，通过气敏传感器引起的电阻变化触发多谐振荡器，然后引起蜂鸣器发声。当门未关时，通过一

2、个非门使信号触发单稳态触发器，经过延时电路触发多谐振荡器，引起蜂鸣器发声。门未关时，信号通过延时电路，使多谐振荡器触发，引起蜂鸣器发声。由于本设计某些原件在仿真软件中不存在，比如，气敏传感器、 红外感应装置等，所以无法按所设计的电路仿真电路，在仿真时，只能用某些器件代替才能仿真。通过设计出来的电路能实现所要求的功能。555定时器是本装置所使用的最重要的器件。关键字：红外感应 555集成器 气敏传感器目 录引言1第1章 模拟电子技术部分1.1 红外感应电路1.2 QM-N5型气敏元件1.3 电源设计第2章 数字电子技术部分2.1 555集成电路2.2 555组成的单稳态触发器电路及原理2.3 5

3、55组成的多谐振荡器电路第3章 整体设计 3.1 系统方案图设计3.2 总的电路图3.3 电路图原理结论致谢参考文献附录引 言随着经济的发展,人们的生活日益改善，对生命和家庭财产安全越来越重视，采取了许多措施来保护家庭的安全。以往的做法是安装防盗门，防盗网，但这有碍美观，不符合防火要求，还不能有效地防止坏人的进入。现在，全国各地都在开展建设安全，文明小区的活动，而且很多地方都提出取消防盗网的口号，家庭电子防盗防火报警系统也就应运而生了。因为大多数家庭都是双职工，白天家里通常没有人，发生报警后，必须要有专人来处理，因此，必须设立报警中心。因为国内住宅区大多数是密集型分布，一个住宅区往往有成百上千

4、户，并且都有自身的保安队伍，因此当用户防盗防火报警系统报警时，除了在现场报警外，还需向当地派出所或公安分局进行报警，也需要向住宅小区的保安中心进行联网报警，以便警情得到迅速处理。国家建设部规定,目前住宅小区应实现六项智能化要求,其中包括实行安全防范系统自动化监控管理,住宅的火灾,有害气体泄漏实行自动报警,火灾报警系统应是以烟、 温及可燃气体等探测器为主体。防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器,系统应能与计算机安全综合管理系统联网,计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。 第1章 模拟电子技术部分1.1 、红外感应电路1.1.1、红外对管 红外对管是红外线发射管与光敏接收管，或

5、者红外线接收管，或者红外线接收头配合在一起使用时候的总称。英文翻译是ITR。红外线接收管图1.1，红外线接收头图1.2和光敏接收管图1.3图1.1.1 图1.1.2图1.1.3在这里我们选用红外线接收头，它就是在红外线接收管的基础上增加了对微弱信号进行放大的处理的电路，类似与三极管的放大效果接收管是一个具有光敏特征的PN结，属于光敏二极管，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流（暗电流）。此时光敏管不导通。当光照时,饱和反向漏电流马上增加，形成光电流,在一定的范围内它随入射光强度的变化而增大。简而言之就是在接收管接收到红外线时可以输出一定的电流。类似结构图1

6、.1.4 图1.1.4我们将它安装在门缝上，这样门关是红外线接收头接收到红外线发射管发射出的红外线，整个电路输出高电平供下一级电路的使用与判断。当门打开时则不输出高电平1.1.2、红外线感应器红外线感应器（图1.1.5）是根据红外线反射原理研制的当人体的手或身体的某一部分在红外线区域内，红外线发射管发出的红外线由于人体手或身体摭挡反射到红外线接收管，通过集成线路内的芯片处理后将信号发送给下一级电路，当人体的手或身体离开红外线感应范围时，信号消失。图1.1.5图1.1.6图1.1.7如今，红外线感应器已经被应用于许多地方，比如厕所的节水开关（图1.2.2），楼道灯泡开关（图1.2.3），防盗装置

7、等等。红外线感应装置不但安装方便，并且现在关于红外线的技术已经比较成熟非常适合于安防装置上的使用。1.2、 QM-N5型气敏元件QM-N5型气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件，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：1、 用于可燃性气体的检测（CH4、C4H10、H2等）2、 灵敏度高3、 响应速度快4、 输出信号大5、 寿命长，工作稳定可靠 技术指标： 加热电压（Vh） AC或DC 50.2V响应时间(trec)10S回路电压（Vc）最大DC 24V恢复时间(trec)30S 负载电阴（Rl）2K元件功耗0.7W清洁空气中电阻 （Ra） 2

8、000 K检测范围5010000ppm灵敏度（S=Ra/Rdg）4(在1000ppmC4H10中)使用寿命2年QM-N5型半导体气敏元件是以金属氧化物SnO2为主体材料的N型半导体气敏元件,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的检测(CH4,C4H10,H2等)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DC 50.5V回路电压(VC) 最大DC 24V负载电阻(RL) 2K清洁空气中电阻(Ra) 4000K灵敏度(S=Ra/Rdg) 4(在1000ppmC4H10中)响应时间(tres) 10S恢复时间(tre

9、c) 30S检测范围 50-10000ppm 基本测试电路 使用方法及注意事项 元件开始通电工作时,没有接触可燃性气体,其电导率也急剧增加1分钟后达到稳定,这时方可正常使用,这段变化在设计电路时可采用延时处理解决. 加热电压的改变会直接影响元件的性能,所以在规定的电压范围内使用为佳. 元件在接触标定气体1000ppm C4H10后10秒以内负载电阻两端的电压可达到(Vdg- Va)差值的80%(即响应时间);脱离标定气体1000ppm C4 H1030秒钟以内负载电阻两端的电压下降到(Vdg- Va)差值的80%(即恢复时间). 符号说明检测气体中电阻- Rdg 检测气体中电压- VdgRdg

10、 与Vdg的关系: Rdg=RL(VC/Vdg-1) 负载电阻可根据需要适当改动,不影响元件灵敏度. 使用条件:温度-1535;相对湿度4575%RH;大气压力80106KPa 环境温湿度的变化会给元件电阻带来小的影响,当元件在精密仪器上使用时,应进行温湿度补偿,最简便的方法是采用热敏电阻补偿之. 避免腐蚀性气体及油污染,长期使用需防止灰尘堵塞防爆不锈钢网. 元件六脚位置可与电子管七角管座匹配使用. 使用元件前请详细参看本说明。1.3、电源设计 直流电源是本装置的能量源，为装置的芯片和电路提供电能。作为常用的器件我们要利用220V50Hz交流电，将它转化为我们所需的+5V的直流电。图1.3.1

11、电源变压器：将交流电网电压U1变为合适的交流电压U2。整流电路：将交流电路U2变为脉动的直流电压U3。滤波电路：将脉动的直流电压U3转变为平滑的直流电压U4。稳压电路：清除电网波动及负载变化的影响，保持输出电压Uo的稳定。图2-2对应的电路图为下图（图1.3.2） 图1.3.2 本例中的整流电路为桥式整流电路（BRIDGE RECTIFIERS）桥式整流电路利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。 桥式整流是交流电转

12、换成直流电的第一个步骤。 滤波电路中当U2为正半周并且数值大于电容两端电压Uc时，二极管D1和D3管导通，D2和D4管截止，电流一路流经负载电阻RL，另一路对电容C充电。当UcU2，导致D1和D3管反向偏置而截止，电容通过负载电阻RL放电，Uc按指数规律缓慢下降。当U2为负半周幅值变化到恰好大于Uc时，D2和D4因加正向电压变为导通状态，u2再次对C充电，Uc上升到U2的峰值后又开始下降；下降到一定数值时D2和D4变为截止，C对RL放电，Uc按指数规律下降；放电到一定数值时D1和D3变为导通，重复上述过程。得到的如图1.3.3的波形 再通过由稳压管组成的稳压电路进行稳压控制形成比较稳定的电压。

13、 图1.3.3第二章 数字电子技术部分2.1、555集成电路在数字系统中，为了使各部分在时间上协调动作，需要有一个统一的时间基准。用来产生时间基准信号的电路称为时基电路。时基集成电路555就是其中的一种。它是一种由模拟电路与数字电路组合而成的多功能的中规模集成组件，只要配少量的外部器件，便可很方便的组成触发器、振荡器等多种功能电路。因此其获得迅速发展和广泛应用。 时基集成电路555工作原理如下：图2.1.1（a）所示为555时基电路内部电路图。管脚排列如图2.1.1（b）所示。整个电路包括分压器，比较器，基本RS触发器和放电开关四个部分。图2.1.1 555定时器内部框图和引脚排列（1）分压器

14、 由三个5kW的电阻串联组成分压器，其上端接电源VCC（8端），下端接地（1端），为两个比较器A1、A2提供基准电平。使比较器A1的“+”端接基准电平2VCC3（5端），比较器A2的“-”端接VCC3。如果在控制端（5端）外加控制电压。可以改变两个比较器的基准电平。不用外加控制电压时，可用0.01mF的电容使5端交流接地，以旁路高频干扰。（2）比较器A1、A7是两个比较器。其“+”端是同相输人端，“-”端是反相输入端。由于比较器的灵敏度很高，当同相输入端电平略大于反相端时，其输出端为高电平；反之，当同相输入端电平略小于反相输人端电平时，其输出端为低电平。因此，当高电平触发端（6端）的触发电平大

15、于2VCC3时，比较器A1的输出为低电平；反之输出为高电平。当低电平触发端（2端）的触发电平略小于VCC3时，比较器A2的输出为低电平；反之，输出为高电平。（3）基本RS触发器 比较器A1和A2的输出端就是基本RS触发器的输入端RD和SD。因此，基本RS触发器的状态（3端的状态）受6端和2端的输入电平控制。图中的4端是低电平复位端。在4端施加低电平时，可以强制复位，使Q=0。平时，将4端接电源VCC的正极。（4）放电开关图中晶体管VT构成放电开关，使用时将其集电极接正电源，基极接基本RS触发器的Q端。当Q=0时，VT截止；当Q=1时，VT饱合导通。可见晶体管VT作为放电开关，其通断状态由触发器

16、的状态决定。 从CA555时基电路的内部等效电路图中可看到，VTl-VT4、VT5、VT7组成上比较器Al，VT7的基极电位接在由三个5k电阻组成的分压器的上端，电压为2/3VDD；VT9-VT13组成下比较器A2，VTl3的基极接分压器的下端，参考电1/3VDD。在电路设计时，要求组成分压器的三个5k电阻的阻值严格相等，以便给出比较精确的两个参考电位1/3VDD和2/3VDD。VTl4-VTl7与一个4.7k的正反馈电阻组合成一个双稳态触发电路。VTl8-VT21组成一个推挽式功率输出级，能输出约200mA的电流。VT8为复位放大级，VT6是一个能承受50mA以上电流的放电晶体三极管。双稳态

17、触发电路的工作状态由比较器A1、A2的输出决定。 对等效功能电路和CA555时基电路的内部等效电路的分析，可得出555各功能端的真值表。 引脚26437电平1/3VDD1.4V*高电平悬空状态电平1/3VDD2/3VDD1.4V低电平低电平电平2/3VDD1.4V保持电平保持电平*0.3V低电平低电平由表可看出，S、R、MR的输入不一定是逻辑电平，可以是模拟电平，因此，该集成电路兼有模拟和数字电路的特色。2.2、555组成的单稳态触发器电路及原理2.2.1电路组成 图2.2.1所示是用555定时器构成的单稳态触发器。R、C是定时元件，ui是输入信号，下降沿有效，加在555的 端（2脚），u0是

18、输出信号。图2.2.1、555定时器构成的单稳态触发器2.2.2工作原理 （1）没有触发信号时电路工作在稳态无触发信号即ui为高电平时，电路工作在稳定状态Q=0、Q(_)=1,u0=UOL , TD饱和导通。若接通电源后，ui=UiH , 555定时器中基本RS触发器是处在0状态，即Q=0、 Q()=1 、u0=UOL 、TD 饱和导通，则这种状态将保持不变。若接通电源后，ui=UiH ，555定时器中基本RS触发器是处在1状态，即Q=1、 Q()=0 、u0=UOH 、TD 截止，则这种状态是不稳定的，经过一段时间之后，电路会自动地返回到稳定状态。因为TD截止，电源VCC会通过R对C进行充电

19、，uC将逐渐升高，当uc=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，将基本RS触发器复位到0状态，Q=0、 =Q()，U0=UOL为低电平，TD饱和导通，电容C通过TD迅速放电，使uc0,即电路返回到稳态。（2）Ui下降沿触发当Ui下降沿到来时，电路被触发，立即由稳态翻转到暂稳态Q=1、=Q() .u0=UOH、 TD截止。因为ui=由高电平跳变到低电平时，比较器C1的输出跳变为0，基本RS触发器立刻被置成1状态，立即稳态。（3）暂稳态的维持时间在暂稳态期间，电路中有一个定时电容C充电的渐变过程，充电回路是VCCRC地，时间常数为1=RC，在电容上电压uc=uTH上升到2VCC/3以前，显

20、然电路将保持暂稳态不变。（4）自动返回（暂稳态结束）时间随着C充电过程的进行，uC=uTH逐渐上升，当uC=uTH上升到2VCC/3时，比较器C1输出0，立即将基本RS触发器复位到0状态，即Q=0、Q()=1 、u0=UOL、 TD饱和导通，暂稳态结束。（5）恢复过程 当暂稳态结束后，定时电容C将通过饱和导通的晶体三极管TD放电，时间常数2RCESC（RCES是TD的饱和导通电阻，很小），经352后，C放电完毕，uC uTH 0，恢复过程结束。 恢复过程结束后，电路返回到稳定状态，单稳态触发器又可 接收新的输入触发信号。图2.2.2所示是单稳态触发器的工作波形图。 图2.2.22.2.3、55

21、5组成的单稳态触发器电路的延时功能由555定时器连接而成的单稳态触发器，利用它的功能进行延时。由555定时器构成延时电路如下图2.3.1。图2.3.12.3、555组成的多谐振荡器电路2.3.1多谐振荡器工作原理由555定时器组成的多谐振荡器如图2.3.1所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图2.3.2所示。图2.3.1 图2.3.2设电容的初始电压，t时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），触发器置，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由翻转为

22、，这时，触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平。时刻，上升到，比较器的输出由变为，这时，触发器复，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由变为，触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，R-S触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。2.4.2、振荡周期由图2.4.2可知，振荡周期

23、。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。对于矩形波，除了用幅度，周期来衡量外，还有一个参数：占空比q，q=（脉宽）/（周期T），指输出一个周期内高电平所占的时间。图2.4.1所示电路输出矩形波的占空比。 第三章、整体设计3.1、系统方案图设计红外感应电路单稳态触发电路延时电 路门未关多谐振荡电路报警器气敏传感电路电源电路安防报警装置系统设计方案框图3.2 、总的电路图图3.2.13.3、电路图原理图3.2.1为总的电路图，该电路主要由一个QM-N5气敏传感器、红外感应装置和由555定时器组成的单稳态触发器、单稳延

24、时电路及多谐振荡器组成。QM-N5和电位器Rw等组成烟雾检测器，当可燃气体或烟雾超过一定的浓度时，A-B间的电阻变小，结果B点电位升高且足以使三极管T3导通，C点呈高电平，相应又触发由IC3（555）、R8、R9、C6等组成的多谐振荡器起振，驱动扬声器发声报警，同时相应的指示灯会发光，以提醒用户注意。IC3（555）的振荡频率约为1.44/（R8+2R9）C7，图中所示参数对应的频率约为1000HZ。同时调解电位器Rw可改变报警器的阀值。IC1（555）、R1和C1等组成单稳态触发器，金属片M与门锁的金属部分相连，当有人开锁时，红外感应装置感应到人发出的红外信号，同时人的信号通过金属片M进入电

25、路(考虑到信号很弱，应该使用一个放大器)，然后这两个信号通过一个与门整合成一个信号，此信号使IC1触发置位，3端输出的高电平使三极管T1导通，T2截止。IC2（555）、C4和R4组成单稳延时电路，延时时间td=1.1R4C4，图中参数对应的延时时间约为60秒钟，以使主人开门后关掉报警器电源；而对小偷来讲，其因破门开锁需一定的时间，一般会超过60秒钟，IC2输出的单稳态脉冲触发IC3等组成的多谐振荡器，驱动扬声器发声报警，同时相应的指示灯会发光。当门未关时，通过一个非门，信号使IC1等组成的单稳态触发器触发置位，3端输出的高电平使三极管T1导通，T2截止。信号通过IC2等组成单稳延时电路，IC

26、2输出的单稳态脉冲触发IC3等组成的多谐振荡器，是扬声器发声报警，同时相应指示灯会发光。此延时电路延时时间约为60秒，当门打开的时间超过此时间，扬声器就会发声报警，提示主人。本电路可与电子锁、电子机械锁、普通门锁等一起使用，作为家用或库房的防火防盗报警装置，当有人破门开锁或发生煤气泄漏、火灾时，电路会发出报警声。结论通过此次关于安防报警装置的课程设计，使我更加扎实的掌握了有关555定时器方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践是检验真理的唯一标准。 过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中

27、，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！ 课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大思考的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有

28、了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；了解了电路的连线方法；以及如何提高电路的性能等等，通过查询资料，也了解了报警器的构造及原理。 我认为，在这为其两周的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。 回顾起此课程设计，至

29、今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这两周里，我学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但是最终都得到了合理的解决。 实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。 由于本设计所需要的某

30、些元器件在仿真软件中无法表示，比如，QM-N5气敏传感器、红外感应装置，所以无法仿真电路。但我们在仿真时用开关模拟这些元器件在电路中所起到的作用，这样我们才能仿真电路，虽然没有按自己设计的电路那样仿真，但是也相应的仿真的一下，不然无法检验自己的电路是否可行，是否合理。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。致 谢 在此次设计课程中，由于理论知识的不足，再加上平时没有什么设计经验，一开始的时候有些手忙脚乱，不知如何入手。但在老师的辛勤指导下，和同学们的热心帮助下，使我顺利完成了设计。当我在设计中遇

31、到困难时，高文根老师的指导，能使我快速的把问题解决。在这里，我衷心的感谢高文根老师和帮助我的同学们，让我完成了本次课程设计。作者： 2011 年 6 月 23 日参考文献1 赵勇，胡涛. 传感器与检测技术 M.机械工业出版社，20102 李永生，杨莉玲. 半导体气敏元件的选择性研究 J. 传感器技术，20023王元庆. 新型传感器原理及应用M 北京：机械工业出版社，20024 孙惠康.电子工艺实训教程 M.北京：机械工业出版社，20015 姚斌.电子元器件与电子实习实训教程 M .北京：机械工业出版社，20096 王卫平.电子工艺基础M.北京：电子工业出版社，1997.7 童诗白、华成英.模拟

32、电子技术基础 M.北京：高等教育出版社，20068 阎石.数字电子技术基础 M.北京：高等教育出版社，20069 崔瑞雪、张曾良,电子技术动手实践 M.北京:北京航空航天大学出版社,200710中国集成电路大全编写委员会.中国集成电路大全.CMOS集成电路 M北京: 国防工业出版社,198511李燕民、温照方.电工和电子实验教程 M.北京：北京理工大学出版社，2006.312夏全福.电工实验及电子实验教程 M.武汉：华中科技大学出版社，2002.913陈新龙、胡国庆.电工电子技术基础教程 M.北京：清华大学出版社，2006.7附 录附录A 总电路原理图电源部分电路图附录B电路元器件清单器件名称型号（或参数）数目芯片555定时器3 QM-N5气敏传感器1红外感应装置174LS04174LS081电阻2M11M1100K175K17.5K11K13902电容100F147F122F10.01F4二极管IN4007（硅管）2LED指示灯3三极管NPN3 .