烟雾报警器系统研究与设计.doc

目录摘要：3一 前言3二 电路图4三 电路的组成4（1）电路检测器电路4（2）声光报警器电路4四 电路的工作原理4（1） 振荡模块5（2）前段电路模块5（3）光电耦合模块5五 光电耦合器6VLC内部结构和管脚排列6六 元器件的选择及其分析71电阻72电容83二级管84扬声器95开关106三极管107导线若干10七 电路装置，调试及其故障分析111元器件检测112电路板的规划及其元器件的安装11谢辞12参考资料12声光停电报警器摘要：该电路系统由电路检测器和声光报警器两部分组成，其系统电路是采用光耦合器来检测电路情况，当电网停电时就给声光报警器发出声光报警信号以提醒。 关键字：光电耦合器，无源报警器 一 前言 在电子科学技术高速发展的今天, 电子产品越来越多的应用在我们的日常生活中,像日常我们工作所用的电脑,手机等等,这些高科技产品给我们带来了极 大的方便,这要归功于科学技术的高度发达.如今,日常生活也越来越走向电子化.声光停电报警器就是其中的一个典型的例子，它的电路主要包括振荡电路, 整流电路和光电耦合电路三大部分. 声光停电报警器涉及到模拟电子技术和数字电子技术中的相关知识.特别是对一些电路的分析都涉及到模拟电子技术中所讲到的知识以及面对电路时的分析方法,思路.通过对本设计的模块式的分开分析.我们把原本复杂的电路简单化,部分化,最后再把每部分有机的结合起来,这样大大提高了工作效率,同时思路是相当明确. 二 电路图 声光停电报警器的电路的原理图如图所示： 三 电路的组成 声光停电报警器主要由电检测器电路和声光报警器两部分组成。（1）电路检测器电路电检测器电路主要由二极管VD，电阻器R1，R2，电容器C1，发光二极管VL1和光耦合器VLC内部的发光一极管组成 。 （2）声光报警器电路声光报警器电路由VLC内部的光敏晶体管，电阻器R3，R4电容器C2，晶体管V1，V2，发光二级管VL2和扬声器BL组成。四 电路的工作原理 在电路正常时，交流220V电压经过VD整流，C1滤波后分为两路；一路经过R1限流降压后将VL1点亮；另一路径R2限流降压后将VLC内部的发光二极管点亮。VLC内部的光敏晶体管受光照射后导通，使V1的基极变为低电平，由V1，V2和R3，R4，VL2组成的音频振荡器不振荡，BL不发声，VL2不发光。 当电路停电时，VL1和VLC内部的发光二极管熄灭，VLC内部的光敏晶体管截止，音频振荡器工作，BL发出报警声，VL2闪烁发光。（1） 振荡模块 此模块电路是声光停电报警器的主题电路，它是由V1，V2和R3，R4，VL2组成的音频振荡器正是这部分电路的输出决定BL和VL2接收的信号通常的振荡电路有4部分组成；放大电路，反馈网络，稳幅环节，选频网络组成。其中反馈电路是正反馈电路，放大器的输入端外加输入信号Ui为一定频率和幅度的正弦波,此信号经过放大器放大输出信号 Uo,而它又作为反馈网络的输 入信号,在反馈网络的输出端产生反馈信号 Uf.如果把反馈信号 Uf,作为输入 端的输入信号 Ui 输入放大器,当 Ui 与 Uf 的大小相等且相位相同,输入端可维 持一定频率和幅度的信号 Uo 的输出,从而实现自激振荡. 为了使振荡电路输出一个固定的频率正弦波, 要求自激振荡只能在某一频率 上产生,而在其他频率上不能产生,因此振荡电路必须有选频网络,使得只有通 过选频网络输出的信号 Uf 和 Ui 相同的条件而产生自激振荡, 而其他的频率不能 满足条件产生不了自激振荡.（2）前段电路模块这部分的电路的主要作用是输出直流电压，通过电路把实际外电网中的220V交流电整流成所用的直流电，整流后得到的电压约为15V的直流电。直流电基本分三条支路流动:直流电一路经R1使VT1发光，表示电网供电正常;另一路经R2注入VLC的1脚，使VLC内藏发光管通电发光，因而VLC内藏光敏三极管导通。VLC的5脚为低电平，输出低电平，振荡器停振，BL无声，VL2熄灭;真流电的第三条支路是经R4向C2充上约15V直流电。电路构成及工作原理电路构成整流稳压电路是有VD和C1组成电路。如上图所示图中最左端为220V交流电输入端，电容C1起电容滤波的的作用，二极管VD是整流稳压的主题，它有把常用交流电转换成本实验直流电的作用。形成电容滤波电路，可以获得平滑的直流电压。电路的工作原理可归纳为二极管导通，截止的过程当二极管输入电压Ui上端为+时，VD导通，于是得到整流的效果，。发光二极管的工作此外此整流稳压电路模块包含一个:发光二极管的点亮功能。该功能具有指示作用，它的正常点亮表示电网正常供电。当外电网正常供电时，经过电路的作用后，电容C2的+端产生约+15V的直流电。直流电流过电阻R1，点亮发光二极管VL1这说明此时外电网220V，供电正常。如果外电网供电中断，电容C2所存储的电荷通过R4，VL2和 BL泄放，很快降到0V，所以VL1不亮。当外电网通电时，整流稳压电路产生+15V的直流电，VL1灯再次被点亮。 （3）光电耦合模块 这部分是可以说整个设计的控制部分，有承前启后的作用。此模块的主要元件是光电耦合器VLC，它有着特殊的构造，对后面电路有控制作用。根据前面电路所提供的电流，VLC的输出端可以产生电平，这电平控制着后面的振荡电路。电路构成及工作原理1电路构成由电路图看出，光电耦合器VLC的输入端与电阻R2相连，光电耦合器的一引脚接地，其实这是一个发光二极管发光电路。光电耦合器的一引脚(内部接光敏三极管的集电极)接的是振荡电路部分。光电耦合器VLC是由发光二极管与光敏三极管封装在一起的。2电路的工作原理电路的工作原理可以说是特殊二极管与特殊三极管的联合作用。前段电路所产生的直流电经过R2流过光电耦合器的发光二极管，发光二极管会发光。光照在光敏三极管的光敏部分，光敏三极管导通，三极管的集电极产生低电平，输出的为低电平，同样经过振荡电路，这时给BL和VL2的电信号为低电平，当外网220V电压中断，前段电路不能输出直流电，没有电流通过发光二极管，二极管不发光，光敏三极管截止，三极管的集电极产生高电平，同样经过振荡电路，这时BL和VL2的输入端B为高电平，所以发出报警声VL2闪烁。光敏三极管的工作原理和普通三极管的结构相类似。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，当有光照射在基区时，激发产生的电子-空穴对增加了少数载流子的浓度，使集电结反向饱和电流大大增加。因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管。 五 光电耦合器 VLC光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管，光敏三极管等等。在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。 VLC内部结构和管脚排列内部是一个发光二极管与光敏三极管的组合封装而成，外部为六引脚的集成电路。它采用双列直插式6脚塑封包装，其中3，6脚为空脚，只用其1，2和4，5四脚，其中2，4脚为接地脚(GND)。 组成光电耦合器的主要结构 把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内，然后利用发光器件的管脚作输入端，而把光接收器的管脚作为输出端。这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。从而实现了以光为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。 发光二极管发光二极管即LED是应用相当广泛的元件，由于本身有可点亮这一特性，常常作为指示灯。从外观上看发光二极管有两个引脚，一长一短，长引脚接正极，短引脚接负极。图b)是等效成理想情况下发光情景。虽然在它的两端直接接上3V的电压后能够发光，但容易损坏，在实际使用中一定要串接限流电阻。 光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出。它通常和发光二极管一起使用，构成光电耦合元器件。 光敏三极管也是靠光的照射量来控制电流的器件。它可等效看作一个光电二极管与一只晶体三极管的结合，所以它具有放大作用。一般仅引出集电极和发射极，其外形与发光二极管一样。不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，光敏三极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电由基极进入发射极，从而在集电极得到一个放大了相当于倍的信号。 六 元器件的选择及其分析 1电阻 电阻，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸，材料，温度有关。欧姆定律说，I=U/R，那么R=U/I，电阻的基本单位是欧姆，用字母表示。电阻的主要职能就是阻碍电流流过，并对电路有分压作用，如二极管的电路中经常有电阻起限流作用。在本实验中电阻全部采用RTX-1/8W型碳膜电阻。碳膜电阻器常用符号RT作标志，R代电阻器，T代表材料是碳膜，RTX表示小型碳膜电阻，而1/8W表示电阻的额定功率。碳膜电阻器的性能特点:稳定性良好，负温度系数小，高频特性好，受电压和频率影响较小，噪声电动势较小，脉冲负荷稳定，阻值范围宽，因其制作容易，生产成本低。价廉，故应用非常广泛。(1)电阻的标识在国际上惯用色环标注法。色环电阻占据着电阻器元件的主流地位。色环电阻有的是用4个色环表示，有的用5个。区别是:4环电阻，一般是碳膜电阻，用3个色环来表示阻值，用1个色环表示误差。5环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用4个色环表示阻值，另一个色环也是表示误差。色环电阻的规则是最后一圈代表误差，对于四环电阻，前二环代表有效值，第三环代表乘上的次方数。对于五环电阻，前三环代表有效数字，第四换代表几次方。熟记以下色换代表的有效数值:棕=1红=2，橙=3，黄=4，绿=5，蓝=6，紫=7，灰=8，白=9，黑=0对于最后一个色环即误差色环，它主要有三种颜色:黄金色代表5%的误差，银色代表10%的误差，无色代表20%的误差。(2)电阻色环法的读数如有四环电阻，读出它的色环为:红蓝橙黄。对照上述规则知R=27*103=27K对于五环电阻，读出它的色环:红棕黄红银。得出R=21。4K。在读环过程中谨记环的顺序，不要把环读颠倒，一般看见第一环是黄，银，白，那就读错了，误差换才是这三种颜色。(3)电阻阻值的测量电阻的阻值可用万用表的欧姆档测量，欧姆可分为，K，M。由于电阻并没有方向性，所以测试阻值时表笔并没有方向，不过在测电路中的的电阻时最好断掉电源，电路中的电流会影响最后测量结果。(4)敏感电阻器常识a。热敏电阻:是一种对温度极为敏感的电阻器。分为正温度系数和负温度系数电阻器。b。光敏电阻:阻值随着光线的强弱而发生变化的电阻器，一般虽光强度的增加，电阻值减小。本次实验中R1，R2均采用1/2W金属膜电阻器；R3和R4均采用1/4金属膜电阻器。 2电容 电容器是一种储能元件，在电路中用于调谐，滤波，耦合，旁路，能量转换和延时。电容器通常叫做电容。本电路我们选用的是电解电容和元片电容，它们分别用于滤波，存储电荷，耦合等。电容的选用选用常识不同电路应该选用不同种类的电容。揩振回路可以选用云母，高频陶瓷电容，隔直流可以选用纸介，涤纶，云母，电解，陶瓷等电容，滤波可以选用电解电容，旁路可以选用涤纶，纸介，陶瓷，电解等电容。主要性能指标标称容量和允许误差: 1电容器储存电荷的能力，常用的单位是F，uF，pF。电容器上标有的电容数是电容器的标称容量，一般，电容器上都直接写出其容量，也有用数字来标志容量的，通常在容量小于10000pF的时候，用pF做单位，大于10000pF的时候，用uF做单位。为了简便起见，大于100pF而小于1uF的电容常常不注单位。没有小数点的，它的单位是pF，有小数点的，它的单位是uF。如有的电容上标有332(3300pF)三位有效数字，左起两位给出电容量的第一，二位数字，而第三位数字则表示在后加0的个数，单位是pF。 2电容器检测的一般方法电解电容器的检测A因为电解电容的容量较一般固定电容大得多，所以，测量时，应针对不同容量选用合适的量程。根据经验，一般情况下，147F间的电容，可用R1k挡测量，大于47F的电容可用R100挡测量。B若怀疑电解电容只在通电状态下才存在击穿故障，可以给电路通电，然后用万用表直流挡测量该电容器两端的直流电压，如果电压很低或为0V，则是该电容器已击穿。本次实验C1采用耐压值为450V的CBB电容器；C2采用独石电容器。 3二级管半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种元素是硅和锗，而最常见，最基础的半导体元件就是二极管，它的特性就是单向导电性。（1）、基本知识二极管是有PN结构成:N区是由于原来硅材料中的+4价的硅原子被+5价原子替代，导致N区空穴减少形成N型半导体;P区是由于原来硅材料中的+4价的硅原子被+3价的原子替代，所以余下大量的空穴，导致P区电子减少形成P型半导体;当在同一块半导体中形成两种半导体时，交界面就发生扩散，形成杂质离子空间电荷区，同时建立内电厂。当PN结上加偏置电压时，若P区接电源正极，N区接电源负极，则称正偏;若N区接电源正极，P区接电源负极，则称反偏。当正偏时PN结呈现很小电阻，阻值近似为0，称为导通;反偏时，内电场增强，PN结呈现很大电阻，称为截止。（2）、二极管的结构常见的几种二极管，有玻璃封装的，塑料封装的和金属封装的等几种。四个工作区:死区(正向)，导通区(正向)，反向截止区(反向)，击穿区(反向)（3）、检测小功率晶体二极管A，判别正，负电极(a)，观察外壳上的的符号标记。通常在二极管的外壳上标有二极管的符号，带有三角形箭头的一端为正极，另一端是负极。(b)，以阻值较小的一次测量为准，黑表笔所接的一端为正极，红表笔所接的一端则为负极。（4）、特殊二极管A。光敏二极管:光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小，只有很微弱的暗电流。当有光照时，光子打在pn结附近，于是在pn结附近产生电子-空穴对，它们在pn结内部电场作用下作定向运动，形成光电流。光照越强，光电流越大大。A-1。光敏二极管的两种工作状态光敏二极管又称光电二极管，它是一种光电转换器件，其基本原理是光照到P-N结上时，吸收光能并转变为电能。它具有两种工作状态:(1)当光敏二极管加上反向电压时，管子中的反向电流随着光照强度的改变而改变，光照强度越大，反向电流越大，大多数都工作在这种状态。(2)光敏二极管上不加电压，利用P-N结在受光照时产生正向电压的原理，把它用作微型光电池。iA-2。光敏二极管的简易检测方法用万用表1k档，测正向电阻约10k左右。Ml(H|-龙川电脑站-www。laolong。net收集!欢迎复制!-vT_1/在无光照情况下，反向电阻应为1，则管子是好的，反向电阻不是1，说明漏电流大;有光照时，反向电阻应随光照增强而减小，阻值小至几k或1k以下，管子即是好的;若正，反向电阻都是1或零，管子是坏的。A=!)B。稳压二极管工作原理:稳压二极管又叫齐纳二极管，是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普通二极管相似，由于它在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用电压，通过串联就可获得更多的稳定电压稳定用:稳压管在准确的电压下击穿，这就使得它可作为限制或保护之元件来使用，因为各种电压的稳压二极管都可以得到，故对于这种应用特别适宜。本次实验VL1和VL2选用3mm和5mm的高亮度发光二极管，VL1为绿色，VL2 为红色。VD选用1N4007型硅整流二极管。 4扬声器 扬声器上一般都标有标称功率和标称阻抗值，例如0。25W8。一般认为扬声器的口径大，标称功率也大。在使用时，输入功率最好不要超过标称功率太多，以防损坏。万用表R1电阻档测试扬声器，若有咯咯声发出说明基本上能用。测出的电阻值是直流电阻值，比标称阻抗值要小，是正常现象。本次实验选用0.25W，8的微型电动式扬声器。5开关 本次实验选用小型单极拨动式开关 6三极管三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。由于不同的组合方式形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。 三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观如图，大的很大，小的很小。三极管的电路符号有两种：有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 电子制作中常用的三极管有9 0系列，包括低频小功率硅管9013（NPN）、9012（PNP），低噪声管9014（NPN），高频小功率管9018（NPN）等。它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。在老式的电子产品中还能见到3DG6（低频小功率硅管）、3AX31（低频小功率锗管）等，它们的型号也都印在金属的外壳上。我国生产的晶体管有一套命名规则，电子爱好者最好还是了解一下：第一部分的3表示为三极管。 第二部分表示器件的材料和结构，A： PNP型锗材料 B： NPN型锗材料 C：PNP型硅材料 D：NPN型硅材料 第三部分表示功能，U：光电管 K：开关管 X：低频小功率管 G：高频小功率管 D：低频大功率管 A：高频大功率管。另外，3DJ型为场效应管，BT打头的表示半导体特殊元件。 三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数。当三极管的基极上加一个微小的电流时在集电极上可以得到一个是注入电流倍的电流即集电极电流。集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。 三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。本次实验V1选用S9013型硅NPN晶体管；V2选用C8550型硅PNP晶体管。 7导线若干七 电路装置，调试及其故障分析 1元器件检测检测元器件所用的工具:万用表按照第四章所介绍的元器件的检测方法用万用表检测无源停电报警器电路中所用到的元器件电阻，电解电容，元片电容，二极管，发光二极管，扬声器。检测结果:一切良好。 2电路板的规划及其元器件的安装 原理图的绘制原理图设计的一般步骤:1，启动ProtelDXP原理图编辑器 2，设置电路原理图的大小与版面 3，从元器件古取出所需元器件放置在工作平面 4，根据设计需要连接元器件 5，对布线后的元器件进行调整 6，保存已绘好的原理图文档 元器件安装 对于本单元的元器件安装就是依照电路图将所选元件连接到规划好的电路板上，连接模块时注意元器件要按照电路图所示逐个的进行连接，要分类进行。 连接电阻时要分清电阻的阻值和类别。集成块的安装要对应好了方可安装。装配时注意；尽可能的按照电路图使电路板上的元器件依次安装，导线连接时应根据其走向及布局放置尽可能的避免交叉重叠，应使人能够一眼就可看出电路的走向。 （3）手工焊接对插装在电路板上的元器件进行手工焊接焊接工具:电烙铁。(1)电烙铁是最常用的焊接工具。我们使用20W内热式电烙铁使用前，应用细砂纸将烙铁头打光亮，通电烧热，蘸上松香后用烙铁头刃面接触焊锡丝，使烙铁头上均匀地镀上一层锡。这样做，可以便于焊接和防止烙铁头表面氧化。旧的烙铁头如严重氧化而发黑，可用钢挫挫去表层氧化物，使其露出金属光泽后，重新镀锡，才能使用。(2)一个牢固的焊接点要求使用一个上锡良好的，保持良好的烙铁头，温度在焊锡的液化温度之上大约100F。烙铁头上的焊锡改善来从烙铁的快速热传导，预热工件。最好的方法是在少于5秒的时间内完成焊接点，最好是大约3秒钟。快速地把加热和上锡的烙铁头接触带芯锡线，然后接触焊接点区域，用熔化的焊锡帮助从烙铁到工件的最初的热传导。然后把锡线移开将要接触焊接表面的烙铁头。焊接注意:温度小于280焊接时间要少于3秒;使用恒温焊锡;重复焊接少于3次，间隔大于5分钟。 4电路的调试，故障分析及其结果 电路装接完毕，必须仔细的检查一遍，特别是二极管，稳压二极管，发光二极管和电解电容的极性不要搞错，VLC的引脚不要放错位置。通220V电压时，万用表测量电解电容C2的正极电压，大概在+15V左右。谢辞 在这次毕业论文的完成过程中，得到许多老师和同学的帮助与鼓励，使我能够顺利地完成毕业设计，我在此对他们表示衷心的感谢。首先，我诚挚地感谢我的导师。他严谨的治学态度、对知识不懈的追求，必将使我受益终身。老师在毕业设计过程中给予了我谆谆教诲和无私帮助。在此论文脱稿之际，我再一次向他致以最诚挚的谢意。在我漫长的求学生涯中，倾注了父母一生的心血，是他们多年来的辛勤付出，使我能顺利完成学业，还要感谢我的同学们给我的支持和鼓励，使我一直以来能够坚持努力。再次给他们献上最诚挚的谢意并以最深的祝福。感谢所有关心和帮助我的师长、同学、朋友和亲人。参考资料 黄跃华 张钰玲模拟电子技术北京理工大学出版社 卫桦林 数字电子技术高等教育出版社 郑梦泽Protel DXP2004原理图与电路板设计实用教程电子工业出版社李移伦 杨利军 张文初应用电子技术湖南大学出版社