传感器实训课程设计报告.doc

传感器实训课程设计报告

21
2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。
《传感器技术及应用》
课程设计报告

院 系： 信息工程学院
学生姓名： 杨勇超
专业班级： 物联网1501
学 号： 2
指导老师： 贾双英
成 绩：

6月

目录
目录 2
设计题目和要求 3
摘要 4
引言 5
二、 原理设计 6
2.1原理设计 6
三、详细设计 7
3.1所有元件的详细分析 7
3.11电源指示发光二极管 7
3.12 电压取样电位器 8
3.13 蜂鸣器 9
3.14火焰传感器 9
3.15 轻触开关 10
3.16 半导体三极管 10
3.17通用运算放大器LM358 11
3.18双D触发器4013 12
3.2 电路原理图设计 12
3.2.1电路原理图设计整图及工作原理分析 12
四、硬件电路调试 13
4.1硬件电路调试 13
五、总 结 14
5.1设计总结 14
5.2 设计体会 15
六、附件：元件清单 15

设计题目和要求
一、设计题目
1. 智能仓库火焰探测报警器设计
二、 设计要求
1、理解设计题目，明确设计功能；
2、熟悉传感器的原理、特性、类型及应用；
3、熟悉所用元器件的作用及应用方法；
4、设计原理电路，实现要求的功能；
5、实物制作：手工焊接、调试；
6、写出详细的设计报告

摘要
一、 设计对象：智能仓库火焰探测报警器设计
二、 主要内容：设计一个基于火焰探测的火灾报警器，当有火情发生时能及时报警，按下消除按钮报警停止。
三、设计过程：根据电路框图及以上各个单元电路的设计，原理图设计由R1构成了电源指示电路，当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态。LED由R2、R3、RP1、C1、VD1、LM358构成了了火焰感应电路，RP1调到中间位置，产生2.5V左右的基准电压送到LM358的3脚（同相输入端），火焰传感器从来到信号送到LM358的2脚（反相输入端），两个电压信号进行比较后经过LM358的1脚输出火焰控制信号Si。如果3脚（同相输入端电压大于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为高电平。如果3脚（同相输入端）电压小于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为低电平。正常工作时没有火焰的，火焰传感器截止，提供给LM358的2脚（反相输入端）的电压为高电平，大于3脚（同相输入端）电压的输出火焰控制信号Si为低电平给信号处理电路。由S1和R4构成了手动控制电路，产生手动控制信号Ci送到信号处理电路的清零端。当轻触开关S1按下后，产生手动控制信号Ci为高电平。当轻触开关S1松开后产生手动控制信号Ci为低电平。 由双D触发器4013、R5信号处理电路，其中4013搭建成RS触发器，高电平有效，主要负责处理火焰感应信号Si和手动控制电路产生清除信号Ci，并产生相应的输出控制信号Ki给报警电路。当4013的置位信号端6脚电压为高电平时，产生输出控制信号高电平给报警电路。当4013的清零信号端4脚电压为高电平时，产生输出控制信号低电平给报警电路。由三极管VT（9013）和蜂鸣器HA1（5V有源电磁式）构成了报警电路。当三极管VT1的基极电压为高电平时，三极管VT1导通，蜂鸣器鸣叫，产生报警声。当三极管VT1的基极电压为低电平时，三极管VT1截止，蜂鸣器不工作，报警声消失。
四、设计结果：设计成果完美

引言
根据电路框图及以上各个单元电路的设计，原理图设计由R1构成了电源指示电路，当接通5V直流电压时，发光二极管LED被点亮，电路进入工作状态。LED由R2、R3、RP1、C1、VD1、LM358构成了了火焰感应电路，RP1调到中间位置，产生2.5V左右的基准电压送到LM358的3脚（同相输入端），火焰传感器从来到信号送到LM358的2脚（反相输入端），两个电压信号进行比较后经过LM358的1脚输出火焰控制信号Si。如果3脚（同相输入端电压大于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为高电平。如果3脚（同相输入端）电压小于2脚（反相输入端）电压，1脚输出火焰控制信号Si为低电平。正常工作时没有火焰的，火焰传感器截止，提供给LM358的2脚（反相输入端）的电压为高电平，大于3脚（同相输入端）电压的输出火焰控制信号Si为低电平给信号处理电路。由S1和R4构成了手动控制电路，产生手动控制信号Ci送到信号处理电路的清零端。当轻触开关S1按下后，产生手动控制信号Ci为高电平。当轻触开关S1松开后产生手动控制信号Ci为低电平。 由双D触发器4013、R5信号处理电路，其中4013搭建成RS触发器，高电平有效，主要负责处理火焰感应信号Si和手动控制电路产生清除信号Ci，并产生相应的输出控制信号Ki给报警电路。当4013的置位信号端6脚电压为高电平时，产生输出控制信号高电平给报警电路。当4013的清零信号端4脚电压为高电平时，产生输出控制信号低电平给报警电路。由三极管VT（9013）和蜂鸣器HA1（5V有源电磁式）构成了报警电路。当三极管VT1的基极电压为高电平时，三极管VT1导通，蜂鸣器鸣叫，产生报警声。当三极管VT1的基极电压为低电平时，三极管VT1截止，蜂鸣器不工作，报警声消失。
设计问题：
1、原理图的分析
2、实验器材的安装
3、传感器的原理、特性

二、 原理设计
2.1原理设计
物质燃烧不但会产生烟雾和热量，同时也会产生可见或不可见的光辐射。感光型火灾报警系统就是经过响应火灾中产生的光特性，即扩散火焰的光强度和闪烁频率，来触发报警系统的。根据感应的敏感波长，能够将感光型火灾报警系统分为对波长较短的光辐射敏感的紫外报警系统和对波长较长的光辐射敏感的红外报警系统。
火灾报警系统一般由火灾探测器、区域报警器和集中报警器组成。火灾探测器经过对火灾发出的物理、化学现象——气（燃烧气体）、烟（烟雾粒子）、热（温度）、光（火焰）的探测，将探测到的火情信号转化成火警电信号传递给火灾报警控制器。区域报警器将接收到火警信号后经分析处理发出报警信号，警示消防控制中心的值班人员，并在屏幕上显示出火灾的房间号。

序号
名称
代号
规格
数量
1
电阻
R3,R5
1K
2
2
电阻
R1,R4
10K
2
3
电阻
R2
30K
1
4
电位器
RP1
10K(103)
1
5
瓷片电容
C1
0.1UF(104)
1
6
发光二极管
LED1
3MM
1
7
火焰传感器
VD1
5MM-940nm
1
8
轻触开关
S1
6*6*7
1
9
三极管
VT1
9013
1
10
蜂鸣器
HA1
5V有源
1
11
双集成运放
U1
LM358
1
12
双D触发器
U1
CD4013
1
13
IC座

DIP8P
1
14
IC座

DIP14P
1
15
单排针
VCC,GND
1*4PIN2.54mm
2
16
万能板

7*9CM
1
17
拖焊专用铜导线

0.5铜导线
2
18
拖焊专用焊锡

凯纳0.8,带松香
2
（表 2-1）

三、详细设计

3.1所有元件的详细分析
3.11电源指示发光二极管
本电路中采用发光二极管、电阻串联构成电源指示电路。发光二极管将电能转变为光能，电阻将电能转变为热能。
发光二极管，一般称为LED，内部是具有发光特性的PN结。当给这个PN加正向偏置电压时，PN结导通，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。
发光二极管引脚有正负之分，一般长的为正，短的为负。也能够从内部看到，接触面小的为正，接触面大的为负。外边有切口的为负，另一边就为正。发光二极管外形如下图所示。

发光二极管外形 图3-11

3.12 电压取样电位器
电位器是可变电阻的一种，其电阻值的大小能够人为调节，以满足电路的需要。能够逐渐地改变和它串联的用电器中的电流，也能够逐渐地改变和它串联的用电器的电压，还能够起到保护用电器的作用。如下图所示为104（100K）的电位器。

可调电阻100K可调范围 图3-12
本电路使用的电位器是103（10K）的可调范围,一般是由电阻体与转动或滑动系统组成，即靠一个动触点在电阻体上移动，获得部分电压输出。
3.13 蜂鸣器
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，在电路中用字母组合HA表示。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5-15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5-2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
本电路设计采用电磁式5V有源蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于一般的TTL电压无法直接驱动，因此要利用放大电路来驱动，一般使用三极管构成驱动电路，如下图所示： 

如图 3-13
3.14火焰传感器
火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1-10μm或更宽的范围，为了避免其它信号的干扰，常利用波长<300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.4μm附近。
本电路采用的火焰传感器能够检测火焰或者波长在760纳米～1100纳米范围内的光源，探测角度60度左右，对火焰光谱特别灵敏，性能稳定，工作电压5V，火焰传感器探头的工作温度为-25摄氏度到85摄氏度，在使用过程中一定要注意火焰传感器探头离火焰的距离不能太近，以免造成损坏。
3.15 轻触开关
轻触开关，又叫按键开关，由嵌件、基座、弹片、按钮、盖板等组成，轻轻按下开关接通，松开即断开。本电路使用的是四脚轻触开关，外型尺寸大小为6*6*7MM，在轻触开关底部我们能够看“北”字图形，如下图所示。

轻触开关工作原理 图3-15
轻触开关是使用时轻轻点按开关按钮即可使开关接通，当松开手时开关即可断开，其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。
3.16 半导体三极管
三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号, 也用作无触点开关，俗称开关管。本电路使用的是NPN型的三极管9012，当把有字的面向自己，引脚朝下，总左往右排列是发射极E，基极B，集电极C。如下图所示。

三极管的引脚图 图3-16
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。
3.17通用运算放大器LM358
LM358是双运算放大器，内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，引脚功能如下：
LM358引脚功能排列
LM358引脚功能介绍

1脚：第一运放输出端
2脚：第一运放反向输入端
3脚：第一运放同向输入端
4脚：接地端
5脚：第二运放同向输入端
6脚：第二运放反向输入端
7脚：第二运放输出端
8脚：正电源引脚
如表 3-17
本电路设计利用了LM358中的其中一个运算放大器构成电压比较器，信号从第一运放反向输入端（2脚）和同向输入端（3脚）输入，经比较后由第一运放输出端（1脚）输出。如果3脚电压大于2脚电压，则1脚输出高电平；如果3脚电压小于2脚电压，则1脚输出低电平。
3.18双D触发器4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且经过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
本电路设计把双D触发器设计成了RS触发器，由6脚为置位输入端，4脚为清零输入端，1脚为输出端。
3.2 电路原理图设计
3.2.1电路原理图设计整图及工作原理分析
根据电路框图及以上各个单元电路的设计，原理图设计整图如下：

如图 3-21
焊接调试
根据元件布局图和走线图，采用万能版焊接电路，焊接成功的智能仓库火焰报警器顶层如下图所示：
智能仓库火焰报警器底层走线如下图所示：

如图 3-22

四、硬件电路调试
4.1硬件电路调试
制作完成后，接上5V直流电压，用打火机在火焰传感器上方30CM处点火，报警器马上报警。手动按下报警消除按键（轻触开关），报警声停止。如下图所示：

如图 4-11
五、总 结
5.1设计总结
本次课程设计经过努力，整个系统实现了预期的目标。本系统经过设计一个以传感器为核心的火灾报警器能够实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的火灾报警器，具有一定的实用价值。本报警器电路结构简单、可维护性好。由于实现了对普通环境中烟雾浓度和温度的实时监控，因此具有非常普遍的意义，能广泛应用于居民家庭、企事业单位等多方面的安全防范。 
可是也存在不少的不足。由于电源的波动，传感器的电气特性等问题，使得A/D转换结果有时波动很大，这样就可能出现误报警。由于时间的关系，系统中本应具有的串行通信的功能没有实现，而只是实现了烟雾浓度、温度显示及按键控制。由于上述缺点的存在,此系统不是很完善，还有待进一步改进。 

5.2 设计体会
经过此次课程设计，我不但把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。
经过这次设计，更加深入的理解和掌握了这方面的知识，对本专业的认识也更加深入，使自己对本专业更加的热爱，对本科阶段的学习做了进一步的总结，更加明确了自己学习的目标和方向。在设计过程中，自己也学到了许多新的知识，有很多感悟和体验心得。而且，对工程设计的流程和步骤有了清晰的认识，为自己日后的学习和研究打下了坚实的基础。开拓了自己的视野，来超越自我。
六、 附件：元件清单