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用烟雾传感器制作一个可携式烟雾报警器

  可携式烟雾报警器——Kwokang

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  烟雾报警器功能需求分析

  一、基础功能需求

  1、设置一个烟雾参考浓度,当超过这个浓度,蜂鸣器响,红灯闪烁,并要求用方波对蜂鸣器进行驱动;

  2、当低于参考浓度,蜂鸣器不工作,绿灯亮;

  3、两路电源供电,一路USB 5V,另一路DC12V或DC24V适配器。

  二、扩展功能需求

  以下是自己添加的扩展功能:

  1、烟雾参考浓度可调设置和默认参考浓度设置;

  2、增加锂电池供电,实现可携带功能;

  3、USB 5V兼容锂电池充电,充电以及电量不足指示灯;

  4、具有电源自动切换功能,当以另两路电源方式供电,锂电池自动断开供电连接;

  5、预留继电器输出接口,用于外接排气扇。

  三、DIY设计大概流程

  作品需求分析——方案分析——功能模块电路设计——仿真验证电路功能——原理图以及Layout——样板焊接调试——成品

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  方案分析

  一、原理分析

  该烟雾报警器工作原理:烟雾传感器根据当前环境的烟雾浓度输出对应的模拟电压信号,采集此电压信号与报警浓度电压比较,若高于报警值表示当前环境烟雾浓度超标,则蜂鸣器响,红灯闪烁,若低于报警值表示当前环境烟雾浓度在可接受范围内,蜂鸣器不响,绿灯亮。

  二、电源部分

  1、DC12V或DC24V适配器供电,采用DC-DC降压芯片产生5V的工作电压;

  2、USB 5V供电,采用Micro USB接口;

  3、3.7V锂电池供电,采用DC-DC升压芯片产生5V的工作电压;

  4、电源切换电路参考MOS管的背靠背电路实现。

  5、使用专用的锂电池充电管理芯片进行充电,不支持边冲边使用;

  6、开关:使用3挡的拨动开关,一档控制电源接通,一档控制电源断开,另一档锂电池充电。

  三、烟雾传感器电压信号采集部分

  1、烟雾传感器采用MQ-2,可输出模拟信号;

  2、通过比较器的比较阈值比较,来判断烟雾传感器输出模拟电压信号是否高于或低于设定的阈值。

  四、其他逻辑功能部分

  1、方波使用滞回比较器和直流电压配合产生;

  2、红灯闪烁使用方波加三极管的方法控制;

  3、使用拨码开关来配置是否需要烟雾参考浓度可调。

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  功能模块电路设计

  一、电源电路设计

  1、DC12V、DC24V(或DC9V-DC24V)转DC5V

  本DC-DC电路使用常用降压芯片LM7805来输出5V,这里说下降压芯片选型要注意输出电流是否满足电路需要,还有压差是否满足,LM7805最大可输出1A电流,输入和输出压差2V,压差要大于2V才能稳定输出5V。

  补充一:电源电路中电容是最常用容量一大一小并联配合使用,这两个电容容量一般相差两个数量级以上,此处电容的主要作用如下:

  (1)大电容使用的是电解电容,主要是储能以及滤低频杂波,小电容一般使用104陶瓷电容,主要是滤高频杂波;

  (2)这里并联两个容量相同的电容主要有两个目的(个人愚见):

  a、并联增大容量,降低电容的RSD,容量大而ESD低的电容贵,可以使用并联容量小的电容降低成本;

  b、预留焊接位,方便调试时增减电容。

  补充二:适配器电源插座使用的是DC-005,主要补充说下该插座使用中要注意的问题,引脚1是正极,引脚2是负极静触点,引脚3是负极动触点,主要区分动静两个触点的区别,结合电路图中的J1,J1相当于DC-005的内部结构了,当没有DC插头插入时,引脚2和引脚3时连在一起的,当有DC插头插入时,引脚2和引脚3是断开的,此时只有引脚2是和DC插头的负极连接的,而引脚3就变为一个独立的引脚,没有和负极连接,所以引脚3就是个负极动触点,因为它是根据有无插头插入是动态变化的。

  所以大家在使用过程要注意引脚的定义,别把电路的地接到引脚3,当然了,这个引脚3也有很大作用的,这个会在后面说到。


  2、USB 5V供电电路

  此电路很简单,使用Micro USB,只用到USB的电源和地两个引脚,直接输入5V,USB可接电脑或者手机充电器。

  注:0Ohm电阻只为了区分两个网络标号:USB_5V、VCC_5V.

  3、锂电池电路

  3.1、锂电池5V升压电路

  由于使用的是3.7V锂电池,后记电路的工作电压是5V,因此采用集成的DC-DC升压IC,升压IC使用南京微盟的ME2159AM6G。

  电路采用datasheet的典型电路,该IC的反馈参考电压是0.6V,当输出5V时,R3和R4串联分压得到0.6V。

  之前没用过这款IC,推荐电路参数在后面调试再确定是否可行。

  3.2、锂电池充电电路

  充电IC使用南京微盟的TP4054,充电指示灯采用红绿双色LED,红绿同时亮呈黄色,用来指示正在充电,充电完成亮绿灯,另外用红灯表示电量不足,下图中的电阻R11是为了方便串接电流表测充电电流的,正常使用可短接或者焊接个0Ω电阻。

  下面讲下如何实现指示灯的逻辑控制以及如何设置充电电流。

  充电电流是通过PROG引脚来设置的,改变R5的阻值可设定不同的充电电流,注意R5精度最好要1%起,图中电路设定充电电流为400mA,具体计算公式可参考芯片手册:

  接下来讲讲充电指示灯工作原理,从芯片手册中可以知道充电状态引脚是引脚1(CHRG),从芯片的内部框图也可以看出,该引脚是个漏极开路输出(OD输出),类似我们常说的OC输出,有3种输出状态:强下拉(20mA)、弱下拉(20uA)和高阻态,正在充电时为强下拉,充电完成是弱下拉,我们就根据这两种状态来设计充电指示灯的电路。

  指示灯电路功能:充电中亮橙色(黄色),充电完成亮绿色,因为橙色是红绿色混合而成,所以绿灯无论是在充电中还是在充电完成都是一直亮的。那么如何让绿灯一直亮着呢?很简单,只要将绿灯接在充电电源上即可,相当于作为充电电源的指示灯,只要一接上充电电源绿灯就一直亮。

  红灯如何控制呢?从前面的分析知道,红灯需要在充电中亮,所以可以利用引脚1在充电中的状态(强下拉)来驱动这个LED,将红灯的阴极接在引脚1上,阳极接充电电源,当然了也要加上LED的限流电阻,这样子在充电过程中,引脚1就可以通过强下拉将红灯阴极接到地,红灯就亮了。在充电完成后,引脚1状态变为弱下拉,只有20uA的电流,不足以点亮红灯,此时就只有绿灯亮,指示充电完成。大家可能也发现了,图中的充电路加了个10K的上拉电阻,大家可以思考下这个电阻是不是必要的?能不能去掉?

  4、电源自动切换电路

  要实现电路的切换功能,我们很容易想到要用开关来切换,那么这个“开关”是用什么来实现呢?二极管?三极管?MOS管还是继电器?在电源切换电路中,我们经常是使用二极管和MOS管,先说下用二极管实现一个简单的电源切换电路。

  我们利用二极管的单向导通性来实现开关的功能,为了方便说明,贴图来分析。

  假设二极管的导通压差为0.7V,当用3.3V电源供电时,D2导通,点A电压为2.6V,当接入5V电源时,D1导通,点A电压大于3.3V,由于二极管的单向导通性,D2截止,3.3V电源不能经过D2往后级电路供电,此时后级电路由5V进行供电。当5V电源移开后,D2导通,3.3V电源继续为后级电路供电,这样子基本实现了5V和3.3V电源之间的自动切换。

  用二极管来做切换电路是方便简单,但是存在压降较大问题,为了解决压降问题,可使用低压差的肖特基二极管或者用MOS管来 做开关,接着讲下如何用MOS管搭建切换电路。

  当BAT_3.7V接入,5V没接入时,PMOS管的G极下拉到地,而BAT_3.7V经过PMOS管的体二极管到S极,S极的电压为3V,那么此时Ugs=-3V,若Ugs小于所选的PMOS管的最小开启电压Ugs(th)(这里的MOS管选型一般为低开启电压的),则MOS管导通,输出电压Vout=BAT_3.7V。

  当BAT_3.7V和5V同时接入时,PMOS管的G极等于5V,S极等于(5-0.7)V,此时Ugs=0.7V,大于Ugs(th),MOS管关断,输出电压等于Vout=5-0.7=4.3V。

  当BAT_3.7V没接入,5V接入时,和AT_3.7V和5V同时接入时一样,这里不再分析。

  本DIY中使用的电源切换电路如下:

  其实该电路的工作原理和前面分析的切换电路差不多,不同的是这里是两个PMOS管,但切换原理都是一样的,都是对MOS管进行关断和导通操作,有疑问的朋友可在评论中提出。

  二、烟雾传感器电压信号采集部分

  1、MQ-2烟雾传感器工作原理

  MQ-2传感器是使用气敏材料二氧化锡制作的,该材料在清洁空气中的电导率较低,当传感器所在环境中存在可燃气体或者烟雾时,传感器的电导率随着可燃气体(烟雾等)浓度增加而增大,使用简单电路即可将电导率的变化转换为相对应的电压输出信号,我们可以通过采集这个电压信号来获取当前的气体浓度。

  2、MQ-2烟雾传感器工作电路分析

  这部分主要讲解下MQ-2传感器的电路,包括电路的连接、输出电压信号以及负载电阻的选择,以传感器手册的测试电路为例。

  该传感器工作需要提供两个电压,加热电压VH,直流5V或交流5V都可以,为传感器提供特定的工作温度,回路电压Vc,为负载电阻RL提供测试电压,必须是≤24V的直流电源,负载电阻RL是将传感器内部的电导率变化转化为电压信号输出的。

  电压信号输出过程:传感器的电导率随着可燃气体(烟雾等)浓度增加而增大的,电导是电阻的倒数,也就是说,浓度增大传感器的敏感电阻减小,假设传感器的敏感电阻为Rs,根据测试电路可列出等式:VRL=Vc*RL/(Rs+RL),所以当气体(烟雾)浓度越大时,敏感电阻Rs减小,输出电压VRL增大。注意:这个敏感电阻在不同的浓度或者不同的气体中,其阻值是不一样的。

  从等式VRL=Vc*RL/(Rs+RL)也可以知道,传感器的信号输出不仅与敏感电阻Rs有关,还与负载电阻有关,前面也说到敏感电阻Rs是变化,那么这个负载电阻如何选择呢?一般我们这里可使用一个电位器,阻值可在20K~50K,在调试中再跟实际设置一个合适电阻。

  下图为MQ-2烟雾传感器电路:

  3、烟雾传感器信号采集电路

  前面也说到传感器输出时模拟信号,模拟电压范围0~5V,烟雾报警器是针对某个报警阈值电压工作的,阈值电压一般是伏安,并不需要进行信号放大就可识别出来,这里采用电压比较器来识别这个阈值电压,电压比较器顾名思义就是对电压进行比较,输入电压和某个设定电压值进行比较,根据比较结果输出高电平或者低电平,烟雾传感器电压采集电路如下:

  烟雾浓度检测阈值从负输入端输入,烟雾传感器模拟信号从正输入端输入,当模拟信号电压大于阈值,比较器输出高电平(5V),当模拟电压小于阈值,比较器输出低电平(0V),因为比较器是OC输出,输出需要接上拉电阻来确定高电平电压。

  图中通过一个两位拨码开关来选择阈值设定模式:固定阈值和阈值可调两种模式,在固定阈值模式下阈值电压为2.5V,在可调模式调节电位器R14设置阈值,顺时针旋转,降低烟雾浓度检测阈值,逆时针旋转,增大烟雾浓度检测阈值。

  接下的是报警状态指示灯电路设计,烟雾浓度低于设定阈值时亮绿灯,高于阈值则红灯闪烁,这里也是使用双色灯,这里有两种状态,自然想到利用烟雾传感器电压采集电路的输出两种状态来设计电路,下面先电路图贴出来分析。

  当检测到烟雾浓度低于设定阈值时,比较器输出低电平,绿色LED通过比较器U5A输出端接地,绿色LED亮。为了实现红色LED闪烁,这里使用PWM来驱动红色LED,这个PWM波利用电容充放电(三角波)来生成。当检测到烟雾浓度高于设定阈值时,比较器U5A输出高电平(5V),结合比较器U5B搭建的滞回比较器电路来对电容C16进行充放电,在充电过程中,比较器U5B输出高电平,在放电过程中,比较器U5B输出低电平,高低电平不断交替从而产生所需要的PWM波,PWM波的周期由电容的充放电周期决定,可在调试中选择适当的周期调整红色LED的闪烁频率。

  注:上面的LED控制电路设计是有缺陷,在后面的设计中,引入新电路后,问题就暴露出来了,这个问题留到后面电路再讲。

  滞回比较器的两个阈值Uth1、Uth2计算过程,当比较器U5A输出高电平时,开始对电容C16充电,此时比较器U5B输出高电平,比较器U5B输出端一直对电容C16充电,当电容电压大于一个阈值后,比较器U5B输出低电平,相当于OC输出接地,电容C16开始对地进行放电,C16上的电压开始下降,当低于另一个阈值后,比较器U5B输出高电平,如此循环,电容C16上就产生一个三角波(电容充放电波形),比较器U5B输出一个PWM波,根据前面的分析,画出等效电路,如下图:

  当比较器U5B输出高电平时:

  当比较器U5B输出低电平时:

  等效电路出来了,那么如何根据这两个电路计算滞回比较器德两个阈值呢?很显然这里使用基础德电阻分压法来计算。

  当输出高电平时,电阻关系如下:假设紫色框的等效电阻分别为Ra和Rb,Ra和Rb并联后再和R20串联。

  计算过程:Ra=12k,Rb=20k,Ra//Rb=7.5k, Uth1=5V*R20/(R20+Ra//Rb)=3.636V,用仿真验证一下。

  当输出低电平时,电阻关系如下:假设紫色框的等效电阻分别为Rc和Rd,Rc和Rd串联分压得到Uth2。

  计算过程:Rc=12k,Rd=R20//R17=6.67k,Uth2=5V*Rd/(Rc+Rd)=1.786V,也进行了仿真验证。

  这里补充下,前面用来控制LED的PWM并不需要调占空比,所以就直接用滞回比较器的输出电平状态来产生,并没有如官方电路一样,使用直流电压加三角波的方法,省去一个比较器,其实产生PWM的方法有很多,不必纠结一定要使用哪种方法,可以实现电路功能就可以了。不过用直流电压叠加三角波的方法很容易可以实现占空比可调,这也是一个不错的设计思路。

  四、其他功能电路设计

  1、电源开关

  在开始构思这个DIY时,把电源部分想得比较复杂,到后面得设计中还感觉是在给自己挖坑,显得有点力不从心。由于适配器和usb供电是外部电源,通断就交给外部的电源开关控制,这里开关主要是控制锂电池的,开关使用自锁开关,结合电路分析。

  VCC_5V:逻辑电路工作电压

  USB_5V:micro usb 输出电压

  USB_5VA:锂电池充电芯片工作电压

  BAT:锂电池输出电压

  BATA:锂电池升压芯片工作电压

  BATB:锂电池充电电压

  当自锁开关没按下时:

  USB_5V和USB_5VA、BAT和BATB是连接在一起,此时当插入usb后,是锂电池充电模式。

  当自锁开关被按下后:

  USB_5V和VCC_5V、BAT和BATA是连接在一起的,如果没有外部电源(DC适配器、usb),此时是由锂电池供电,若有外部电源输入,则锂电池停止供电,由外部电源供电。

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