基于multisim的火灾报警电路设计

基于multisim的火灾报警电路设计
【摘要】本文讲了利用热敏电阻阻值随温度变化的特点，在以各电阻和电压跟随器，减法比例运算器，电压比较器等电路的合理正确连接，就可形成一个较为简单的火灾报警电路。

【关键字】计算机、Multisim仿真软件、温度传感器、比例运算电路、单限比较器、报警电路；
目录
1.引言： (3)
2.Mulitism软件的简介： (3)
2.1.Mulitism软件的由来： (3)
2.2.Multisim的发展史： (3)
2.3.multisim 10概述 (5)
3.火灾报警电路说明： (6)
3.1．火灾报警电路总体说明： (6)
4.火灾报警电路原理与分析： (6)
4.1.温度传感器： (7)
4.2.比例运算电路： (7)
4.3.单限比较器： (8)
4.4.报警电路： (8)
4.5.总结： (9)
5.设计方法步骤与仿真： (9)
5.1.画出原理图。

如电路图2： (9)
5.2.根据设计原理计算： (9)
5.3.选择和估算出声光报警电路参数： (9)
5.4.电路仿真： (10)
6.结束语： (10)
致谢： (11)
1.引言：
生活中难免遇到火灾的发生，为了在火灾来临之前防患于未然，因此一个火灾报警器是十分必要的，因而我们模拟设计了火灾报警电路。

它包括了温度传感器、放大器、电阻、模拟电路实验箱、发光二极管、蜂鸣器等等。

其中温度传感器是一个热敏电阻，它通过感知温度的变化来改变电路中电流的大小，并影响电路中二极管和蜂鸣器中所通过的电流，使其产生变化。

而后通过multisim软件仿真的实现来使二极管发光以及使蜂鸣器报警，从而来实现预防火灾及减小火灾危害的作用。

2.Mulitism软件的简介：
2.1.Mulitism软件的由来：
Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司)推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。

Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。

通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

EWB是基于PC平台的电子设计软件，它提供了一个功能全面的SPICEA/D系统，支持模拟和数字混合电路的分析和设计，创造了集成的一体化设计环境，把电路原理图的输入、仿真和分析紧密的结合起来。

系统将SPICE仿真器完全集成在原理图输入和测试仪仪器等工具之中。

与其它Windows环境下的系统软相类似，它具有图形化界面，提供按钮式的工具栏，各个菜单中各个选项的物理意义一目了然。

在输入原理图时，自动地将其编辑成网络表送到仿真器，加快建立和管理的时间；而在仿真过程中，若改变设计，则立刻获得改变化所带来的影响，实现了交互式的设计和仿真。

Mulitism9是EWB的新产品，具有更为庞大的元器件模型参数库和更为齐全的仪器仪表库；除了具有SPICEA/D全部分析功能外，还包含万用表、信号发生器、示波器、频谱分析仪、网络分析仪、失真分析仪、频率计、逻辑分析仪、逻辑转换仪、波特图仪、瓦特图表等18种虚拟仪器仪表，可模拟试验室内的操作进行各种实验。

因而，学习Mulitism，除了可以提高仿真能力、综合能力和设计能力外，还可进一步提高实践能力。

2.2.Multisim的发展史：
Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT 公司)首次推出的一款专门应用于模拟/数字电路板的设计工作。

该公司从开发出第一款仿真软件后又连续研制出了EWB5.0 、EWB6.0 、Multisim2001 、Multisim 7 、Multisim 8等五款仿真软件，后被被美国NI公司收购以后，其性能得到了极大的提升。

最大的改变就是：Multisim 9与LABVIEW 8的完美结合：
新特点：
（1）可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；
（2）所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上；
(3)所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。

Multisim 9组成：
1．―――构建仿真电路
2．―――仿真电路环境
3． multi mcu ------ 单片机仿真
4．――FPGA、PLD，CPLD等仿真
5．――FPGA、PLD，CPLD等仿真
6．―― 通信系统分析与设计的模块
7．―― PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图
8．－（自动布线模块）
仿真的内容：
1．器件建模及仿真；
2．电路的构建及仿真；
3．系统的组成及仿真；
4．仪表仪器原理及制造仿真。

器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：
模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；
数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；
FPGA器件。

电路的构建及仿真：
单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。

系统的组成及仿真：Commsim 是一个理想的通信系统的教学软件。

它很适用于如‘信号与系统’、‘通信’、‘网络’等课程，难度适合从一般介绍到高级。

使学生学的更快并且掌握的更多。

Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。

要观察仿真的结果，你可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。

仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。

PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作。

美国NI公司提出的理念：
“把实验室装进PC机中”
“软件就是仪器
2.3.multisim 10概述
●通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路
●通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为
●借助高级电路分析, 理解基本设计特征
●通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试
●通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间
直观的捕捉和功能强大的仿真：
NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。

与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

电子通信类其它常用的仿真软件：
System view---数字通信系统的仿真
Proteus――单片机及ARM仿真
LabVIEW――虚拟仪器原理及仿真
3.火灾报警电路说明：
此火灾报警电路的框图如下: 图1火灾报警电路框图
3.1．火灾报警电路总体说明：
（1）温度控制电路有热敏电阻的水温度的的变化电阻减小而控制必列运算电路的输入电压。

（2）比例运算实现电压差。

并用输出控制单限比较器。

（3）不同的电压使单限比较器输出不同的电平。

使二极管和晶体管导通，控制报警电路。

（4）导通后二极管亮，蜂鸣器发声报警。

此火灾报警电路中使用了热敏电阻元件以及比例运算电路以及声光报警电路。

4.火灾报警电路原理与分析：
如下图所示为火灾报警电路原理图：
图2火灾报警电路原理图
温度控制电路
加减运算比例 实现差分放大 单限电压比较器 声光报警电路
4.1.温度传感器：
温度传感器工作原理：
温度传感器是检测温度的器件，被广泛用于工农业生产、科学研究和生活等领域，其种类多，发展快．温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类．所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式．而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度，可进行遥测，这是接触方式所做不到的． 接触式温度传感器有热电偶、热敏电阻以及铂电阻等，利用其产生的热电动势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度，被广泛用于家用电器、汽车、船舶、控制设备、工业测量、通信设备等．另外，还有一些新开发研制的传感器，例如，有利用半导体PN 结电流/电压特性随温度变化的半导体集成传感器；有利用光纤传播特性随温度变化或半导体.
其中温度传感器（热敏电阻）随温度的变化阻值变小，因此分压减小。

有公式：
2I U =2
''''P CC R R R V +⋅ （1） 1I U =1
''P CC R R R V +⋅。

（2） 热敏电阻R ’’和R ’变化时2I U 和1I U 变化。

R ’’接受高温，R ’在室温下时。

由于R ’’的减小，使2I U 减小。

与同向端1I U 形成压差。

双端输入的比列运算电路，如图（3）。

当R1//R2//Rf =R3//R4//R5时
O U =(
33R U I + 44R U I −22R U I −11R U I ) ( 3) 4.2.比例运算电路：
UI2UI1
图（3）双端输入的比列运算电路 图（4） 差分比例运算电路
若电路中有两个输入且参数对称如图（4）可以实现对差模信号的放大,电路中一级A1运放。

则输出结果为：
O U =1
3R R (1I U -2I U ) (4） 即为本题中一级运放A1的输出结果。

当热敏电阻R ’’发生改变时，2I U 减小，因此1O U 增大。

4.3.单限比较器：
单限比较器工作原理：
由图5所示为火灾报警电路的第三部分——单限电压比较器电路。

由于没有引入反馈，并且工作在开环状态，故构成单限电压比较器。

由图中R10、R9可以得出阈值电压，也就是说当从差分放大电路出来的电压大于阈值电压的时候才会由电流从单限电压比较器中流过。

输出的直流电压作用于输入端1，如果输出的电压大于单限电压比较器的阈值电压，则就可以通过单限电压比较器，然后作用在发光二极管LED 灯和蜂鸣器上。

但如果差分放大器输出的电压小于阈值电压，则电流不会通过单限电压比较器，此时二极管工作在低电平状态，就不会有任何警报。

图（5） A2组成的电压比较器的电压传输性
当1O U >U T , 2O U =U OH 输出高电平，使发光二极管和晶体管导通。

当1O U <U T , 2O U =U OL 输出低电平，使发光二极管和晶体管截止。

4.4.报警电路：
R5和R6所在的图（2）中后面的部分发光二极管的电流为：
D I =
7
R U U D OH （5） 晶体管的基极电流为： UO1
UO2
B I =8
R U U BE OH - （6） 集电极电流即蜂鸣器的电流为：
B C I I β= （7）
4.5.总结：
当没有火灾时，(1I U -2I U ),数值很小，1O U <U T , 2O U =U OL ，使发光二极管和晶体管均截止，很平静。

当遇到火灾时， 1I U >2I U ，(1I U -2I U )，增大到一定值，1O U >U T , 2O U =U OH ，使发光二极管和晶体管均导通，发出报警。

5.设计方法步骤与仿真：
5.1.画出原理图。

如电路图2：
5.2.根据设计原理计算：
选择合适得电压VCC=12V ，因此得到所需电压差：
2I U =2
''''P CC R R R V +⋅=12V （8） 1I U =1
''P CC R R R V +⋅=8V （9） 通过加减运算电路估算一级运放的输出O U ，这里选择R1=R2=10K Ω和R3==R4=20K Ω。

则：
O U =
13R R (1I U -2I U )=8 V 。

选择和估算出二级运放的参数。

二级运放有阀值电压：
U T =2566
CC V R R R + （10） 如果要报警必须输出高电平。

则只要U O1>U T , U O2 =U OH
可以使U O1=V CC2=5V,只需要系数6
56R R R +≤1即可。

因此可选择 R5=3K Ω,R6=2K Ω。

U T =2566
CC V R R R ⋅+=2V 5.3.选择和估算出声光报警电路参数：
由于发光二极管的电流为：D I =7
R U U D OH -，且R7选用273Ω电阻。

晶体管的基极电流为：B I =8
R U U BE OH -,BE U =0.7V ，B I 约为几毫安，因R8=3K Ω即可。

在此过程中必要的检验和调试是必不可少的。

5.4.电路仿真：
电路图仿真的实现:
首先应该利用Multisim 连接好电路图，火灾报警电路的所需要的元器件有电阻、导线、放大器和三极管、发光二极管、蜂鸣器等。

我们需要学会从元件库里调用这些元件。

点击菜单栏下的“放置”选项，选择导线，就可以在页面上放置一段导线，还可以放置节点等一系列电路要素，接下来就是元器件的选择和使用了。

点击放置，选择components 元件库，里面包含了本次课程设计所需要的所有元器件，在主数据库里找到我们本次课设所需要的元器件，然后用导线将它们按照电路图都连接起来，就构成了一个初步的差分放大电路。

然后再按要求加入所需电压，形成电压差。

打开仿真开关，此时就会发现二极管发光，同时蜂鸣器报警。

图（6）即为仿真结果。

6.结束语：
此次火灾报警电路课程设计让我解和认识得到了多方面的锻炼。

一方面我对模拟电子
技术专业知识有了进一步的掌握并熟悉了更多电子仪器的使用方法，掌握电子电路的测试方法，了解常用电子器件的类型和特性，同时掌握如何合理选用电子器件的原则。

应用知识更为得新应手，熟练自如。

有了更多对模拟电子技术综合性训练的机会。

也通过实用型模拟电子电路设计、安装、调试等各环节，培养了我运用课程中所学的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。

另一方面对于动手能力的培养和敏捷思维方式的形成起到很大的作用。

设计一个电路首先要有合理的原理，再有合理的原理图，对于大型的电路还要注意分层分块的完成然后系统连接。

在以后的工作中对于我们的实践训练这是很重要的。

再一方面电子电路的安装与调试技能培养了我的创新能力和对治学要严谨的态度。

致谢：
经过为期三个星期的课程设计让我的身心也得到了改善，自身素质也有所提高，而且通过与其他人的交流，也让我明白我还有很多不足，在今后的道路上我将尽我最大可能弥补这些不足，这次的课程设计是成功的，通过这次的课程设计使，我们对此门课程有了更深的了解，也让我获益良多。

通过这次的课程设计不仅收获知识还收获快乐。

这过程中我受到了刘东老师的精心指导和帮助，在这里我衷心的感谢刘老师！
参考文献：
[1] 童诗白.华成英主编.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社,2006.
[2] 戴伏生主编.基础电子电路设计与实践[M].北京：国防工业出版社,2002.
[3] 谭博学主编.集成电路原理与应用[M].北京：电子工业出版社,2003.
[4] 高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社,2005.
[5] 赵淑范，王宪伟编著.电子技术实验与课程设计[M].北京：清华大学出版,2006.
[6] 高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计[M].北京：电子工业出版社,2005:P58~P59.
[7] 赵淑范，王宪伟编著. 电子技术实验与课程设计[M].北京：清华大学出版社,2006:P159~P162.
[8] 黄继昌、张海贵、郭继忠、徐巧鱼、申冰冰编著. 实用单元电路及其应用[M].北京：人民邮电出版社，2000:P77.。