模拟简易火灾报警器的电路设计与制作

模拟简易火灾报警器的电路设计与制作
实验背景
人们日常生活中离不开火，火灾很容易发生。

即使并不是直接使用火，我们使用各种电子产品和机械装置，也很容易失火，而对付火灾最好的方法就是预防。

当火灾及即将发生或刚发生时，如果能够产生报警时人们注意到，便能够有效地避免火灾带来的重大损失，具有重要意义。

我们科大就拥有国内最先进的活在监控及预防的国家级实验室。

实验原理
火灾发生时，必然会伴随着烟雾、高温和火光的产生，探测器对此十分敏感。

当有烟雾、高温、火光产生的时候，它就改变平时的正常状态，引起电流、电压或机械部分发生变化或位移，再通过放大、传输等过程，发出报警声，有的还能同时发出灯光信号，并显示发生火灾的部位和地点。

火灾探测器主要分为感烟、感温、光辐射三大类。

鉴于实验器材与实际操作的限制，我们选择以热敏电阻为感应器的感温型探测器。

实验设计
实验设计电路如图(1)所示：
图(1)
图下部为报警信号电路，上部为热敏感应电路。

闭合开关S后，正常状态下无反应。

当有火灾发生时，热敏电阻感应高温后温度上升，电阻急剧下降，电路电流通过三极管放大作用急速上升，当电流达到反应临界强度范围内时，继电器闭合，报警信号电路接通，警铃响起，警示灯明亮指示火灾位置。

注意：为使感应电路具有较高灵敏度与可靠性，必须使感应电路电流在一定温度范围内有较大的电流变化，可根据具体情况拓展热敏电阻部分，如串并联可变电阻或热敏电阻等。

实验器材
可变30V直流电源两台，热敏温度传感器一台，NTC热敏电阻一支，连接线若干，伏特表、毫安表、变阻器、发光二极管、蜂鸣器、继电器各一个。

其中继电器、发光二极管和蜂鸣器具体性能待测。

实验过程
1.热敏电阻的温阻曲线测定
热敏电阻的温阻特性曲线是决定电路结构的重要根据之一。

使用温度传感器测量35至70摄氏度范围内的对应阻值，每隔5摄氏度记录一次。

测定电路如图（1）所示，即使用温度传感器自带的1mA恒
流电源，测定电路如图（2）所示：
图（2）
测定所得数据列表如下：
T/℃U/V R/Ω
35 0.623 623
40 0.501 501
45 0.410 410
50 0.355 355
55 0.311 311
60 0.267 267
65 0.226 226
70 0.193 193
表（1）
其中R=U/I,为计算所得；绘得T-R曲线如图（3）所示
图（3）
2.继电器、发光二极管和蜂鸣器具体性能测定
由于实验室未配置实验可用的继电器、发光二极管和蜂鸣器，须购买并测定相应器件。

经过一系列试测实验之后，终于对该型号继电器的工作原理及其使用方法有所了解。

所用应用型继电器如图（4）所示，其中①-⑤为五个接线柱:
实验报告评分：
少年班系09 级学号姓名PB 丁宁PB 肖勇日期2010/8/3
图（4）
其中①，③为感应电路接线柱，②④⑤为报警信号电路接线柱；④为NC（NOT CLOSE）接线柱，⑤为NO(NOT OPEN)接线柱。

若②，④组合接入报警信号电路，则初始时继电器为闭合状态，达到临界电压时继电器断开，为“闭合—打开”模式；若②，⑤组合接入报警信号电路，则初始时继电器为断开状态，达到临界电压时继电器闭合，为“打开—闭合”模式。

前者适用于保险电路，本实验中选择后者。

其标示临界工作电压为6V，实测为4V。

与热敏电阻串联，考虑分压时可视为纯电阻，为保障其在电路中的稳定性，须用伏安法测定其伏安曲线，测定电路如图（5）所示
图（5）
实测数据如表（2）所示
U/V I/A R/Ω
2．99 0.029 103．1
6.03 0.057 105.8
8.99 0.083 108．3
12.04 0.107 112.5
15.02 0.128 117.3
表（2）
其中R=U/I,为计算所得，U=4.05V时继电器开关闭合。

绘得伏安曲线如图（6）所示
图（6）
分析可知，在3~6V时继电器电阻变化极小(仅2.6%)，U-I曲线近似为直线，可以认为在U=4V的工作电压范围内阻值不变，可视为纯电阻。

发光二极管工作电压为0~2V,亮度在该范围内与电压正相关；蜂鸣器为0~5V，响度在该范围内与电压正相关。

由于发光二极管对电压极为灵敏，容易烧坏，故须对该局部电路进行电压范围的测定，而0~30V 旋钮式可变直流电源极为合适。

将二极管与蜂鸣器串联接入电源，缓慢调节电源输出电压，至6V时二极管接近最大亮度时，用万用表测得其两端电压为2V，蜂鸣器两端为4V，响度较大。

即报警信号电路额定电压设为6V可用。

3.对完整实验电路的分析及报警温度范围的确定
实际火灾报警电路会用到起放大电流作用的三极管，而鉴于其放大系数较高（通常为几十到几百倍）和客观限制，本模拟实验中由于电磁继电器与报警时热敏电阻阻值相差不大,所以可以不使用。

关于三极管的探究将在实验拓展中进行介绍。

实际应用中的火灾报警器报警温度多为70~90摄氏度，本次模拟实验将报警温度预设为60~70摄氏度，由热敏电阻的温阻曲线可得65度时其阻值为226；由继电器伏安曲线可读出，分压4V时其阻值约为104Ω，为计算方便，不妨预设热敏电阻阻值为208Ω，从温阻曲线读出此时对应温度约为67~68摄氏度，符合预设报警温度范围。

再由欧姆定律计算得此时热敏电阻分压为8V，感应电路总电压为12V。

4.实验注意事项
①实验器件（如二极管）对电压极为敏感，调节电压须缓慢。

②由于电阻发热，实验时间可尽量缩短，以减小误差。

③实验前电源要归零。

5.完整实验
至此，所有准备工作完备，可进行完整实验测试。

实验过程如下：
①按图（1）连接完整实验电路。

②打开温度感应器电路，设置加热温度上限为70℃，开始加热。

③打开感应电路直流电源，调节输出电压为12V。

④打开报警电路直流电源，调节输出电压为6V。

⑤等待温度上升至临界报警温度，以检验实验是否成功。

实验报告评分：
少年班系09 级学号姓名PB 丁宁PB 肖勇日期2010/8/3
实验发现当温度感应器显示为64.8℃时，继电器开关闭合，蜂鸣器响起，发光二极管明亮，符合60~70℃的报警温度范围，报警工作完成。

实验分析
1. 实验报警温度为64.8℃，与预设相差约2到3℃。

主要误差来源有：
①客观读数造成的系统误差。

如从图线中读取的温阻对应值和伏安曲线中读取的阻值等。

②热敏电阻的实际温度与显示温度的差别，包括电阻自身发热带来的温度误差。

③继电器自身的工作电压的不稳定性，以及长时间发热导致自身阻值改变等。

2.此实验为火灾报警的基本原理模拟，我们选择了可变电压，通过调节电压值来达到预警条件，在实际生活中，则不可能刚好有此电压，所以我们可在电路中安装一个变阻器，来随时调节所需电压值。

如生活中电压一般为220V。

3.关于继电器电阻随温度的变化，我们通过加大其电压进行了模拟，如在30V时（注意其额定电压6V，在考虑倒不会损害仪器的情况下），其电阻也不过140Ω，用手触摸可以感觉到其温度很烫手。

报警一般要求较长时间，加上考虑到热敏电阻会随温度上升而下降，继电器的电压将会更高，所以必须考虑到继电器的发热抗热能力。

实验拓展
1.关于继电器
图（7）
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。

可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。

具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。

广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

本次试验中所使用的正是类似如图（7）所示的该类电磁式继电器。

2．关于三极管
图（8）
三极管是一种控制元件，三极管的作用非常的大，可以说没有三极管的发明就没有现代信息社会的如此多样化，电子管是他的前身。

三极管主要用来控制电流的大小，以共发射极接法为例（信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地），当基极电压UB有一个微小的变化时，基极电流IB也会随之有一小的变化，受基极电流IB的控制，集电极电流IC会有一个很大的变化，基极电流IB越大，集电极电流IC也越大，反之，基极电流越小，集电极电流也越小，即基极电流控制集电极电流的变化。

但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的电流放大作用。

三极管种类繁多、结构原理较为复杂，在此只作简单探究。

如图（8）所示，按照安装模式可分为插件三极管和贴片三极管；按结构原理可分为PNP型三极管和NPN型三极管。

图（9）
PNP三级管的箭头基极B其实就是开关，如果有个电流从发射极E流到基极B那么就等于打开了开关，然后电流就可以顺利从发射极E流到集电极C，但同时它还具有放大电流的作用。

通常三极管的放大倍数为几十到几百倍，具有较大的放大作用。

本次试验由于不需要如此大的放大倍数，所以在购买后并未使用三极管。

实验总结
这次自主设计实验与课堂教学实验极为不同，让我们受益良多。

从立意到调研的过程中学到了很多新的知识（如继电器、三极管的结构原理），在无人指导的情况下亲自购买实验器材并测定使用方法极大地锻炼了我们的自主思考和动手的能力，还掌握了许多新实验仪器的使用方法（如温度感应器、变压直流电源等），都是很有意义的收获。

在实验过程也犯了许多错误，如本应在恒流条件下测定热敏电阻的温阻曲线却错接了恒压电源、忽略了用电器的电压上线而两度烧毁发光二极管等，都已予以及时纠正，并取得了实验的最终成功。

当然在其中我们也忽略了很多实际因素，如电路在火灾中的保护问题，火灾时室内电路的影响。

希望今后还能有机会参加此类自主性设计实验的活动，用自己的思考与行动做出更多更好的实验，不断提高自己的实验能力，打下良好的物理实验基础。