基于multisim的火災(zāi)報(bào)警電路設(shè)計(jì)

1、基于multisim的火災(zāi)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 【摘要】本文講了利用熱敏電阻阻值隨溫度變化的特點(diǎn)，在以各電阻和電壓跟隨器，減法比例運(yùn)算器，電壓比較器等電路的合理正確連接，就可形成一個(gè)較為簡(jiǎn)單的火災(zāi)報(bào)警電路。 【關(guān)鍵字】計(jì)算機(jī)、Multisim仿真軟件、溫度傳感器、比例運(yùn)算電路、單限比較器、報(bào)警電路； 目錄 1.引言： . 3 2.Mulitism軟件的簡(jiǎn)介： . 3 2.1.Mulitism軟件的由來(lái)： . 3 2.2.Multisim的發(fā)展史： . 3 2.3.multisim 10概述 . 5 3.火災(zāi)報(bào)警電路說明： . 6 3.1火災(zāi)報(bào)警電路總體說明： . 6 4.火災(zāi)報(bào)警電路原理與分析： .

2、6 4.1.溫度傳感器： . 7 4.2.比例運(yùn)算電路： . 7 4.3.單限比較器： . 8 4.4.報(bào)警電路： . 8 4.5.總結(jié)： . 9 5.設(shè)計(jì)方法步驟與仿真： . 9 5.1.畫出原理圖。如電路圖2： . 9 5.2.根據(jù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算： . 9 5.3.選擇和估算出聲光報(bào)警電路參數(shù)： . 9 5.4.電路仿真： . 10 6.結(jié)束語(yǔ)： . 10 致謝： . 11 1.引言： 生活中難免遇到火災(zāi)的發(fā)生，為了在火災(zāi)來(lái)臨之前防患于未然，因此一個(gè)火災(zāi)報(bào)警器是十分必要的，因而我們模擬設(shè)計(jì)了火災(zāi)報(bào)警電路。它包括了溫度傳感器、放大器、電阻、模擬電路實(shí)驗(yàn)箱、發(fā)光二極管、蜂鳴器等等。其中溫度傳感器

3、是一個(gè)熱敏電阻，它通過感知溫度的變化來(lái)改變電路中電流的大小，并影響電路中二極管和蜂鳴器中所通過的電流，使其產(chǎn)生變化。而后通過multisim軟件仿真的實(shí)現(xiàn)來(lái)使二極管發(fā)光以及使蜂鳴器報(bào)警，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)防火災(zāi)及減小火災(zāi)危害的作用。 2.Mulitism軟件的簡(jiǎn)介： 2.1.Mulitism軟件的由來(lái)： Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Mu

4、ltisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 EWB是基于PC平臺(tái)的電子設(shè)計(jì)軟件，它提供了一個(gè)功能全面的SPICEA/D系統(tǒng)，支持模擬和數(shù)字混合電路的分析和設(shè)計(jì)，創(chuàng)造了集成的一體化設(shè)計(jì)環(huán)境，把電路原理圖的輸入、仿真和分析緊密的結(jié)合起來(lái)。系統(tǒng)將SPICE仿真器完全集成在原理圖輸入和測(cè)試

5、儀儀器等工具之中。與其它Windows環(huán)境下的系統(tǒng)軟相類似，它具有圖形化界面，提供按鈕式的工具欄，各個(gè)菜單中各個(gè)選項(xiàng)的物理意義一目了然。在輸入原理圖時(shí)，自動(dòng)地將其編輯成網(wǎng)絡(luò)表送到仿真器，加快建立和管理的時(shí)間；而在仿真過程中，若改變?cè)O(shè)計(jì)，則立刻獲得改變化所帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了交互式的設(shè)計(jì)和仿真。 Mulitism9是EWB的新產(chǎn)品，具有更為龐大的元器件模型參數(shù)庫(kù)和更為齊全的儀器儀表庫(kù)；除了具有SPICEA/D全部分析功能外，還包含萬(wàn)用表、信號(hào)發(fā)生器、示波器、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀、失真分析儀、頻率計(jì)、邏輯分析儀、邏輯轉(zhuǎn)換儀、波特圖儀、瓦特圖表等18種虛擬儀器儀表，可模擬試驗(yàn)室內(nèi)的操作進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

6、因而，學(xué)習(xí)Mulitism，除了可以提高仿真能力、綜合能力和設(shè)計(jì)能力外，還可進(jìn)一步提高實(shí)踐能力。 2.2.Multisim的發(fā)展史： Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱IIT公司)首次推出的一款專門應(yīng)用于模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。 該公司從開發(fā)出第一款仿真軟件后又連續(xù)研制出了EWB5.0 、EWB6.0 、Multisim2001 、Multisim 7 、Multisim 8等五款仿真軟件，后被被美國(guó)NI公司收購(gòu)以后，其性能得到了極大的提升。最大的改變就是：Multisim 9與LABVIEW 8的完美結(jié)合： 新特點(diǎn)：

7、 （1）可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器； （2）所有的虛擬信號(hào)都可以通過計(jì)算機(jī)輸出到實(shí)際的硬件電路上； (3)所有硬件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析。 Multisim 9組成： 1 構(gòu)建仿真電路 2 仿真電路環(huán)境 3 multi mcu - 單片機(jī)仿真 4 FPGA、PLD，CPLD等仿真 5 FPGA、PLD，CPLD等仿真 6 通信系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的模塊 7 PCB設(shè)計(jì)模塊：直觀、層板32層、快速自動(dòng)布線、強(qiáng)制向量和密度直方圖 8 （自動(dòng)布線模塊） 仿真的內(nèi)容： 1 器件建模及仿真； 2 電路的構(gòu)建及仿真； 3 系統(tǒng)的組成及仿真； 4 儀表儀器原理及制造仿真。

8、 器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件： 模擬器件（二極管，三極管，功率管等）； 數(shù)字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）； FPGA器件。 電路的構(gòu)建及仿真： 單元電路、功能電路、單片機(jī)硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。 系統(tǒng)的組成及仿真：Commsim 是一個(gè)理想的通信系統(tǒng)的教學(xué)軟件。它很適用于如信號(hào)與系統(tǒng)、通信、網(wǎng)絡(luò)等課程，難度適合從一般介紹到高級(jí)。使學(xué)生學(xué)的更快并且掌握的更多。 Commsim含有200多個(gè)通用通信和數(shù)學(xué)模塊，包含工業(yè)中的大部分編碼器，調(diào)制器，濾波器，信號(hào)源，信道等，Commsim 中的模塊和通常通信技術(shù)中的很一致，這可以確保你的學(xué)生學(xué)會(huì)當(dāng)今所有最重要的

9、通信技術(shù)。 要觀察仿真的結(jié)果，你可以有多種選擇：時(shí)域，頻域，XY圖，對(duì)數(shù)坐標(biāo)，比特誤碼率，眼圖和功率譜。 儀表儀器的原理及制造仿真：可以任意制造出屬于自己的虛擬儀器、儀表，并在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)境和實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行使用。 PCB的設(shè)計(jì)及制作：產(chǎn)品級(jí)版圖的設(shè)計(jì)及制作。 美國(guó)NI公司提出的理念： “把實(shí)驗(yàn)室裝進(jìn)PC機(jī)中” “軟件就是儀器 2.3.multisim 10概述 通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路 通過交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為 借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征 通過一個(gè)工具鏈, 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試 通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間 直觀的捕

10、捉和功能強(qiáng)大的仿真： NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。 電子通信類其它常用的仿真軟件： System view-數(shù)字通信系統(tǒng)的仿真 Proteus單片機(jī)及ARM仿真 LabVIEW虛

11、擬儀器原理及仿真 3.火災(zāi)報(bào)警電路說明： 此火災(zāi)報(bào)警電路的框圖如下: 圖1火災(zāi)報(bào)警電路框圖 3.1火災(zāi)報(bào)警電路總體說明： （1）溫度控制電路有熱敏電阻的水溫度的的變化電阻減小而控制必列運(yùn)算電路的輸入電壓。 （2）比例運(yùn)算實(shí)現(xiàn)電壓差。并用輸出控制單限比較器。 （3）不同的電壓使單限比較器輸出不同的電平。使二極管和晶體管導(dǎo)通，控制報(bào)警電路。 （4）導(dǎo)通后二極管亮，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。 此火災(zāi)報(bào)警電路中使用了熱敏電阻元件以及比例運(yùn)算電路以及聲光報(bào)警電路。 4.火災(zāi)報(bào)警電路原理與分析： 如下圖所示為火災(zāi)報(bào)警電路原理圖： 圖2火災(zāi)報(bào)警電路原理圖 4.1.溫度傳感器： 溫度傳感器工作原理： 溫度傳感器是檢測(cè)溫

12、度的器件，被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和生活等領(lǐng)域，其種類多，發(fā)展快溫度傳感器一般分為接觸式和非接觸式兩大類所謂接觸式就是傳感器直接與被測(cè)物體接觸進(jìn)行溫度測(cè)量，這是溫度測(cè)量的基本形式而非接觸式是測(cè)量物體熱輻射而發(fā)出的紅外線從而測(cè)量物體的溫度，可進(jìn)行遙測(cè)，這是接觸方式所做不到的 接觸式溫度傳感器有熱電偶、熱敏電阻以及鉑電阻等，利用其產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)或電阻隨溫度變化的特性來(lái)測(cè)量物體的溫度，被廣泛用于家用電器、汽車、船舶、控制設(shè)備、工業(yè)測(cè)量、通信設(shè)備等另外，還有一些新開發(fā)研制的傳感器，例如，有利用半導(dǎo)體PN 結(jié)電流/電壓特性隨溫度變化的半導(dǎo)體集成傳感器；有利用光纖傳播特性隨溫度變化或半導(dǎo)體. 其中溫

13、度傳感器（熱敏電阻）隨溫度的變化阻值變小，因此分壓減小。有公式： UI2=VCC?R R?RP2（1） UI1=VCC?R。 （2） R?RP1 熱敏電阻R和R變化時(shí)UI2和UI1變化。R接受高溫，R在室溫下時(shí)。由于R的減小，使UI2減小。與同向端UI1形成壓差。雙端輸入的比列運(yùn)算電路，如圖（3）。當(dāng)R1/R2/Rf =R3/R4/R5時(shí) UO=( 4.2.比例運(yùn)算電路： UI3UI4UI2UI1+ ?) ( 3) R3R4R2R1UI1UI2 圖（3）雙端輸入的比列運(yùn)算電路 圖（4） 差分比例運(yùn)算電路 若電路中有兩個(gè)輸入且參數(shù)對(duì)稱如圖（4）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)差模信號(hào)的放大,電路中一級(jí)A1運(yùn)放。則輸出

14、結(jié)果為： UO=R3(UI1-UI2) (4） R1 即為本題中一級(jí)運(yùn)放A1的輸出結(jié)果。當(dāng)熱敏電阻R發(fā)生改變時(shí)，UI2減小，因此UO1增大。 4.3.單限比較器： 單限比較器工作原理： 由圖5所示為火災(zāi)報(bào)警電路的第三部分單限電壓比較器電路。由于沒有引入反饋，并且工作在開環(huán)狀態(tài)，故構(gòu)成單限電壓比較器。由圖中R10、R9可以得出閾值電壓，也就是說當(dāng)從差分放大電路出來(lái)的電壓大于閾值電壓的時(shí)候才會(huì)由電流從單限電壓比較器中流過。輸出的直流電壓作用于輸入端1，如果輸出的電壓大于單限電壓比較器的閾值電壓，則就可以通過單限電壓比較器，然后作用在發(fā)光二極管LED燈和蜂鳴器上。但如果差分放大器輸出的電壓小于閾值電

15、壓，則電流不會(huì)通過單限電壓比較器，此時(shí)二極管工作在低電平狀態(tài)，就不會(huì)有任何警報(bào)。 UO2 UO1 圖（5） A2組成的電壓比較器的電壓傳輸性 當(dāng)UO1>UT, UO2=UOH 輸出高電平，使發(fā)光二極管和晶體管導(dǎo)通。 當(dāng)UO1<UT, UO2=UOL 輸出低電平，使發(fā)光二極管和晶體管截止。 4.4.報(bào)警電路： R5和R6所在的圖（2）中后面的部分發(fā)光二極管的電流為： ID= 晶體管的基極電流為： UOH?UD （5） R7 IB=UOH?UBE （6） R8 集電極電流即蜂鳴器的電流為： IC?IB （7） 4.5.總結(jié)： 當(dāng)沒有火災(zāi)時(shí)，(UI1-UI2),數(shù)值很小，UO1<U

16、T, UO2=UOL，使發(fā)光二極管和晶體管均截止，很平靜。 當(dāng)遇到火災(zāi)時(shí)， UI1>UI2 ，(UI1-UI2)，增大到一定值，UO1>UT, UO2=UOH，使發(fā)光二極管和晶體管均導(dǎo)通，發(fā)出報(bào)警。 5.設(shè)計(jì)方法步驟與仿真： 5.1.畫出原理圖。如電路圖2： 5.2.根據(jù)設(shè)計(jì)原理計(jì)算： 選擇合適得電壓VCC=12V，因此得到所需電壓差： UI2=VCC?R=12V （8） R?RP2 VCC?R=8V （9） UI1=R?RP1 通過加減運(yùn)算電路估算一級(jí)運(yùn)放的輸出UO，這里選擇R1=R2=10K?和R3=R4=20K?。則： UO= 選擇和估算出二級(jí)運(yùn)放的參數(shù)。 二級(jí)運(yùn)放有閥值電壓

17、： UT=R3(UI1-UI2)=8 R1V。 R6VCC2 （10） R5?R6 如果要報(bào)警必須輸出高電平。則只要UO1>UT, UO2 =UOH 可以使UO1=VCC2=5V,只需要系數(shù)R6?1即可。因此可選擇 R5=3K?,R6=2K?。 R5?R6 R6?VCC2=2V UT=R5?R6 5.3.選擇和估算出聲光報(bào)警電路參數(shù)： 由于發(fā)光二極管的電流為：ID=UOH?UD，且R7選用273?電阻。 R7 晶體管的基極電流為：IB= 可。 UOH?UBE,UBE=0.7V，IB約為幾毫安，因R8=3K?即R8 在此過程中必要的檢驗(yàn)和調(diào)試是必不可少的。 5.4.電路仿真： 電路圖仿真的

18、實(shí)現(xiàn): 首先應(yīng)該利用Multisim連接好電路圖，火災(zāi)報(bào)警電路的所需要的元器件有電阻、導(dǎo)線、放大器和三極管、發(fā)光二極管、蜂鳴器等。 我們需要學(xué)會(huì)從元件庫(kù)里調(diào)用這些元件。點(diǎn)擊菜單欄下的“放置”選項(xiàng)，選擇導(dǎo)線，就可以在頁(yè)面上放置一段導(dǎo)線，還可以放置節(jié)點(diǎn)等一系列電路要素，接下來(lái)就是元器件的選擇和使用了。點(diǎn)擊放置，選擇components元件庫(kù)，里面包含了本次課程設(shè)計(jì)所需要的所有元器件，在主數(shù)據(jù)庫(kù)里找到我們本次課設(shè)所需要的元器件，然后用導(dǎo)線將它們按照電路圖都連接起來(lái)，就構(gòu)成了一個(gè)初步的差分放大電路。 然后再按要求加入所需電壓，形成電壓差。打開仿真開關(guān)，此時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)二極管發(fā)光，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。 圖（6）即為仿真結(jié)果。 6.結(jié)束語(yǔ)： 此次火災(zāi)報(bào)警電路課程設(shè)計(jì)讓我解和認(rèn)識(shí)得到了多方面的鍛煉。一方面我對(duì)模擬電子 技術(shù)專業(yè)知識(shí)有了進(jìn)一步的掌握并熟悉了更多電子儀器的使用方法，掌握電子電路的測(cè)試方法，了解常用電子器件的類型和特性，同時(shí)掌握如何合理選用電子器件的原則。應(yīng)用知識(shí)更為得新應(yīng)手，熟練自如。有了更多對(duì)模擬電子技術(shù)綜合性訓(xùn)練的機(jī)會(huì)。也通過實(shí)用型模擬電子電路設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)，培養(yǎng)了我運(yùn)用課程中所學(xué)的理論與實(shí)踐緊密結(jié)合，獨(dú)立地解決實(shí)際問題的能力。另一方面對(duì)于動(dòng)手能力的培養(yǎng)和敏捷思維方式的形成起到很大的作用。設(shè)計(jì)一個(gè)電路首先要有合理的原理，再有合理的原理圖