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低成本简易火灾报警电路

火灾报警电路是一种能够检测火灾并激活警报声或蜂鸣器的简单电路。火灾报警电路和烟雾传感器是安全系统的一部分，有助于检测或防止火灾造成的损害。在商业建筑（如办公室、电影院、购物中心等公共场所）中安装火灾报警系统和烟雾传感器是强制性的。

1. 低成本简易火灾报警电路​

有许多形式为独立设备的昂贵且复杂的火灾报警电路，但我们设计了五个使用常见元件（如热敏电阻、LM358、锗二极管、LM341和NE555）的非常简单的火灾报警电路。

接下来，我们将在以下各节中查看所有这些电路、它们的电路图、每个电路所需的元件以及各个电路的工作原理。

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2. 电路 1：简易火灾报警电路​

这是一个使用热敏电阻、LM358运算放大器和蜂鸣器的非常简单的报警电路。

2.1 电路图​

该简易火灾报警项目的电路图如下图所示。

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2.2 所需元件​

  • 1 x 10K热敏电阻
  • 1 x LM358运算放大器（运放）
  • 1 x 4.7KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 10KΩ电位器
  • 1 x 小型蜂鸣器（5V蜂鸣器）
  • 连接线
  • 迷你面包板
  • 5V电源

2.3 元件描述​

10K热敏电阻 热敏电阻是温度依赖型电阻，即热敏电阻的阻值会根据周围温度变化而变化。热敏电阻分为两种类型：正温度系数（PTC）热敏电阻和负温度系数（NTC）热敏电阻。PTC表示正温度系数，NTC表示负温度系数。在PTC热敏电阻中，阻值与温度成正比；在NTC热敏电阻中，阻值与温度成反比。

在本项目中，我们使用的是10KΩ的NTC热敏电阻。在25°C时，10KΩ热敏电阻的阻值为10KΩ。下图展示了本项目中使用的10K热敏电阻。

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LM358运算放大器 LM358是一种双运算放大器（运放）集成电路。所有典型运算放大器的功能模式都可以通过LM358集成电路实现。然而，在本项目中，我们将使用LM358运算放大器的比较器模式，其中反相和非反相端子上的输入信号进行比较，并产生相应的输出。

2.4 电路设计​

火灾报警电路（带警报声）的设计非常简单。首先，将10KΩ电位器连接到LM358运放的反相端子。电位器的一端连接到+5V，另一端连接到地，滑动端连接到运放的引脚2。

接下来，我们使用10K热敏电阻和10KΩ电阻构成一个分压电路。该分压电路的输出（即连接点）连接到LM358运算放大器的非反相输入端。

在本项目中，我们选择了一个小型的5V蜂鸣器来发出警报声。因此，直接将LM358运放的输出连接到5V蜂鸣器。

LM358集成电路的引脚8和4（即V+和地）分别连接到+5V和地。

2.5 简易火灾报警电路的工作原理​

现在，我们来看一下简易火灾报警电路的工作原理。首先需要了解的是，检测火灾的主要元件是10K热敏电阻。正如我们在元件描述中提到的，这里使用的10K热敏电阻是NTC型热敏电阻。如果温度升高，热敏电阻的阻值会降低。

在火灾发生时，温度会升高。这种温度的升高会降低10K热敏电阻的阻值。随着阻值的降低，分压电路的输出会增加。由于分压电路的输出连接到LM358运放的非反相输入端，其值会高于反相输入端的值。因此，运放的输出变为高电平，并激活蜂鸣器。

3. 电路 2：使用热敏电阻的简易火灾报警电路​

3.1 电路图​

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3.2 火灾报警电路的元件​

  • 热敏电阻
  • 可变电阻（电位器）
  • 二极管
  • 电容
  • 电阻
  • BC547晶体管
  • 扬声器

3.3 电路工作原理​

  • 该电路包含一个10kΩ的热敏电阻。这是一个NTC热敏电阻，其阻值会随着温度的升高而降低。
  • 在室温下，其阻值为10kΩ。
  • 另一个电阻与热敏电阻相连，形成一个分压电路，并通过二极管连接到晶体管。
  • 只有当晶体管接地时，蜂鸣器才会打开。随着温度的升高，蜂鸣器的声音也会增大。

4. 电路 3：带警报声的火灾报警器​

当家中发生火灾时，该电路会通过发出警报声提醒我们。您可能以前见过火灾报警器，但这个电路有所不同，因为它产生的是警报声而不是蜂鸣器的声音，并且它使用基本元件来产生这种警报声。

我们知道有许多集成电路可以用来产生警报声效果，但我们更倾向于使用基本电子元件（如电阻、电容和晶体管）来产生它，这样您就可以清楚地了解其内部工作原理，并且通过分析它而不是简单地选择预设计的集成电路，您将获得更多的知识。

4.1 电路图​

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4.2 所需元件​

  • 1 x 10K热敏电阻
  • 2 x BC547 NPN晶体管
  • 1 x BC107 NPN晶体管
  • 1 x 2N2222 NPN晶体管
  • 1 x 2N2907 PNP晶体管
  • 3 x 4.7KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 470KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 56KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 47KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 39KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 22KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 1KΩ电阻（1/4瓦）
  • 1 x 470Ω电阻（1/4瓦）
  • 1 x 120Ω电阻（1/4瓦）
  • 1 x 10KΩ电位器
  • 1 x 22µF电容（极化电容）
  • 1 x 470nF（0.47µF）陶瓷电容
  • 1 x 蜂鸣器

4.3 工作原理​

该电路使用热敏电阻来感应温度。当它感应到环境温度升高超过设定阈值时，它会发出信号。通过在VR1处使用电位器设置，可以调整电路检测火灾的温度。

当温度升高超过设定值时，电位器设置会产生高电压。然后将该电压输入到共射极模式的BC547晶体管。这是一种NPN通用晶体管。当基极输入高电平时，它会被打开。当晶体管打开时，其集电极电压会降低，因为集电极到发射极的电压降低。第一个晶体管的集电极输出电压作为输入，输入到第二个BC547 NPN晶体管的基极。这个晶体管也处于共射极模式，当温度达到阈值时，输入为低电平，集电极的输出将升高。在这种状态下，它将打开下一个晶体管，即BC107。该晶体管现在将作为警报电路的开关。与BC547相比，该晶体管可以承受更大的功率，并且配备了散热器以实现此目的。

当BC107晶体管打开时，它允许电流从电源通过集电极流向地，从而作为电子控制开关。当电流通过时，组装为电路负载的警报电路被打开。然后，您可以通过蜂鸣器听到警报声。电路中使用的电容是产生警报声效果的主要元件。产生警报声效果的原理是制作一个具有周期性增加和减少的包络的振荡器，以产生该效果。

5. 电路 4： 火灾报警电路使用 LM741​

这里又是一个关于火灾报警器的小项目。当家庭或办公室发生火灾时，它会检测到火灾并发出警报。

5.1 使用 LM741 的火灾报警电路原理图​

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热敏电阻是主要的检测元件，它通过检测房间温度的突然变化来探测火灾，因为火灾产生的热量会导致温度变化。热敏电阻会检测到热量并将信息传递给LM741运算放大器。运算放大器会使NE555产生脉冲，该脉冲被传递给蜂鸣器以发出警报。

5.2 LM741​

LM741是一种运算放大器，它根据输入电压的差异进行工作。LM741具有以下特点：高电流驱动、电压增益、噪声放大以及提供低输出阻抗。LM741还可以用作短路保护。

5.3 使用 LM741 的火灾报警电路原理图​

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5.4 电路工作原理​

  • 电路原理与第一个电路类似，即使用热敏电阻来检测温度升高。但只有在温度达到一定值后才会升高。
  • 此处运算放大器作为非反相比较器，即只有当VinV_{in}（2号引脚的电压）< VrefV_{ref}（3号引脚的电压）时，VoutV_{out}才为正。
  • 当没有火灾时，比较器的2号引脚的电压大于3号引脚的电压。
  • 当没有火灾时，热敏电阻的阻值为10k。因此，10k和4.7k形成电压分配电路。
  • 2号引脚的电压计算公式为：V=100×12100+4.7=11.4VV = \frac{100 \times 12}{100 + 4.7} = 11.4V
  • 3号引脚的电压为：V=50×12100=6VV = \frac{50 \times 12}{100} = 6V（电位器的可变引脚处于总电阻的50%位置）
  • 当发生火灾时，热敏电阻的温度升高，其阻值减小。因此，2号引脚的电压开始下降。因此，VoutV_{out}变为正，即等于VccV_{cc}。
  • 此处选择的参考电压为6V。只有当输入电压小于6V时，火灾报警器才会启动。要增加参考电压，需减小电位器的阻值。

6. 电路 5： 使用锗二极管的火灾报警电路​

这是一个使用锗二极管和555定时器的简单火灾报警电路。在这个电路中，锗二极管在检测火灾中发挥着非常重要的作用。该电路非常易于构建，成本低廉且易于实施。

6.1 使用锗二极管的火灾报警电路原理图​

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这里是一个成本不到100卢比的简单火灾报警电路。该电路的关键元件是DR25（锗二极管），其阻值会随着温度的升高而降低。锗二极管的导通温度为70摄氏度。因此，我们可以使用锗二极管作为热敏传感器。当温度超过70摄氏度时，锗二极管会导通并通过晶体管触发NE555定时器。

NE555配置为无稳态多谐振荡器，当锗二极管导通时，蜂鸣器会发出警报。因此，我们可以得到警报并根据警报采取行动。

6.2 使用锗二极管的火灾报警电路原理图​

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6.3 电路工作原理​

  • DR25锗二极管是一种热敏传感器，当温度升高到一定值时会导通。DR25在电路中被反向偏置。只有当室温超过70摄氏度时，它才会导通。
  • DR25与晶体管反向偏置连接，其反向电阻很高（大于10k欧姆），不会使连接到555定时器复位引脚的晶体管关闭。当晶体管关闭时，555定时器的复位引脚处于接地电平。此处，555定时器被配置为无稳态多谐振荡器。
  • 当室温超过70摄氏度时，DR25二极管的阻值降至1k欧姆，这会使晶体管关闭并使复位引脚变为高电平。这将在3号引脚产生输出并通过警报器发出声音。
  • 我们可以在不同房间并联3个或更多的反向偏置二极管。如果发生火灾，它会感应到并发出警报。

6.4 注意事项​

  • 如果可以获取DR25锗二极管，您还可以使用AC128、AC188或2N360锗晶体管。用基极和发射极结代替阴极和阳极。
  • 二极管必须反向偏置连接到电路中。

6.5 应用​

  • 火灾报警电路在家庭、办公室、学校、实验室等场所非常有用，可以检测并防止火灾造成的任何灾难。
  • 火灾报警系统可以作为独立设备工作，也可以作为具有其他安全功能（如烟雾检测、入侵警报、运动检测等）的复杂家庭安全系统的一部分。