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

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。

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。

        除了上述的开关外，还有另一个开关电路，就是前面说到的DC-005插座，利用该插座的引脚3来作为开关使用，前面也讲到当DC插头插入插座后，引脚2和引脚3是断开的，没插入则是连通，很显然，这可以当做开关来使用。使用这个开关原理来设计外部DC电源和内部锂电池切换的电路，这种切换是通过切断锂电池负极通路实现的，下面结合电路来分析。

        图中J1是DC-005插座，P1是锂电池插座，当DC插头没插入时，J1的引脚2和引脚3是连接在一起的，锂电池有地回路，当DC插头插入后，J1的引脚2和引脚3断开，锂电池的负极回路断开，锂电池停止供电，随即接入外部DC电源的负极，与J1的引脚1和引脚2构成新的供电回路。

补充一：在这里说下自锁开关要注意的问题，自锁开关的电气连接有两种，如下图，两者是不兼容的，有些人就是因为不清楚两者的区别，导致PCB封装与实物不一致，导致电气连接错误。

        看下这类的自锁开关线路图，图中实线表示没按下的线路，虚线表示被按下的线路，在开关没按下时（图中的Free），引脚4和引脚6、引脚1和引脚3是连接在一起的，当开关被按下时（图中Push），则是引脚4和引脚5、引脚2和引脚3是连接在一起，引脚4和引脚6、引脚1和引脚3就断开。这种开关有种好处就是没方向性，公共引脚是引脚1和引脚3，但在电路设计中要注意常闭和常开引脚，不然会出现，开关按下是断开的，开关没按下是接通的情况。

        这类自锁开关没按下时，引脚1和引脚2、引脚4和5分别是接通的，当开关被按下后，引脚1和引脚2、引脚4和5断开，引脚5和6、引脚2和3分别接通，这种开关是有方向性的，公共引脚是引脚2和引脚5。

2、锂电池充电以及电量检测电路

        前面虽然也讲到一个充电电路，但由于在后面设计中将充电和电量指示灯共用一个双色LED，所以重新设计了电路，充电电路与前面的稍微有点不同，但原理都是一样的，下面的电路图是将充电和电量检测电量两者结合的电路。

        先讲下充电电路，当USB_5VA接入时（由于自锁开关的作用，VCC_5V和BATA是没有接入的），D9的绿灯亮，若锂电池处于充电状态，TP4054的引脚1处于强下拉到地，三极管Q4导通，D9的红灯亮，故此时双色LED呈黄色来指示充电状态。当锂电池充电完成后，TP4054的引脚1为弱下拉，三极管Q4截止，D9红灯灭，此时只有绿灯亮，用于指示充电完成。

        接着是锂电池电量不足指示灯电路设计，当电量不足，红灯亮。电路原理：设定一个电量阈值电压，当锂电池低于此值时，表示电量不足,利用电阻分压来检测电池的电量。上图中，通过R30和R32分压产生3V作为比较器U5A的负输入端电压，用R2和R33对锂电池进行分压，当锂电池电压降到3.3V，R2和R33分压得到3V，故当锂电池电压低于3.3V时（电量不足），比较器U5A输出低电平，此时三极管Q3导通，D9的红灯亮，提醒电量不足。最后说下，这种通过电阻分压来检测电量的方法并不是很精确，但在要求不高的场合凑合还能用，如果需要高精度的电量检测，就需要用到库仑计来检测了。

3、烟雾报警指示灯电路

        前面也讲到一种控制方法，但随着后面的电路设计也作出了更改，具体电路如下图，紫色框内是烟雾传感器的采集电路，当处于烟雾正常状态时，比较器U5C输出低电平，三级管Q7不导通，D7双色灯的绿灯直接由VCC_5V驱动点亮，绿灯表示空气质量良好。当处于烟雾报警状态时，比较器U5C输出高电平，三级管Q7导通，D7双色灯的绿灯被短接到地，此时绿灯灭，由于比较器U5C输出高电平使得比较器U5D产生两个阈值电压，形成滞回比较器，比较器U5D输出一个PWM波来驱动D7双色灯的红灯，红灯在PWM波的驱动下会闪烁，用来提醒用户此时空气质量不达标。

4、蜂鸣器和继电器控制电路

        蜂鸣器控制电路，当比较器U5C输出高时，即烟雾浓度超过设定值，三极管Q6导通，由于这里使用的是有源蜂鸣器，三极管Q6导通，蜂鸣器就有了到地回路，蜂鸣器就会鸣叫，当比较器输输出低时，三极管Q6不导通，蜂鸣器停止鸣叫。

        继电器控制电路蜂鸣器类似，只要往继电器的控制端（其实就是个线圈）施加合适的工作电压电流，线圈通电产生磁场将开关吸合，这里也是通过三极管Q5导通提供到地回路。由于控制端是个线圈，属于感性元件，变化的电流通过线圈时线圈会产生自感电动势，所以在三极管Q5不导通瞬间，线圈上的瞬间电流变化率是很大的，就产生一个很大的反向电动势，如果这个直接作用在电路上可能会损坏三极管等器件，所以在线圈两端并联一个二极管D8，使断电瞬间线圈产生的自感电动势通过二极管D8形成续流，把这自感感生电流泄放掉从而保护了电路上的三极管等器件，所以这个二极管D8也称为续流二极管。

五、电路板Layout

        电路板Layout是使用Altium designer16，由于之前一直使用PADS这个软件来layout，对AD16不是很熟悉，之所以使用AD，是看中它的3D效果，而且好多DIY朋友应该也是用这个软件吧，具体的layout过程就不说，一说起来都不知道说到什么时候，在这里就把电路板的3D模型贴出来吧。

六、电路焊接和调试

1、电路板是在嘉立创打样的，速度还是可以的，三天板子到手，电路板焊接调试都是晚上，白天基本没时间，先上图。

2、焊接过程发现的问题

        电路焊接前，先用万用表蜂鸣档或者电阻档测试电路板的电源和地是否有短路，若没有才开始焊接。这次diy焊接是按功能焊接，焊接顺序：电源部分-锂电池充电部分-锂电池升压-烟雾传感器-比较器逻辑部分。

2.1、USB问题

        焊接好usb，通电发现usb的5V引脚和地引脚反了，悲催的是我底层是全覆铜作为参考地平面的，在这种情况下只能割线了，如图中红线部分，先把铜皮和地分割出来作为5V输出，再从usb的地引脚飞线出来，割线使用的是美工刀。

2.2、元器件封装问题

        发现元件封装有问题是进行功能模块测试时发现的，电路板中的封装引脚和实物的引脚对不上，封装有问题的元件是MOS管和三极管，出现这种问题也是由于疏忽造成的，MOS管和三极管在原理图中使用的是AD默认库中的元件，而pcb封装则是使用标准的SOT-23封装，没仔细检测，原理图中的引脚号和PCB中的引脚号是没对上的。对于这种情况还是有办法解决的，将MOS管和三极管反面焊接，就是引脚朝上面。出了问题我们不一定要重新打样电路板，要思考下如何在原来的板子上修改，毕竟这是样板，可以把功能调试完再重新打样。

2.3、二极管封装过小问题

        唉，总之，这次基本都衰在封装上，肖特基二极管的封装原来是的，后面不知道怎么就变，在layout时居然没发觉。如图中只有D4的封装是对的，其他都小了，后面就想了个办法，用直插封装立起来焊接，勉强焊接好。

3、调试过程

3.1、DC12转5V电路

这个万用表是以前买东西送的，质量不怎么样，凑合还能用，之前买的一个胜利牌的万用表突然就用不了，有空看看能不能修，78M05的电路是可以正常输出5V。

3.2、锂电池电路

        这里锂电池是利用两个MOS管自行导通的，测试结果理想，基本没什么压降。之前也看到有人在群里说到MOS管用在锂电池电路的问题，无非是体二极管方向的问题，有空再把这个问题补充下，现在先把后面的东西写完先。

3.3、烟雾传感器输出

烟雾传感器的输出可以通过电位器A来调整适合的输出电压，假如在某一环境下输出是3V的，可以通过这个电位器调整为输出2.5V（在相同环境下，调整电压的输出），而电位器B是用来设置报警阈值的，前面的理论部分也有说到。

3.4、报警红灯闪烁电路

原来是通过比较器产生一个方波来直接驱动led，实际上是LED是不会闪烁的，因为PWM可以等效为一个直流电压，为了解决这个问题，接了另一个LED，用产生的PWM波来控制三极管S8050,8050再去控制LED的阴极的通断，成功让LED闪烁，三极管和LED都是飞线操作的。

3.5、三角波和方波电路

三角波和方波都可正常产生

3.6、继电器和蜂鸣器电路

功能正常，可根据烟雾传感器状态控制风扇通断。

3.7、锂电池自动切换电路

        当usb和DC适配器插入后，锂电池经MOS管后是没有输出的，由于两个MOS管都不导通，usb和DC适配器的电流是不会流经电池和后记的升压电路的。

3.8、锂电池升压电路

        这部分电路的功能没实现，这段时间比较忙，调试电路的时间也比较紧，电路输出只有3V，具体的原因还没找到，后面会完善这个问题。

七、成品功能效果图

1、环境空气质量正常，亮绿灯，蜂鸣器不响，继电器不工作，风扇不转。

2、环境空气质量异常，红灯闪烁，蜂鸣器响，继电器工作，风扇转。

        本次的DIY还算是成功的，基本的电路功能都实现，遗憾的是升压电路没调出来，在这过程中也学到不少东西，以及也发现自身的一些不足，感谢张飞老师团队组织的这次DIY活动，也期待下次的DIY活动。