傳感器課程設(shè)計

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程課外學(xué)習(xí)點項目名稱是多傳感器火災(zāi)報警項目組成員名稱(學(xué)號)成就功績機(jī)械和汽車工程學(xué)院機(jī)械和電子工程系2010年5月多傳感器火災(zāi)報警摘要：近年來隨著家電的普及，家庭用電量逐年增加，火災(zāi)發(fā)生的頻率也增加，促進(jìn)了火災(zāi)警報的廣泛應(yīng)用。本文介紹的火災(zāi)報警是利用多傳感器的單片機(jī)有效解決報警準(zhǔn)確度和靈敏度之間的矛盾，確保人的生命和財產(chǎn)安全。本設(shè)計具有可靠性高、誤報率低等幾個實用價值。下一篇文章從主題的意義、設(shè)計思路、組件選擇、系統(tǒng)硬件軟件調(diào)試等方面進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：火警；多傳感器模糊判斷；多值判斷處理；微控制器1.簡介1.1目前火災(zāi)報警的發(fā)展1.1.1火災(zāi)探測技術(shù)今天，社會化資源帶來的安全事故比比皆是，對人們的生命財產(chǎn)和社會安全構(gòu)成了巨大威脅，因此，對此的研究預(yù)防也沒有停止?；馂?zāi)的發(fā)生是一個非常復(fù)雜的異常過程，除了自身化學(xué)物理變化外，容易受到外部環(huán)境的干擾，一旦發(fā)生，就會以接觸式(物質(zhì)流)和非接觸式能量流的形式釋放能量。接觸形式包括可燃?xì)怏w、煙霧、氣溶膠等。非接觸，如聲音、輻射等?；馂?zāi)探測技術(shù)將火災(zāi)中難以處理的化學(xué)物理變化特性轉(zhuǎn)換為可通過敏感組件輕松處理的物理量各種探測器的火災(zāi)物理參數(shù)和探測器如圖1-1所示。圖1-1對應(yīng)于各種探測器的火災(zāi)物理參數(shù)和檢測儀火災(zāi)火焰(非接觸)外觀-圖形檢測器燃燒產(chǎn)物(接觸式)溫度-溫度傳感器固體產(chǎn)品微粒靜電探測器煙霧探測器離子光電煙霧外觀-圖形傳感器氣體產(chǎn)品-氣體傳感器燃燒音(非接觸)-聲音傳感器輻射-火焰檢測器1.2火災(zāi)探測器未來的發(fā)展趨勢探測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大了對火災(zāi)的應(yīng)用，解決了現(xiàn)有探測器無法有效處理的環(huán)境限制。低功耗MCU技術(shù)、傅里葉近紅外光譜、弱信號處理技術(shù)等第一種交換技術(shù)的開發(fā)和提高大大提高了探測器的技術(shù)性能，并在早期檢測中迅速向小型化、智能化的方向發(fā)展。另一方面，隨著單片機(jī)應(yīng)用的不斷深入，各種類型的單片機(jī)也根據(jù)不同的需求開發(fā)出來，單片機(jī)實際上是單片機(jī)或微處理器，是設(shè)備級的計算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)由于體積小、成本低、功能更好，經(jīng)常應(yīng)用于各種電子系統(tǒng)。摘要單片機(jī)也可以滿足報警技術(shù)領(lǐng)域的要求，各時鐘報警設(shè)備的功能進(jìn)一步提高，可靠性大大提高，以適應(yīng)社會的需要。1.3設(shè)計工作參考目前國內(nèi)外各種火災(zāi)報警系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)，分析了其設(shè)計理念，確定了現(xiàn)有報警系統(tǒng)存在的問題，我隊設(shè)計了基于多傳感器及單片機(jī)技術(shù)的火災(zāi)報警系統(tǒng)，我們的設(shè)計主要如下。系統(tǒng)硬件設(shè)計：包括火災(zāi)報警系統(tǒng)的控制器板設(shè)計和這些組件的選擇、電路設(shè)計和繪圖、傳感器和相關(guān)電路設(shè)計。系統(tǒng)軟件設(shè)計：包括火災(zāi)報警系統(tǒng)主程序設(shè)計、各功能模塊的程序設(shè)計、數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)自檢程序設(shè)計。2.系統(tǒng)設(shè)計該系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災(zāi)報警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：l多值判斷處理：利用多傳感器進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控引起的火災(zāi)檢測也可以根據(jù)多值綜合判斷，將系統(tǒng)中多傳感器收集的數(shù)據(jù)集成到單芯片微機(jī)中處理，結(jié)合多組參數(shù)對各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行互補，使系統(tǒng)根據(jù)特定時間點的傳感器返回值準(zhǔn)確區(qū)分火災(zāi)情況和干擾原因，擴(kuò)大災(zāi)難檢測范圍，顯著降低靈敏度。l實時監(jiān)控和模糊判斷：傳感器輸出不是連續(xù)檢測結(jié)果，而是根據(jù)測試周期按一定間隔輸出，因此傳統(tǒng)火災(zāi)報警系統(tǒng)存在實時檢測問題，該系統(tǒng)可以使用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控傳感器輸出的信號和環(huán)境數(shù)據(jù)。與此同時，該系統(tǒng)并不是完全依賴數(shù)據(jù)閾值的判斷，而是隨著時間檢測，添加了有效區(qū)分火災(zāi)和干擾源的模糊判斷。2.1系統(tǒng)主要功能本設(shè)計的火災(zāi)報警系統(tǒng)具有以下功能：l火災(zāi)探測功能：傳感器返回的信號在由單片機(jī)判斷為火災(zāi)時發(fā)出火災(zāi)報警信號，并顯示在顯示器上。l分類警告功能：單芯片微型計算機(jī)根據(jù)不同類型的火災(zāi)或氣體泄漏特性，判斷警報類型并將其顯示在顯示器上，同時還會返回傳感器返回的環(huán)境信息。l錯誤檢測和報警功能：單片機(jī)在操作過程中實時檢測每個傳感器的操作狀態(tài)，如果傳感器確定沒有響應(yīng)，則立即發(fā)出錯誤信號并顯示具體的錯誤信息。l外部設(shè)備控制功能：系統(tǒng)做出火災(zāi)判斷時，啟動相應(yīng)的外部設(shè)備，如噴水裝置、警報等。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流我們設(shè)計的火災(zāi)報警系統(tǒng)由圖2-1所示的幾個部分組成。在檢測現(xiàn)場安裝傳感器，通過電線連接到主板傳感器驅(qū)動電路，將傳感器返回的信號傳輸?shù)秸麟娐罚D(zhuǎn)換為0-5V的電信號，從A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換為單片機(jī)，進(jìn)行下一步處理。系統(tǒng)的其馀部分安裝在主板上，單芯片微型計算機(jī)接收到每個傳感器的數(shù)據(jù)后，會在液晶上顯示值，根據(jù)預(yù)定的判斷原則判斷是否發(fā)生火災(zāi)，如果有火災(zāi)發(fā)生信號，則會顯示警報信息，同時驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出警報，同時驅(qū)動外部安全設(shè)備進(jìn)行操作。溫度傳感器模塊CO傳感器模塊煙霧傳感器模塊傳感器驅(qū)動電路STC89C52RC微控制器溫度氣體濃度讀數(shù)顯示外部設(shè)備狀態(tài)警告圖2-1火災(zāi)報警系統(tǒng)整體方框圖為了提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)硬件設(shè)計中采取了一些措施。設(shè)計系統(tǒng)時，不僅考慮了正常運行，還考慮了選擇。為了防止這種情況，系統(tǒng)設(shè)計為：如果檢測到單個傳感器的快速數(shù)據(jù)更改，則剩下的傳感器將檢測引起火災(zāi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)更改，同時確定數(shù)字是否達(dá)到警告閾值，如果未檢測到該更改，則將其視為干擾源，如果有相應(yīng)的更改，則認(rèn)為發(fā)生了火災(zāi)，并根據(jù)設(shè)置的閾值直接報警?；馂?zāi)報警系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中每個硬件模塊的設(shè)計，包括每個模塊的選擇、電路原理、功能實現(xiàn)和硬件設(shè)計。該火災(zāi)報警系統(tǒng)由傳感器和主板電路組成，同時考慮了系統(tǒng)性能和成本，采用了以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)設(shè)計。傳感器負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)，然后發(fā)送回主板。單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分析和處理，完成傳感器的檢測和分析，執(zhí)行誘發(fā)火災(zāi)的判斷和驅(qū)動報警電路工作。P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P2021RXD/P3010TXD/P3111INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9X119EA/VP31ale/p30PSEN29X218VCC40GND20STC89C52RC圖3-1 STC89C52RC微控制器針腳分配3.1選擇微控制器STC89C52是低功耗高性能CMOS8位微控制器，具有8Kb系統(tǒng)可編程閃存。采用高密度非易失性內(nèi)存技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指南和針腳完全兼容。片上閃存允許程序內(nèi)存在系統(tǒng)中編程，適合一般程序員使用。STC89C52在單芯片微計算機(jī)芯片上配備8位CPU和聯(lián)機(jī)系統(tǒng)可編程Flash，為許多嵌入式控制應(yīng)用程序提供了卓越的靈活性。使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)C51內(nèi)核執(zhí)行芯片的針腳分配，如圖3-1所示。與典型的8xC52相同的內(nèi)部功能和銷陣列主要用于收斂調(diào)整中的功能控制。功能包括聚合主IC內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù)RAM和外部接口等功能組件的初始化、聚合協(xié)調(diào)控制、聚合測試圖控制、紅外遠(yuǎn)程控制信號IR的接收解碼以及與主板CPU的通信。主銷為：XTAL1(19英尺)和XTAL2(18英尺)是振蕩器的輸入輸出端口，外部12MHz晶體。由外部電阻電容組成的重置電路，用于重置RST/Vpd(9英尺)輸入端口。VCC(40腳)和VSS(20腳)分別為5V電源的正負(fù)端供電。P0到P3是可編程的通用I/O腳，使用軟件定義的功能。此系統(tǒng)使用STC89C52RC型號，每個針腳功能的說明見表3-1。表3-1 STC89C52RC針腳功能說明名字名稱和功能愛爾地址鎖定功能P0.0-0.7P0端口P1.0-1.7P1區(qū)T2(P1.0):計時/計數(shù)器2的外部內(nèi)存輸入/時鐘輸出T2EX(P1.1):計時/計數(shù)器2重載/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2端口P3.0-3.7P3區(qū)RXD(P3.0):串行輸入端口TXD(P3.1):串行輸出端口INT0(P3.2):外部中斷0INT1(P3.3):外部中斷1T0(P3.4):計時器0外部輸入T1(P3.5):計時器1外部輸入WR(P3.6):外部數(shù)據(jù)存儲寫入信號RD(P3.7):外部數(shù)據(jù)內(nèi)存讀取信號PSEN程序存儲門控RST重置結(jié)尾VCC電源：提供斷電、空閑、正常工作電壓。VSS接地EA/Vpp外部尋址能力/編程電壓XTAL1決定1:輸入逆相振蕩放大器和輸入內(nèi)部時鐘發(fā)生電路XTAL2決定2:逆相振蕩放大器輸出3.2選擇傳感器對于火災(zāi)報警系統(tǒng)，傳感器性能對整個系統(tǒng)的運行性能起著決定性作用，因此傳感器的選擇尤為重要，根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計要求，使用了溫度傳感器、一氧化碳傳感器和煙霧傳感器。這三種傳感器是模擬信號傳感器，是通過放大成型電路和A/D轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的數(shù)據(jù)。此設(shè)計中的傳感器性能具有以下要求：煙霧檢測：0 5%/英尺，錯誤10%；溫度檢測：0 200，誤差4%；一氧化碳：0 500ppm，誤差5ppm。這些性能指標(biāo)是設(shè)計中每個傳感器選擇的基本基礎(chǔ)，其次是考慮組件的性價比因素，盡可能提高組件性能。3.2.1溫度傳感器溫度是表征物體冷熱程度的物理量。溫度只能通過物體隨溫度變化的某些特性間接測量。溫度計根據(jù)溫度測量方式可以分為接觸式和非接觸式兩類。一般來說，接觸溫度測量儀比較簡單、可靠，測量精度高。但是，溫度測量元件和測量目標(biāo)介質(zhì)需要充分的熱交換，需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，因此存在溫度測量延遲現(xiàn)象，由于高溫材料的限制，不能應(yīng)用于高溫度測量。非接觸式測量儀溫度測量是通過熱輻射原理測量溫度，溫度測量組件不需要與正在測量的介質(zhì)接觸，溫度測量范圍廣，溫度測量上限不受限制，不破壞正在測量的物體的溫度場，通常反應(yīng)速度也更快；但是根據(jù)物體的發(fā)射率、測量距離、煤煙、水蒸氣等外部因素，測量誤差很大。熱電偶是業(yè)界最常用的溫度檢測元件之一。具有測量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點。熱電偶直接接觸主體，不受中間介質(zhì)的影響。測量范圍廣。常用熱電偶的測量范圍為-50 到1600 ，某些特殊熱電偶的測量范圍為-269(例如金-鐵鎳鉻)，最大測量范圍為2800(例如鎢錸)。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。熱電偶通常由兩種不同的電線組成，不論大小和開頭，都有保護(hù)套，使用起來很方便9。本設(shè)計采用薄膜鉑電阻形式的高精度熱電偶溫度傳感器YH-WEP-01/Pt100。膜在2m內(nèi)，將Ni(或Pd)引線固定為玻璃燒結(jié)體，以激光助力器制造的薄膜部件。傳感器在工作時環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致了自身內(nèi)部電阻的相應(yīng)變化，從固定電流轉(zhuǎn)換到固定電壓，通過A/D轉(zhuǎn)換放大，成為可以被單片機(jī)識別的溫度數(shù)據(jù)信號。測量范圍：-50 500；R=1000工作電流：0.5毫安；線性度：0.17%；測量錯誤：(0.10 0.0017 | t |)；幾何結(jié)構(gòu)： 5.02.0金屬外殼封裝；延長線： 0.510.0。上述性能指標(biāo)表明，該傳感器符合設(shè)計的性能要求，同時體積小，溫度敏感，誤差小，適于火災(zāi)檢測的溫度測量。YH-WEP-01/Pt100傳感器是本設(shè)計中使用的高精度熱電偶溫度傳感器。傳感器運行時環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致自身內(nèi)部電阻發(fā)生相應(yīng)變化，并成為放大A/D轉(zhuǎn)換后被識別為單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)信號。熱電偶溫度計算公式：(3-1)其中R0為0 的電偶內(nèi)阻，電阻值為1000；溫度系數(shù)=0.00925。因此，在溫度為200 時，電偶內(nèi)阻Rt | t=200=1785，并且已知在t=0 時工作電流