傳感器課程設(shè)計(jì)

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程課外學(xué)習(xí)點(diǎn)項(xiàng)目名稱是多傳感器火災(zāi)報(bào)警項(xiàng)目組成員名稱(學(xué)號(hào))成就功績(jī)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(bào)警摘要：近年來(lái)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(bào)的廣泛應(yīng)用。本文介紹的火災(zāi)報(bào)警是利用多傳感器的單片機(jī)有效解決報(bào)警準(zhǔn)確度和靈敏度之間的矛盾，確保人的生命和財(cái)產(chǎn)安全。本設(shè)計(jì)具有可靠性高、誤報(bào)率低等幾個(gè)實(shí)用價(jià)值。下一篇文章從主題的意義、設(shè)計(jì)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(jiǎn)介1.1目前火災(zāi)報(bào)警的發(fā)展1.1.1火災(zāi)探測(cè)技術(shù)今天，社會(huì)化資源帶來(lái)的安全事故比比皆是，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)和社會(huì)安全構(gòu)成了巨大威脅，因此，對(duì)此的研究預(yù)防也沒(méi)有停止?；馂?zāi)的發(fā)生是一個(gè)非常復(fù)雜的異常過(guò)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(huì)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。火災(zāi)探測(cè)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(guò)敏感組件輕松處理的物理量各種探測(cè)器的火災(zāi)物理參數(shù)和探測(cè)器如圖1-1所示。圖1-1對(duì)應(yīng)于各種探測(cè)器的火災(zāi)物理參數(shù)和檢測(cè)儀火災(zāi)火焰(非接觸)外觀-圖形檢測(cè)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(cè)器煙霧探測(cè)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(cè)器1.2火災(zāi)探測(cè)器未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)探測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大了對(duì)火災(zāi)的應(yīng)用，解決了現(xiàn)有探測(cè)器無(wú)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(hào)處理技術(shù)等第一種交換技術(shù)的開(kāi)發(fā)和提高大大提高了探測(cè)器的技術(shù)性能，并在早期檢測(cè)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(kāi)發(fā)出來(lái)，單片機(jī)實(shí)際上是單片機(jī)或微處理器，是設(shè)備級(jí)的計(jì)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(bào)警技術(shù)領(lǐng)域的要求，各時(shí)鐘報(bào)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(huì)的需要。1.3設(shè)計(jì)工作參考目前國(guó)內(nèi)外各種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相關(guān)文獻(xiàn)，分析了其設(shè)計(jì)理念，確定了現(xiàn)有報(bào)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題，我隊(duì)設(shè)計(jì)了基于多傳感器及單片機(jī)技術(shù)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，我們的設(shè)計(jì)主要如下。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的控制器板設(shè)計(jì)和這些組件的選擇、電路設(shè)計(jì)和繪圖、傳感器和相關(guān)電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：包括火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)、各功能模塊的程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)自檢程序設(shè)計(jì)。2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(cè)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(duì)各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行互補(bǔ)，使系統(tǒng)根據(jù)特定時(shí)間點(diǎn)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(cè)范圍，顯著降低靈敏度。l實(shí)時(shí)監(jiān)控和模糊判斷：傳感器輸出不是連續(xù)檢測(cè)結(jié)果，而是根據(jù)測(cè)試周期按一定間隔輸出，因此傳統(tǒng)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)存在實(shí)時(shí)檢測(cè)問(wèn)題，該系統(tǒng)可以使用單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控傳感器輸出的信號(hào)和環(huán)境數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，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(shí)間檢測(cè)，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(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有以下功能：l火災(zāi)探測(cè)功能：傳感器返回的信號(hào)在由單片機(jī)判斷為火災(zāi)時(shí)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，并顯示在顯示器上。l分類警告功能：?jiǎn)涡酒⑿陀?jì)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(bào)類型并將其顯示在顯示器上，同時(shí)還會(huì)返回傳感器返回的環(huán)境信息。l錯(cuò)誤檢測(cè)和報(bào)警功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)在操作過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)傳感器的操作狀態(tài)，如果傳感器確定沒(méi)有響應(yīng)，則立即發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào)并顯示具體的錯(cuò)誤信息。l外部設(shè)備控制功能：系統(tǒng)做出火災(zāi)判斷時(shí)，啟動(dòng)相應(yīng)的外部設(shè)備，如噴水裝置、警報(bào)等。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流我們?cè)O(shè)計(jì)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由圖2-1所示的幾個(gè)部分組成。在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)安裝傳感器，通過(guò)電線連接到主板傳感器驅(qū)動(dòng)電路，將傳感器返回的信號(hào)傳輸?shù)秸麟娐?，轉(zhuǎn)換為0-5V的電信號(hào)，從A/D轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(jì)算機(jī)接收到每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)后，會(huì)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(hào)，則會(huì)顯示警報(bào)信息，同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(bào)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(jì)中采取了一些措施。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，不僅考慮了正常運(yùn)行，還考慮了選擇。為了防止這種情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：如果檢測(cè)到單個(gè)傳感器的快速數(shù)據(jù)更改，則剩下的傳感器將檢測(cè)引起火災(zāi)的相應(yīng)數(shù)據(jù)更改，同時(shí)確定數(shù)字是否達(dá)到警告閾值，如果未檢測(cè)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(bào)警。火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)本章詳細(xì)介紹了系統(tǒng)中每個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，包括每個(gè)模塊的選擇、電路原理、功能實(shí)現(xiàn)和硬件設(shè)計(jì)。該火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)由傳感器和主板電路組成，同時(shí)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(jì)。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(cè)和分析，執(zhí)行誘發(fā)火災(zāi)的判斷和驅(qū)動(dòng)報(bào)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(jì)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(cè)試圖控制、紅外遠(yuǎn)程控制信號(hào)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(hào)，每個(gè)針腳功能的說(shuō)明見(jiàn)表3-1。表3-1 STC89C52RC針腳功能說(shuō)明名字名稱和功能愛(ài)爾地址鎖定功能P0.0-0.7P0端口P1.0-1.7P1區(qū)T2(P1.0):計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部?jī)?nèi)存輸入/時(shí)鐘輸出T2EX(P1.1):計(jì)時(shí)/計(jì)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(jì)時(shí)器0外部輸入T1(P3.5):計(jì)時(shí)器1外部輸入WR(P3.6):外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寫入信號(hào)RD(P3.7):外部數(shù)據(jù)內(nèi)存讀取信號(hào)PSEN程序存儲(chǔ)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(shí)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(duì)于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，傳感器性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(jì)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(hào)傳感器，是通過(guò)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(jì)中的傳感器性能具有以下要求：煙霧檢測(cè)：0 5%/英尺，錯(cuò)誤10%；溫度檢測(cè)：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(jì)中每個(gè)傳感器選擇的基本基礎(chǔ)，其次是考慮組件的性價(jià)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(guò)物體隨溫度變化的某些特性間接測(cè)量。溫度計(jì)根據(jù)溫度測(cè)量方式可以分為接觸式和非接觸式兩類。一般來(lái)說(shuō)，接觸溫度測(cè)量?jī)x比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高。但是，溫度測(cè)量元件和測(cè)量目標(biāo)介質(zhì)需要充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，因此存在溫度測(cè)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(cè)量。非接觸式測(cè)量?jī)x溫度測(cè)量是通過(guò)熱輻射原理測(cè)量溫度，溫度測(cè)量組件不需要與正在測(cè)量的介質(zhì)接觸，溫度測(cè)量范圍廣，溫度測(cè)量上限不受限制，不破壞正在測(cè)量的物體的溫度場(chǎng)，通常反應(yīng)速度也更快；但是根據(jù)物體的發(fā)射率、測(cè)量距離、煤煙、水蒸氣等外部因素，測(cè)量誤差很大。熱電偶是業(yè)界最常用的溫度檢測(cè)元件之一。具有測(cè)量準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。熱電偶直接接觸主體，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用熱電偶的測(cè)量范圍為-50 到1600 ，某些特殊熱電偶的測(cè)量范圍為-269(例如金-鐵鎳鉻)，最大測(cè)量范圍為2800(例如鎢錸)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(kāi)頭，都有保護(hù)套，使用起來(lái)很方便9。本設(shè)計(jì)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(shí)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(guò)A/D轉(zhuǎn)換放大，成為可以被單片機(jī)識(shí)別的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)。測(cè)量范圍：-50 500；R=1000工作電流：0.5毫安；線性度：0.17%；測(cè)量錯(cuò)誤：(0.10 0.0017 | t |)；幾何結(jié)構(gòu)： 5.02.0金屬外殼封裝；延長(zhǎng)線： 0.510.0。上述性能指標(biāo)表明，該傳感器符合設(shè)計(jì)的性能要求，同時(shí)體積小，溫度敏感，誤差小，適于火災(zāi)檢測(cè)的溫度測(cè)量。YH-WEP-01/Pt100傳感器是本設(shè)計(jì)中使用的高精度熱電偶溫度傳感器。傳感器運(yùn)行時(shí)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(shí)別為單片機(jī)的溫度數(shù)據(jù)信號(hào)。熱電偶溫度計(jì)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(shí)，電偶內(nèi)阻Rt | t=200=1785，并且已知在t=0 時(shí)工作電流