傳感器課程設計

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應用課程課外學習點項目名稱是多傳感器火災報警項目組成員名稱(學號)成就功績機械和汽車工程學院機械和電子工程系2010年5月多傳感器火災報警摘要：近年來隨著家電的普及，家庭用電量逐年增加，火災發(fā)生的頻率也增加，促進了火災警報的廣泛應用。本文介紹的火災報警是利用多傳感器的單片機有效解決報警準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、設計思路、組件選擇、系統(tǒng)硬件軟件調(diào)試等方面進行了介紹。關鍵詞：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目前火災報警的發(fā)展1.1.1火災探測技術今天，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，對此的研究預防也沒有停止?；馂牡陌l(fā)生是一個非常復雜的異常過程，除了自身化學物理變化外，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。接觸形式包括可燃氣體、煙霧、氣溶膠等。非接觸，如聲音、輻射等?；馂奶綔y技術將火災中難以處理的化學物理變化特性轉(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物理參數(shù)和探測器如圖1-1所示。圖1-1對應于各種探測器的火災物理參數(shù)和檢測儀火災火焰(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火災探測器未來的發(fā)展趨勢探測技術的進一步發(fā)展進一步擴大了對火災的應用，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、傅里葉近紅外光譜、弱信號處理技術等第一種交換技術的開發(fā)和提高大大提高了探測器的技術性能，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，隨著單片機應用的不斷深入，各種類型的單片機也根據(jù)不同的需求開發(fā)出來，單片機實際上是單片機或微處理器，是設備級的計算機系統(tǒng)。單片機由于體積小、成本低、功能更好，經(jīng)常應用于各種電子系統(tǒng)。摘要單片機也可以滿足報警技術領域的要求，各時鐘報警設備的功能進一步提高，可靠性大大提高，以適應社會的需要。1.3設計工作參考目前國內(nèi)外各種火災報警系統(tǒng)相關文獻，分析了其設計理念，確定了現(xiàn)有報警系統(tǒng)存在的問題，我隊設計了基于多傳感器及單片機技術的火災報警系統(tǒng)，我們的設計主要如下。系統(tǒng)硬件設計：包括火災報警系統(tǒng)的控制器板設計和這些組件的選擇、電路設計和繪圖、傳感器和相關電路設計。系統(tǒng)軟件設計：包括火災報警系統(tǒng)主程序設計、各功能模塊的程序設計、數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)自檢程序設計。2.系統(tǒng)設計該系統(tǒng)屬于分布式多傳感器火災報警系統(tǒng)，與傳統(tǒng)火災報警系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點：l多值判斷處理：利用多傳感器進行系統(tǒng)監(jiān)控引起的火災檢測也可以根據(jù)多值綜合判斷，將系統(tǒng)中多傳感器收集的數(shù)據(jù)集成到單芯片微機中處理，結(jié)合多組參數(shù)對各傳感器的數(shù)據(jù)進行互補，使系統(tǒng)根據(jù)特定時間點的傳感器返回值準確區(qū)分火災情況和干擾原因，擴大災難檢測范圍，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)火災報警系統(tǒng)存在實時檢測問題，該系統(tǒng)可以使用單片機處理數(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)分火災和干擾源的模糊判斷。2.1系統(tǒng)主要功能本設計的火災報警系統(tǒng)具有以下功能：l火災探測功能：傳感器返回的信號在由單片機判斷為火災時發(fā)出火災報警信號，并顯示在顯示器上。l分類警告功能：單芯片微型計算機根據(jù)不同類型的火災或氣體泄漏特性，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，則立即發(fā)出錯誤信號并顯示具體的錯誤信息。l外部設備控制功能：系統(tǒng)做出火災判斷時，啟動相應的外部設備，如噴水裝置、警報等。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流我們設計的火災報警系統(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?，轉(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，進行下一步處理。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)預定的判斷原則判斷是否發(fā)生火災，如果有火災發(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)動外部安全設備進行操作。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)顯示外部設備狀態(tài)警告圖2-1火災報警系統(tǒng)整體方框圖為了提高系統(tǒng)的可靠性，在系統(tǒng)硬件設計中采取了一些措施。設計系統(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的相應數(shù)據(jù)更改，同時確定數(shù)字是否達到警告閾值，如果未檢測到該更改，則將其視為干擾源，如果有相應的更改，則認為發(fā)生了火災，并根據(jù)設置的閾值直接報警。火災報警系統(tǒng)硬件模塊設計本章詳細介紹了系統(tǒng)中每個硬件模塊的設計，包括每個模塊的選擇、電路原理、功能實現(xiàn)和硬件設計。該火災報警系統(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，采用了以單片機為核心的系統(tǒng)設計。傳感器負責收集數(shù)據(jù)，然后發(fā)送回主板。單片機負責數(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在單芯片微計算機芯片上配備8位CPU和聯(lián)機系統(tǒng)可編程Flash，為許多嵌入式控制應用程序提供了卓越的靈活性。使用行業(yè)標準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的數(shù)據(jù)。此設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。這些性能指標是設計中每個傳感器選擇的基本基礎，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介質(zhì)需要充分的熱交換，需要一定的時間才能達到熱平衡，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，都有保護套，使用起來很方便9。本設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)境溫度的變化導致了自身內(nèi)部電阻的相應變化，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。上述性能指標表明，該傳感器符合設計的性能要求，同時體積小，溫度敏感，誤差小，適于火災檢測的溫度測量。YH-WEP-01/Pt100傳感器是本設計中使用的高精度熱電偶溫度傳感器。傳感器運行時環(huán)境溫度的變化導致自身內(nèi)部電阻發(fā)生相應變化，并成為放大A/D轉(zhuǎn)換后被識別為單片機的溫度數(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