光纤光栅感温火灾报警系统的研制

10:30:20,光纤光栅感温火灾报警系统的研制,硕士研究生：张朝起导师：赵洪 教授,10:30:20,课题背景由于传统的火灾自动报警系统装置中一般采用电子感应式探测器，但该类火灾报警产品存在下列不足： (1) 火灾报警产品及系统价格昂贵，整个系统施工、维护技术要求高； (2) 产品质量及稳定性低，防潮性能低，对环境的湿度要求相应较高； (3) 电子感应器(主要是烟感器)的密封性能差，这是该类产品无法克服的设计缺陷，以致经常因灰尘或蚊虫进入而误报警。 (4) 电子感应式产品的灵敏度往往被调得过高，使得产品产生不必要的报警干扰，不能与自动灭火系统联动。 FBG传感器具有以下优点：(1)FBG传感器是一种以波长调制的数字式传感器，是以光波信号传输，被测现场无电信号，因此，具有高可靠性、高安全性特点；,10:30:20,(2)温度测量范围宽，可对现场温度进行连续监测，可将温度探测开关量与模拟量、差温式与定温式有机结合，可实现火灾报警和早期预警功能；(3)抗电磁干扰能力强，绝缘性能高，可以工作在高压、大电流及爆炸环境中，光纤质量轻、柔性好、工程安装方便；(4)可以做成密封结构，抗潮湿、腐蚀性好；探测器维护简单，可免清洗；(5)较强网络能力，一根光纤上的温度探测器可分布于数千米范围，并具有良好的Internet接入能力，是适合远程报警和监控的分布式智能感温火灾报警系统。,10:30:20,表1-1火灾探测技术的发展状况及存在的优缺点,10:30:20,本文主要做了以下几个方面的工作：(1) 总体归纳了光纤光栅传感技术的现状和发展趋势以及目前国内外火灾报警系统的发展概况和发展方向，并比较了各种火灾报警系统的优缺点；(2) 研究现有的光纤光栅传感器的几种解调方案，分析几种方案各自的优缺点，运用MATLAB模拟比较了密集波分复用(DWDM)和光纤布拉格光栅(FBG)作为解调光栅时的解调精度，从而确定一种最佳的解调光栅。(3) 对整个系统的硬件电路进行了设计和制作。根据系统的要求，完成MCU主控电路模块的设计；此外，还探讨了片上系统所需要考虑的抗干扰问题。 (4) 根据系统的要求，通过模块化编程，完成整个系统底层程序的编写.(5) 总结已经完成的研究工作，并对进一步研究作出规划。,10:30:20,2.1 光纤光栅传感原理,FBG传感器的传感原理如图2-2。用一宽光谱光源注入光纤，则每个FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波长为： 图2-2 光纤光栅传感原理图 其中 是光栅周期， 是纤芯的有效折射率。任何对光栅的激励影响如温度或应变，都将导致FBG波长的改变，这个改变可以从光栅的反射光谱中检测出来，并且将这个改变的布拉格波长与以前没受激励影响时的布拉格波长进行比较，可以测定光栅受激励程度。,10:30:20,2.2 匹配光纤光栅解调匹配光纤光栅解调系统如图所示，选用一个与传感光纤光栅FBG参数相近的光纤光栅(即匹配光栅)作为检测光栅，使两个光纤光栅的反射谱部分重叠，FBG的反射输出信号作为检测光栅的输入信号。传感信号隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。当传感光纤光栅受到温度变化时，其输出的反射谱在一定波长范围内发生漂移。传感光纤光栅输出的反射谱输入给解调光纤光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应范围内的光波才能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比。当两光栅的反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信号较强，反之则较弱。,图2-11 匹配光纤光栅解调原理图,宽带,光源,FBG,解调光栅,PD,3dB,3dB,10:30:20,2.3 DWDM与FBG作为匹配解调光栅的比较 DWDM解调当传感光栅的反射谱输入到解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相对应范围内的光波才能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比，当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光强度较大，反之则较小，即检测器检测到的光强是传感光栅和解调光栅两个光谱函数的卷积。图2-13为FBG与DWDM的相关谱图。一般地，FBG波长的温度灵敏度约0.01nm/。在实际应用中，我们选用的报警温度为85，对应传感光栅的中心波长为1547.307nm，为了检验DWDM解调的精度，我们先将85与75对应的传感光栅通过DWDM解调后的光功率相比较 。,图2-11 FBG反射光谱图,图2-12 DWDM光谱图,10:30:20,根据图2-14可以看到当传感光栅的中心波长漂移到1547.307nm时，对应的光强度为0.094064，当传感光栅的中心波长漂移到1547.207nm时，对应的光强度为0.091777，由此可知，虽然使用DWDM解调时，85与75的光强度相差不大，但还是可以区分开来。但是在实际中有可能存在更加恶劣的情况，例如，一些传感光栅中的温度达到了75，另一些传感光栅的温度达到了65，它们产生的光强度有可能超过85时的光强而产生误报。下面我们假设有一个传感光栅的温度达到75，另一个传感光栅的温度达到了65，它们的反射谱同时通过解调光栅时的光谱图如图2-15所示，与DWDM相关后的谱图如图2-16所示。,图2-13 FBG与DWDM相关谱图,图2-14 FBG与DWDM相关谱图的局部放大图,10:30:20,由图2-17中可以知道，一个温度达到75的传感光栅和一个温度达到65的传感光栅同时通过DWDM时的光强度0.1299，超过了85传感光栅通过DWDM的光强度，从而产生了误报现象。再假设当一个温度达到75的传感光栅、一个温度达到65的传感光栅和一个温度达到55的传感光栅同时来到时的光谱图如图2-18所示，与DWDM相关后的局部放大图如2-19所示。由图2-19中可知，当一个75、一个65和一个55的传感光栅的反射谱同时到达时所产生的光强度为0.14699，超过了85时的光强度，产生误报。,图2-15 两个不同温度的FBG同时来到时的光谱图,图2-16 两个不同温度的FBG同时来到时与DWDM的相关谱图,10:30:20,FBG解调 在实验中，选用传感光纤光栅FBG1的中心波长为1543.087nm，解调光纤光栅FBG2的中心波长为1543.487nm(即报警温度为85时的中心波长)，解调温度为40。图2-21为FBG1和FBG2相关后的谱图。,图2-19 三个不同温度的FBG与 DWDM的相关谱图的局部放大图,图2-17 图2-16的局部放大图,10:30:20,图2-21 FBG1和FBG2相关谱图,图2-22 FBG1和FBG2相关谱图的局部放大图,在图2-22中我们可以看到当传感光栅的中心波长与解调光栅的中心波长完全重合（即报警温度为85）时探测器接收到的光强度为1.3924*10-4，而当传感光栅的中心波长漂移到1543.387nm（即温度为75时传感光栅的中心波长）时，探测器接收到的光强度为7.6862*10-5，它们之间的光强度相差1.729倍，与DWDM解调相比，解调的精度要高一些。,10:30:20,图2-23 两个不同温度的传感光栅与 解调光栅的相 关谱图的局部放大图,图2-24 三个不同温度的传感光栅与解调光栅的相关谱图的局部放大图,当一个传感光栅的温度达到75，另一个传感光栅的温度达到了65，它们反射谱同时通过解调光栅后，探测器接收到的光功率如图2-23所示。从图2-23中可以看到探测器探测到的光强度为8.0966*10-5，与85时报警温度的光强相差1.6419倍。当出现一个传感光栅的温度达到75、一个传感光栅达到65和一个传感光栅达到55三个传感光栅的反射谱同时通过解调光栅时，探测器接收到的光功率如图2-24所示。从图2-24中可以看到探测器探测到的光强度为8.2699*10-5，与85时报警温度的光强相差1.6075倍。,10:30:20,3 系统的整体设计方案,图3-2 光纤光栅火灾报警结构式意图,将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中，宽带光源所发出的光耦合进光纤，通过Y型光分路器入射到用光纤串接的光纤光栅感温探头中。窄带反射光经Y型光分路器的另一分路端口进入可调滤波器中。可调滤波器中滤波波长按报警要求设置为一定值。在正常状态(非报警状态)下，全同光纤光栅中的反射光的布拉格波长小于可调滤波器中所设置的滤波波长，可调滤波器滤波输出端口无光输出；当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅处的环境温度升高，这一光纤光栅的布拉格波长将向长波方向移动，当环境温度达到所设置的报警值时，此处光纤光栅的布拉格波长将与可调滤波器中设置的滤波波长重合，可调滤波器的滤波输出端口有光输出，光探测器探测到光信号，从而触发声光报警装置报警。,10:30:20,系统的主控芯片 C8051F023器件是Cygnal公司生产完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有32个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性；1高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)；2全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；3真正10位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；4真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；5两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；664K字节可在系统编程的FLASH存储器；74352(4096+256)字节的片内RAM；8可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；9硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；105个通用的16位定时器；11具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；12片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。,10:30:20,图3-3 系统芯片电路模块原理图,图3-3中Header3用来设置电源监视模式。当2、3短接时，电源监视器将被禁止；当1、2短接时，电源监视器使能，在该状态下，如果VDD小于2.7V，系统将被强制复位。 图3-3中J1是C8051F023的JTAG引脚，它用于系统在线调试和FLASH编程时连接适配器到目标版。,3.1 系统芯片电路模块,10:30:20,图3-6 YM12232与C8051F023的硬件连接图,YM12232的DB0DB7连接C8051F023芯片的P1口来传递数据或者操作码；YM12232的控制线连接C8051F023芯片的P2口来实现命令控制；具体连接为P2.0A0，P2.1E1，P2.2E2，P2.3R/W。YM12232的RST/引脚连接到3.3V，YM12232的V0脚连接一20K的电位器接地，通过调节电位器的大小来调节液晶屏的显示亮度。,3.2 液晶显示模块,10:30:20,图3-7 SP3223EEA接口电路图,图3-8 SP3485EEN芯片电路图,3.3 串口通信模块,10:30:20,连接至A引脚的上拉电阻R7、连接至B引脚的下拉电阻R8用于保证无连接的SP3485EEN芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485节点与网络的可能性 电路图中，钳位于6.8V的TVS管D1、D2、D3都是用来保护RS-485总线的，避免RS-485总线在受外界干扰时产生的高压损坏RS-485收发器。另外，电路中的L1、L2、C1、C2是可选安装元件，用于提高电路的EMI性能。,10:30:20,4 系统的软件设计Cygnal系列系统芯片采用开发套件来调试用户系统，开发套件包括开发软件IDE和EC2(PC机串行口和系统芯片JTAG接口的协议转换模块)。套件和用户目标版结合即可完成开发工作。Cygnal的IDE支持第三方开发工具，可以嵌入Keil uVision IDE中的调试方法 。,10:30:20,图4-1 按键扫描任务流程图,按键主要用来设置采集系统的参数，当有按键按下或释放时，稳定前均有一个10ms左右的抖动过程，按键扫描时，为了避免出现错误的按键识别，需要消除按键抖动。首先，每隔100ms执行一次按键扫描任务，当有按键按下时，令KF1=1，启动延时任务，10ms后，执行延时任务，再次扫描按键，如有按键按下，则说明确有按键按下，进行按键识别，得键值。另外，为了避免出现按键二次识别现象，即按键没有松开，再次识别到该按键。设置了按键识别完成标志KF2，当KF21时，表示按键没有松开，不起动延时任务。,4.1 按键软件设计,10:30:20,图4-2 液晶显示程序流程图,本设计中采用的LCD主要用来显示时间、设定的参数和采集到的信息值。当系统上电，并完成初始化后，根据任务执行标记调用显示相应的子程序。初始时每隔2秒循环显示时间和采集的数据；当有功能键按下时，通过判断该标志位，只显示该功能键所要设定的参数信息，直到确认键按下，消除功能键标志，才又重新循环显示时间和采集到的数据。为了能够及时显示功能键的信息，显示任务每100ms执行一次，而为了满足每2秒循环显示时间和采集的数据，在显示任务中设置了一个与时间有关的标志，每执行一次显示任务，该标志加1，每加够20次，显示一个时间或采集到的数据，循环显示一周后，该标志清零。,4.2 液晶显示软件设计,10:30:20,图4-4 发送数据模块和接收数据模块流程图,4.3 UART0串口软件设计,10:30:20,在完成一次AD转换后，需要进行简单处理，进行初步的的标度变换，比如把数字量变为电压等，可根据时间需要进行变换。另外，由于输入信号均含有种种噪音和干扰，为了进行准确的测量，除了进行上述的抗干扰措施外，还应该进一步使用软件来消除被测信号中的噪声和干扰。本设计采用去极值平均滤波法，其思想是：连续采样N次后累加和，同时找出最大值和最小值，在从累加和中减去最大值和最小值，按N-2个采样值求平均，即可得到有效的采样值。,图4-5 ADC0的数据采集模块流程图,4.4 A/D软件设计,10:30:20,UART1串口主要实现的功能是：通过串口将下位机采集到的温度信息传送给温控器，温控器中设置报警温度的上下限，当采集到