传感器课程设计

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY传感器原理及应用课程课 外 学 分 项 目 名 称 多传感器火灾报警器 项 目 组 成 员 姓名(学号) 成 绩 机械与汽车工程学院 机械电子工程系二零一六 年 五 月多传感器火灾报警器摘要：近年来，随着家用电器的普及，家庭的用电量也逐年上升，火灾发生的频率也随之增高，这也推动了火灾报警器的广泛应用。本文介绍的火灾报警器就是一种运用多传感器结合单片机使之能有效解决报警准确率与灵敏度之间的矛盾，进而保证使用人群生命和财产安全。本设计具有高可靠性、低误报率等特点，有一定的实用价值。接下来本文从选题的意思设计的思路元器件的选择系统硬件软件的调试几个方面进行论述。 关键词：火灾报警；多传感器；模糊判断；多值判断处理；单片机1. 引言1.1 当前火灾报警器的发展1.1.1 火灾探测技术当今社会火灾所引发的安全事故比比皆是，对人们的生命财产和社会安全形成了很大的威胁，所以人们对它研究预防也从未停止。火灾的产生是一个非常复杂的非稳态过程，除了自身的化学物理变化以外，他还易受到外界环境的干扰，一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式能量流)的形式向外释放能量。接触式的形式包括可燃气体、烟雾和气溶胶等。非接触式如声音、辐射等。而火灾探测技术就是将火灾中难以处理的化学物理变化特征通过敏感元件转换为易于处理的物理量各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图1-1所示。图1-1 各种探测器对应的火灾物理参量及探测器 火灾火焰（非接触式）形状-图形探测器燃烧产物 （接触式）温度-感温传感器固体产物微粒静电探测器感烟探测器离子式光电式烟雾形状-图形传感器气体产物-气体传感器燃烧音（非接触式）-声音传感器辐射-火焰探测器1.2 火灾探测器的未来发展趋势探测器探测技术的进一步发展更加拓展了火灾方面的应用，解决了传统探测器无法有效处理的环境限制。先关技术的发展与改进例如低功耗MCU技术、傅立叶近红外光谱技术弱信号处理技术进一步促进了探测技术的发展，使得探测器的技术性能得到大大的提高，从早期探测向小型化、智能化方向飞速发展。另一方面，随着单片机应用的不断深入，各种类型的单片机也根据不同的需求开发出来，单片机实际上就是一个微控制器或微处理器，是器件级计算机系统。由于单片机体积较小，成本较低，功能更全，所以常被应用到各种电子系统中去。综上所述，单片机也能符合报警技术领域的要求，使各钟报警装置的功能更加完善，可靠性大大提高，以满足社会的需要。1.3 设计工作任务通过参考现如今国内外的各类火灾报警系统的相关资料文献，分析其设计理念，找出现有报警器存在的不足，我们小组设计了一种基于多传感器和单片机技术的火灾报警系统，我们的设计主要包括以下部分：系统硬件设计:包括火灾报警系统的控制器主板设计和其中各部分元件的选型，电路的设计与绘制，传感器及相关电路的设计。系统软件设计:包括火灾报警系统主程序设计，各个功能模块的程序设计，数据收集以及系统自检程序的设计。2. 系统方案设计本系统属于分布式多传感器火灾报警系统，与传统火灾报警系统相比有以下优点：l 多值判断处理： 由于系统使用多传感器进行监测，因此系统对火灾的检测也是基于多值综合判断处理的，将系统中的多个传感器所采集到的数据一同送入单片机进行统一处理，将多组参数进行组合判断，使各个传感器的数据互为补充，能让系统根据某一时刻各传感器返回值来准确区分火灾情况与干扰源，拓宽了检测灾害的范围，提高了灵敏度，同时还能大大降低误警率。l 实时监测与模糊判断： 传感器的输出并非是其连续检测的结果，而是根据其检测周期有间隔地输出，因此传统的火灾报警系统中就存在检测实时性的问题，而本系统是使用单片机来对数据进行处理，可达到对传感器输出的信号和环境数据进行实时监测的效果；与此同时，本系统并不完全依赖数据阈值的判断，而是加入了带有持续时间检测的模糊判断，能够有效区分火灾与干扰源。2.1 系统主要功能本设计的火灾报警系统具有下列的几个功能：l 火灾检测功能：传感器返回的信号经单片机判断为火灾时，发出火灾报警信号，并显示在显示器上；l 分类示警功能：单片机根据不同类型火灾或气体泄漏的特征，结合传感器返回的环境信息判断示警类型并显示在显示器上；l 故障检测与报警功能：单片机在工作时对每个传感器的工作状态进行实时检测，当发现传感器无响应时立即发出故障信号，并显示其具体的故障信息；l 外部设备控制功能：当系统做出火灾判断的同时，启动相应的外部设备如喷水设备，报警器等。2.2 系统的结构与其工作流程 我们设计的火灾报警系统由图2-1中所示的几个部分构成。将传感器安装于检测现场，通过导线与主板传感器驱动电路连接，将传感器返回的信号发送到整形电路后转换为0-5V的电信号，再由A/D转换芯片转换为数字信号送入单片机中进行下一步处理；系统的其他部分均安装在主板上，单片机接收到来自各传感器的数据后将数值显示于液晶屏上，并根据事先制定好的判断原则进行判断是否有火灾情况发生，如果有火灾发生信号则显示报警信息，同时驱动蜂鸣器发生报警，同时驱动外部安全设备进行工作。温度传感器模块CO传感器模块烟雾传感器模块传感器驱动电路STC89C52RC 单片机温度&气体浓度读数显示外部设备状态示警图2-1 火灾报警系统整体结构框图为了提高系统的可靠性，我们在系统硬件设计上采取了一些措施。设计系统的时候，不单单考虑到正常状态的运行，对干扰源也有所考虑。由于可能会因某些特定因素产生类似火灾的干扰源触发报警系统导致误警，为避免这样的情况发生，我们对系统做出如下设计：若检测到单一传感器的数据迅速变化，则检测其余传感器是否检测到触发火灾相应的数据变化，同时判断数值是否到达报警阈值，如果没有检测到相应变化则将其视为干扰源，若有相应的变化则判断有火灾发生，并根据设置的阀值直接报警。3. 火灾报警系统硬件模块设计本章将详细阐述系统各个硬件模块的设计，包括各个模块的选型、电路原理、功能实现和硬件设计。该火灾报警系统由传感器和主板电路构成，综合考虑系统性能与成本，选用以单片机为核心的系统设计。其中传感器负责数据的采集，并传输回主板；单片机负责数据的分析与处理，完成传感器的检测与分析、触发火灾的判断以及驱动报警电路工作。P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P2021RXD/P3010TXD/P3111INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9X119EA/VP31ALE/P30PSEN29X218VCC40GND20STC89C52RC图3-1 STC89C52RC单片机引脚分配3.1 单片机选型STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8Kb在系统可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单片机芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活。采用工业标准的C51内核，芯片的引脚分配如图3-1所示。在内部功能及管脚排布上与通用的8xC52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd(9脚)为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0到P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义。本系统采用该系列单片机中的STC89C52RC型号，各引脚功能描述见表3-1。 表3-1 STC89C52RC引脚功能描述名称名称及功能ALE地址锁存使能P0.0-0.7P0口P1.0-1.7P1口T2（P1.0）：定时/计数器2的外部记数输入/时钟输出 T2EX（P1.1）：定时/计数器2重装载/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2口P3.0-3.7P3口RXD(P3.0)：串行输入口TXD(P3.1)：串行输出口INT0(P3.2)：外部中断0INT1(P3.3)：外部中断1T0(P3.4)：定时器0外部输入T1(P3.5)：定时器1外部输入WR(P3.6)：外部数据存储器写信号RD(P3.7)：外部数据存储器读信号PSEN程序存储选通RST复位端VCC电源：提供掉电，空闲，正常工作电压。VSS接地EA/Vpp外部寻址使能/编程电压XTAL1晶体1：反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入XTAL2晶体2：反相振荡放大器输出3.2 传感器选型对火灾报警系统来说，传感器的性能在整个系统的工作效能上有着举足轻重的作用，因此传感器的选型尤为重要，根据本系统的设计要求，使用温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器。设计中这三种传感器均为模拟信号传感器，通过放大整形电路与A/D转换后作为送入单片机处理的数据。本设计中对传感器的性能有着如下要求：烟雾检测：05%/英尺，误差10；温度检测：0200，误差4；一氧化碳：0500ppm，误差5ppm。这些性能指标即设计中各传感器的选型的主要依据，其次在选型中也应考虑到元件性价比的因素，在满足性能指标的基础上尽可能提高元件性能。3.2.1 温度传感器温度是表征物体冷热程度的物理量。温度只能通过物体随温度变化的某些特性来间接测量。温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，其测量误差较大。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量范围广。常用的热电偶从-50到+1600均可测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来方便9。本设计使用高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100，其形为薄膜铂电阻。膜厚在2m以内，用玻璃烧结料把Ni（或Pd）引线固定，经激光调阻制成的薄膜元件。传感器工作时因环境温度的变化，使自身内阻发生相应变化，在固定电流下转化为一定的电压，经过放大整形后送入A/D转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。测量范围：-50500；R=1000；工作电流：0.5mA；线性度：0.17%；测量误差：(0.10+0.0017| t |)；外形结构：5.02.0金属壳封装；延长线：0.510.0。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，同时其体积小巧、温感灵敏且误差很小，适合火灾检测的温度测量。YH-WEP-01/Pt100传感器为本设计采用的高精度热电偶温度传感器。传感器工作时因环境温度的变化，使自身内阻发生相应变化，经过放大整形后送入A/D转换，成为能被单片机识别的温度数据信号。由热电偶的温度计算公式： (3-1)其中，R0是0时的电偶内阻，阻值1000；温度系数=0.003925。由此可得，当温度为200时，电偶内阻Rt|t=200=1785，又知电偶在t=0时工作电流为0.5mA，驱动电压为5V，故选用9k电阻作为负载电阻，电阻Rt则为YH-WEP-01/Pt100热电偶。3.2.2 烟雾传感器烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现火灾防范的，烟感器内部采用离子式烟雾传感，离子式烟雾传感器是一种技术先进，工作稳定可靠的传感器，被广泛运用到各种消防报警系统中，性能远优于气敏电阻类的火灾报警器8。本设计使用的烟雾传感器为离子式烟雾传感器HIS-07，该传感器是基于类比最佳性能设计的单源双室DSCB型电离室，电离室中安装的电离源为Am-241，专用于感烟探测。当流经内外电离室的电子流不平衡时，集电极充电直到电离电流达到平衡，在无烟或无燃烧物时，集电极除手电离电流潮汐影响外保持平衡电位。当烟雾进入外电离室时对电离电流产生影响，使电离电流下降，集电极重新充电直到新的平衡电位，这时的电位变化经整形后送入A/D转换，即可得到烟雾浓度的数据。测量范围：0%5%；工作电压：9V；测量误差：0.1V；UL217标准大气中输出电压：5.60.4V；工作湿度：95%RH；棉芯2%/foot烟灵敏度：0.60.1V；集电极平衡电位：5.50.3V；绝缘体漏电电流：0.5pA；电离源活度：0.5Ci(18Kbq)10%；电离室25cm处辐射剂量率：0.03mGy/年。图3-4 HIS-07烟雾传感器工程样图表3-2 HIS-07烟雾传感器工作参数灵敏度特性电源电压特性湿度特性烟雾浓度%/英尺输出电压V误差V电源电压V输出电压V湿度%RH输出V05.60.4063.30.3305.750.515.30.50.30.195.60.4605.600.425.00.50.60.1128.00.7905.450.434.70.50.90.21510.00.85温度特性44.40.51.20.21813.01.0温度输出V54.20.51.40.205.150.4255.600.4505.850.4注：测试条件根据UL217标准，风速0.1m/s由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，HIS-07传感器的生产制作符合GB4715-93国家标准，采用单源双室结构，体积小，便于安装；在适用范围的环境条件下集电极平衡电位变化值基本在参数范围内，稳定性较高；集电极平衡电位一致性好，响应时间较短，适于火灾检测中的烟雾测量。HIS-07烟雾传感器是日本为检测烟雾而设计的新型传感器，是为专用于烟雾检测的传感器外形尺寸图3-4，其特性参数如表3-2所示。根据传感器的特性，其输出值正不需要额外的放大电路，直接由A/D转换即可得到需要的数字信号 。3.2.3 一氧化碳传感器一氧化碳传感器属于化学传感器。本设计使用的一氧化碳传感器为ME4-CO型电化学传感器，该传感器根据电化学的原理工作，利用待测气体在电解池中工作电极上的电化学氧化过程，通过电子线路将电解池的工作电极和参比电极恒定在一个适当的电位，在该电位下可以发生待测气体的电化学氧化，由于氧在氧化和还原反应时所产生的法拉第电流很小，可以忽略不计，于是待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律。于是通过将电流转换为电压信号并整形方法送入A/D转换就可以确定一氧化碳气体的浓度数据。测量范围：01500ppm；工作电压：9V；测量误差：0.080.02uA/ppm；零点漂移(-2040)：9ppm；工作湿度：15%95%RH；响应时间：25s；分辨率：1ppm；稳定性：5%/年；重复性：2%输出值。由上述性能指标可知该传感器符合设计的性能要求，ME4-CO传感器对CO有很高的灵敏度，具有良好的重复性和长期的稳定性，抗干扰特性良好，适合是用于火灾环境下的一氧化碳气体检测。ME4-CO传感器属于电化学型传感器，对电解容纳室作了重新设计，减少了电解液泄露的风险，体积小，大幅度的减低了成本。输出信号直线性、重复再现性优越、不受湿度影响、电池可驱动。传感器检测烟雾的原理由以下反应式描述：CO + H2OCO2 + 2H+ + 2e-此时生成的电子分布在检知电极，氢离子分布在电极旁边的电解液中，形成两层电。在此检知电极和对向电极同外部电路相结合时，电子从检知电极向对向电极流动。氢离子在电解液中移动接受对向侧电子，发生如下化学反应生成水。4H+ + O2 + 4e-2H2O其主要性能参数见表3-3所示。表3-3 ME4-CO一氧化碳传感器性能参数产品类型电化学气敏元件产品封装塑料封装（ME4）检测范围0500ppm最大测量限1500ppm预期寿命2年灵敏度0.080.02uA/ppm分辨率1ppm使用压力范围标准大气压10响应时间（T90）25S湿度范围1590RH无凝结零点漂移（20+40）9ppm重复性2输出值由于传感器输出电压很小达不到单片机工作的要求，所以在一氧化碳检测电路的设中加入了放大电路，同时出于对可调整性与可更换性的考虑，设计如图3-5所示可调倍率放大电路。图3-5 可调倍率放大电路原理图其中R1=R2=1K，=20K，R=10K，=50K；由图可得输入输出关系：(3-2)故该电路的放大增益为：(3-3) 可见变阻器RW可以在一定范围调整整个放大电路的增益，这不仅对传感器的校准有用，也为以后更换传感器时的电路适用性起了很大帮助，降低电路成本，提高了系统硬件可移植性。4. 系统软件设计本章主要是介绍火灾报警系统的软件设计，只有稳定高效的软件支撑，才能充分发挥报警器的功效，保障人们生命财产安全。4.1 火灾报警系统对软件设计的要求水火无情，火灾有巨大的破坏力，会给人们带来巨大的生命财产损失，为此设计的火灾报警系统不仅需要能够实现火灾监控与报警，还要能在火灾严酷的环境下正常工作，即火灾报警系统不仅要有良好的硬件性能，其软件也需要满足运行环境对稳定性、兼容性和即时性的要求，在恶劣的环境中也可以继续工作。下面分别介绍这几个要求的具体内容。l 软件运行稳定性：由于火灾报警系统的工作环境相比其它类型系统更为复杂，往往在火灾中会处于高温、高辐射或由电气火灾引起的电磁干扰下，而这些恶劣的环境因素对系统运行稳定性的破坏十分巨大。因此在设计系统的过程中，除了硬件选型时选择抗稳定性能优异的元件之外，在系统软件设计时也要从程序运行抗干扰性的角度出发。l 兼容性：上一点中已经说到，火灾报警系统常工作于极端环境下，因此其硬件尤其是传感器等易损耗部件的更换会经常发生，而当没有同样型号的配件时，通常也只能用同类型器件替换，此时除了涉及到兼容性问题。在设计时，不仅需要考虑到硬件的兼容性（工作电压、电流、信号强度等），在软件方面同样需要顾及到软件系统与替换器件的兼容性（信号格式、工作周期等），以保证系统能正常运行。l 数据处理即时性：火灾发生时，能不能及时进行火灾告警将直接影响能否控制火灾规模、减少火灾造成的生命财产损失。因此系统信息处理的即时性也相当重要，除了硬件设计方面尽量降低信号延迟、减少硬件环节意之外，设计一个有效率的数据处理算法显得相当重要。但是数据处理算法的设计又不能一味采用高速处理算法，在同样的硬件环境下，随着处理速度的提高，误警率会呈对数形式提高，所以在软件中数据处理算法要在权衡准确性与速度的前提下做出相对最优的设计。4.2 火灾报警系统软件流程本系统的软件分为自检、传感器数据接收、数据分析处理与判断以及驱动显示和报警电路几个主要功能。程序开始运行后，系统首先对各个传感器进行初始化以便开始系统自检，随后系统进入自检阶段，软件将根据各个传感器返回的信息判断传感器功能是都正常，若发现异常及时把错误信息显示出来，同时挂起系统，避免继续运行对系统可能造成的损害，若传感器正常，系统会根据环境温度对照事先写入的环境权重数值表分配变量权值；然后系统开始进入循环检测各个传感器返回数据的监控状态，每一次遍历传感器返回信息后，将数据进行分析，判断是否有异常状况，数据判断方式根据设计的权重算法进行模糊判断，确定为异常时进行对应的消息提示或报警提示。软件总体流程图见图4-1。本系统的报警方式分为2种：“显示警告消息”与“消息+蜂鸣器报警”。根据火灾从产生到发展各个阶段的特点，作了以下设计：(1) 火灾初期示警：由于火灾发生的初期往往会产生烟雾和一氧化碳等气体，而由于没有明火，温度的上升并不明显，根据这些特征，对火灾初期的检测就集中在烟雾与一氧化碳浓度的监控上，当监测到一氧化碳或烟雾浓度异常时，将显示气体浓度异常的警示消息，此时蜂鸣器不工作。(2) 暗火火灾告警：火灾从初期开始继续发展，烟雾和一氧化碳浓度会继续升高，温度开始上升，但由于仍然没有明火，仍然不会使温度达到报警阈值，此时系统通过传感器检测到气体和烟雾浓度的继续升高，将启动蜂鸣器进行报警，同时将暗火火灾的消息显示出来。(3) 明火火灾示警：当火灾发生至产生明火的状态时火势已经具有一定的规模了，由于明火的出现，温度会很快上升，同时消耗一定的一氧化碳和烟雾，使这两者的测量数值反而会有一定下降，在环境氧气消耗完之前，这个过程会持续。当系统检测到温度的快速上升同时存在烟雾和易燃气体时将显示明火火灾报警消息，并启动蜂鸣器报警。图4-1 软件系统总体流程图4.3 软件各功能模块设计4.3.1 系统自检模块设计该模块的软件流程图如图4-2所示。系统自检模块的功能是完成系统初期的传感器功能检测，测试传感器是否正常，并得出系统工作环境的数据以选择相应的数据权值。开机通过主函数首先调用系统自检函数system_chk()进行自检，程序首先会有一个约500s的延时，防止因为系统初启动不稳定造成的读数错误，之后程序会依次启动各个传感器所在的A/D转换器读取信号，由图3-3、图3-5所示的传感器电路可知若温度传感器故障或拔出时，A/D转换器的输入电压将为5V，转换结果将是255，则将此数据作为判断温度传感器是否正常的判断标准，而一氧化碳传感器和烟雾传感器故障或拔出时，A/D转换器的输入电压为0，相应输出值为0，则将此数据作为判断烟雾和一氧化碳传感器是否正常的判断标准。传感器检测确认无误之后，在屏幕上显示“SYSTEM NORMAL”字样，然后根据读取到的温度信息对照权值分配表进行权值分配，最后进入系统正式运行状态。图4-2 自检