传感器课程设计

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY传感器原理及应用课程课外学习点项目名称是多传感器火灾报警项目组成员名称(学号)成就功绩机械和汽车工程学院机械和电子工程系2010年5月多传感器火灾报警摘要：近年来随着家电的普及，家庭用电量逐年增加，火灾发生的频率也增加，促进了火灾警报的广泛应用。本文介绍的火灾报警是利用多传感器的单片机有效解决报警准确度和灵敏度之间的矛盾，确保人的生命和财产安全。本设计具有可靠性高、误报率低等几个实用价值。下一篇文章从主题的意义、设计思路、组件选择、系统硬件软件调试等方面进行了介绍。关键词：火警；多传感器模糊判断；多值判断处理；微控制器1.简介1.1目前火灾报警的发展1.1.1火灾探测技术今天，社会化资源带来的安全事故比比皆是，对人们的生命财产和社会安全构成了巨大威胁，因此，对此的研究预防也没有停止。火灾的发生是一个非常复杂的异常过程，除了自身化学物理变化外，容易受到外部环境的干扰，一旦发生，就会以接触式(物质流)和非接触式能量流的形式释放能量。接触形式包括可燃气体、烟雾、气溶胶等。非接触，如声音、辐射等。火灾探测技术将火灾中难以处理的化学物理变化特性转换为可通过敏感组件轻松处理的物理量各种探测器的火灾物理参数和探测器如图1-1所示。图1-1对应于各种探测器的火灾物理参数和检测仪火灾火焰(非接触)外观-图形检测器燃烧产物(接触式)温度-温度传感器固体产品微粒静电探测器烟雾探测器离子光电烟雾外观-图形传感器气体产品-气体传感器燃烧音(非接触)-声音传感器辐射-火焰检测器1.2火灾探测器未来的发展趋势探测技术的进一步发展进一步扩大了对火灾的应用，解决了现有探测器无法有效处理的环境限制。低功耗MCU技术、傅里叶近红外光谱、弱信号处理技术等第一种交换技术的开发和提高大大提高了探测器的技术性能，并在早期检测中迅速向小型化、智能化的方向发展。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，单片机实际上是单片机或微处理器，是设备级的计算机系统。单片机由于体积小、成本低、功能更好，经常应用于各种电子系统。摘要单片机也可以满足报警技术领域的要求，各时钟报警设备的功能进一步提高，可靠性大大提高，以适应社会的需要。1.3设计工作参考目前国内外各种火灾报警系统相关文献，分析了其设计理念，确定了现有报警系统存在的问题，我队设计了基于多传感器及单片机技术的火灾报警系统，我们的设计主要如下。系统硬件设计：包括火灾报警系统的控制器板设计和这些组件的选择、电路设计和绘图、传感器和相关电路设计。系统软件设计：包括火灾报警系统主程序设计、各功能模块的程序设计、数据收集和系统自检程序设计。2.系统设计该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具有以下优点：l多值判断处理：利用多传感器进行系统监控引起的火灾检测也可以根据多值综合判断，将系统中多传感器收集的数据集成到单芯片微机中处理，结合多组参数对各传感器的数据进行互补，使系统根据特定时间点的传感器返回值准确区分火灾情况和干扰原因，扩大灾难检测范围，显着降低灵敏度。l实时监控和模糊判断：传感器输出不是连续检测结果，而是根据测试周期按一定间隔输出，因此传统火灾报警系统存在实时检测问题，该系统可以使用单片机处理数据，实时监控传感器输出的信号和环境数据。与此同时，该系统并不是完全依赖数据阈值的判断，而是随着时间检测，添加了有效区分火灾和干扰源的模糊判断。2.1系统主要功能本设计的火灾报警系统具有以下功能：l火灾探测功能：传感器返回的信号在由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分类警告功能：单芯片微型计算机根据不同类型的火灾或气体泄漏特性，判断警报类型并将其显示在显示器上，同时还会返回传感器返回的环境信息。l错误检测和报警功能：单片机在操作过程中实时检测每个传感器的操作状态，如果传感器确定没有响应，则立即发出错误信号并显示具体的错误信息。l外部设备控制功能：系统做出火灾判断时，启动相应的外部设备，如喷水装置、警报等。2.2系统结构和工作流我们设计的火灾报警系统由图2-1所示的几个部分组成。在检测现场安装传感器，通过电线连接到主板传感器驱动电路，将传感器返回的信号传输到整流电路，转换为0-5V的电信号，从A/D转换芯片转换为数字信号，转换为单片机，进行下一步处理。系统的其馀部分安装在主板上，单芯片微型计算机接收到每个传感器的数据后，会在液晶上显示值，根据预定的判断原则判断是否发生火灾，如果有火灾发生信号，则会显示警报信息，同时驱动蜂鸣器发出警报，同时驱动外部安全设备进行操作。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微控制器温度气体浓度读数显示外部设备状态警告图2-1火灾报警系统整体方框图为了提高系统的可靠性，在系统硬件设计中采取了一些措施。设计系统时，不仅考虑了正常运行，还考虑了选择。为了防止这种情况，系统设计为：如果检测到单个传感器的快速数据更改，则剩下的传感器将检测引起火灾的相应数据更改，同时确定数字是否达到警告阈值，如果未检测到该更改，则将其视为干扰源，如果有相应的更改，则认为发生了火灾，并根据设置的阈值直接报警。火灾报警系统硬件模块设计本章详细介绍了系统中每个硬件模块的设计，包括每个模块的选择、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组成，同时考虑了系统性能和成本，采用了以单片机为核心的系统设计。传感器负责收集数据，然后发送回主板。单片机负责数据分析和处理，完成传感器的检测和分析，执行诱发火灾的判断和驱动报警电路工作。P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P2021RXD/P3010TXD/P3111INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9X119EA/VP31ale/p30PSEN29X218VCC40GND20STC89C52RC图3-1 STC89C52RC微控制器针脚分配3.1选择微控制器STC89C52是低功耗高性能CMOS8位微控制器，具有8Kb系统可编程闪存。采用高密度非易失性内存技术制造，与工业80C51产品指南和针脚完全兼容。片上闪存允许程序内存在系统中编程，适合一般程序员使用。STC89C52在单芯片微计算机芯片上配备8位CPU和联机系统可编程Flash，为许多嵌入式控制应用程序提供了卓越的灵活性。使用行业标准C51内核执行芯片的针脚分配，如图3-1所示。与典型的8xC52相同的内部功能和销阵列主要用于收敛调整中的功能控制。功能包括聚合主IC内部寄存器、数据RAM和外部接口等功能组件的初始化、聚合协调控制、聚合测试图控制、红外远程控制信号IR的接收解码以及与主板CPU的通信。主销为：XTAL1(19英尺)和XTAL2(18英尺)是振荡器的输入输出端口，外部12MHz晶体。由外部电阻电容组成的重置电路，用于重置RST/Vpd(9英尺)输入端口。VCC(40脚)和VSS(20脚)分别为5V电源的正负端供电。P0到P3是可编程的通用I/O脚，使用软件定义的功能。此系统使用STC89C52RC型号，每个针脚功能的说明见表3-1。表3-1 STC89C52RC针脚功能说明名字名称和功能爱尔地址锁定功能P0.0-0.7P0端口P1.0-1.7P1区T2(P1.0):计时/计数器2的外部内存输入/时钟输出T2EX(P1.1):计时/计数器2重载/捕捉/方向控制P2.0-2.7P2端口P3.0-3.7P3区RXD(P3.0):串行输入端口TXD(P3.1):串行输出端口INT0(P3.2):外部中断0INT1(P3.3):外部中断1T0(P3.4):计时器0外部输入T1(P3.5):计时器1外部输入WR(P3.6):外部数据存储写入信号RD(P3.7):外部数据内存读取信号PSEN程序存储门控RST重置结尾VCC电源：提供断电、空闲、正常工作电压。VSS接地EA/Vpp外部寻址能力/编程电压XTAL1决定1:输入逆相振荡放大器和输入内部时钟发生电路XTAL2决定2:逆相振荡放大器输出3.2选择传感器对于火灾报警系统，传感器性能对整个系统的运行性能起着决定性作用，因此传感器的选择尤为重要，根据该系统的设计要求，使用了温度传感器、一氧化碳传感器和烟雾传感器。这三种传感器是模拟信号传感器，是通过放大成型电路和A/D转换传输到单片机的数据。此设计中的传感器性能具有以下要求：烟雾检测：0 5%/英尺，错误10%；温度检测：0 200，误差4%；一氧化碳：0 500ppm，误差5ppm。这些性能指标是设计中每个传感器选择的基本基础，其次是考虑组件的性价比因素，尽可能提高组件性能。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间接测量。温度计根据温度测量方式可以分为接触式和非接触式两类。一般来说，接触温度测量仪比较简单、可靠，测量精度高。但是，温度测量元件和测量目标介质需要充分的热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，因此存在温度测量延迟现象，由于高温材料的限制，不能应用于高温度测量。非接触式测量仪温度测量是通过热辐射原理测量温度，温度测量组件不需要与正在测量的介质接触，温度测量范围广，温度测量上限不受限制，不破坏正在测量的物体的温度场，通常反应速度也更快；但是根据物体的发射率、测量距离、煤烟、水蒸气等外部因素，测量误差很大。热电偶是业界最常用的温度检测元件之一。具有测量准确度高的优点。热电偶直接接触主体，不受中间介质的影响。测量范围广。常用热电偶的测量范围为-50 到1600 ，某些特殊热电偶的测量范围为-269(例如金-铁镍铬)，最大测量范围为2800(例如钨铼)。结构简单，使用方便。热电偶通常由两种不同的电线组成，不论大小和开头，都有保护套，使用起来很方便9。本设计采用薄膜铂电阻形式的高精度热电偶温度传感器YH-WEP-01/Pt100。膜在2m内，将Ni(或Pd)引线固定为玻璃烧结体，以激光助力器制造的薄膜部件。传感器在工作时环境温度的变化导致了自身内部电阻的相应变化，从固定电流转换到固定电压，通过A/D转换放大，成为可以被单片机识别的温度数据信号。测量范围：-50 500；R=1000工作电流：0.5毫安；线性度：0.17%；测量错误：(0.10 0.0017 | t |)；几何结构： 5.02.0金属外壳封装；延长线： 0.510.0。上述性能指标表明，该传感器符合设计的性能要求，同时体积小，温度敏感，误差小，适于火灾检测的温度测量。YH-WEP-01/Pt100传感器是本设计中使用的高精度热电偶温度传感器。传感器运行时环境温度的变化导致自身内部电阻发生相应变化，并成为放大A/D转换后被识别为单片机的温度数据信号。热电偶温度计算公式：(3-1)其中R0为0 的电偶内阻，电阻值为1000；温度系数=0.00925。因此，在温度为200 时，电偶内阻Rt | t=200=1785，并且已知在t=0 时工作电流