【《基于LabVIEW的室内烟雾报警系统设计与实现》12000字】

图31传感器模块电路图为MQ-7传感器模块电路图。图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s11传感器模块电路图QM-N10气敏元件气敏元件的主要元件为气敏电阻，在气敏电阻中，它是由特定的金属氧化物组成的材料，当我们组成这些材料的时候，我们是通过化学计量比的偏离和杂质缺陷制成。一般环境下，这些金属氧化物是不导电的即为绝缘元件，然而在当我们把他制作成半导体的时候，它就有了其特性。这种元件一般工作的温度在二百度至四百五十度之间，要在如此高温下进行工作是因为要加强氧化还原反应。一种用氧化锡制作成的元件，它在常温的空气中吸收到某些气体之后，它的电导率变化是非常小的。气敏元件QM-N10是气体和半导体气敏元件进行相互的接触，使得半导体内部的特性发生了改变，利用半导体的这种特性来测定一氧化碳的浓度。LM393电压比较器LM393是双电压比较器集成电路。它的主要功能是它有两个输入端和两个输出端，一个基准电压端．输入端电压低于基准电压时输出端为高电平，反之输出端电平翻转。REF_Ref73895247\h图32为引脚图图STYLEREF1\s3SEQ图\*ARABIC\s12LM393引脚图该引脚图各自引脚的功能如下REF_Ref73895794\h表31LM393具体引脚介绍所示。表STYLEREF1\s3SEQ表\*ARABIC\s11LM393具体引脚介绍引脚号符号该引脚的功能1OUTA输出A2INA-反向输入A3INA+同相输入A4GND接地端5INB+同相输入B6INB-反向输入B7OUTB输出B8Vcc电源电压传感器必须避免的情况暴露于有机硅蒸气中若有机硅蒸汽附着到了传感器的表面上，则传感器中的敏感材料会被包裹住，传感器的灵敏度将无法恢复。我们应该避免传感器接触可能存在的发胶、硅橡胶、硅粘合剂、油灰或其他的硅塑料添加剂。碱、碱金属盐、卤素的污染传感器受到了一些碱的破坏，尤其是一些高浓度的盐水，并且暴露在了具有卤素的环境当中，会导致传感器的灵敏度极大的下降。接触到水若在使用中不小心沾上水或者把传感器掉入了水中，那么该传感器的特性会大大降低。结冰如果由于外部环境温度极度的寒冷，造成了传感器上面结冰，那么这将会导致传感器当中的敏感材料破碎。施加电压过高如果给传感器施加了超过传感器可接受范围的电压，尽管传感器没有进行过磕碰行为，传感器的内部导线也会受到一定程度上的损坏，传感器的敏感特性也会大大降低。凝结水在室内条件下，由于温度过低而产生的冷凝水可能会对测量的浓度产生影响。如果冷凝水在传感器的表面结冰并且保持一段时间之后，则传感器的特性将得到退化。处于高浓度气体中当把传感器放置于一个高浓度的气体当中进行长期的存储，则此举会影响到传感器敏感度。长期贮存传感器长期放置并且不通电源的情况下，传感器的内部电阻可能会于环境中的某些分子产生可逆漂移。传感器在长期存放的时候必须放在干燥的空气中，并且用密封袋进行封存。传感器长期存放在没有电的情况下，当再次使用的时候，必须长时间通电，保持它的稳定。长期暴露在极端环境中传感器在开启或者关闭的时候，只要一直暴露在高温度、高湿度或着粉尘浓度高的环境中，传感器的性能都会严重受损。振动如果传感器在使用当中不断的受到外部的震动，则可能会引起内部的敏感元件破碎，导致该传感器不能继续使用。我们使用电动螺丝刀在进行螺丝的旋转的时候，可能会产出此震动[8]。

虚拟仪器概念虚拟仪器的发展二十世纪八十年代美国国家仪器公司推出了虚拟仪器的概念。虚拟仪器是利用上位机、软件、以及模块化的硬件而构成的一种功能丰富并且成本低的技术。虚拟仪器的主要重心在于编程。虚拟仪器的主要目的是利用计算机来开发出实际需要的一个测量仪器，创建一个实时仪器仪表检测系统。在虚拟仪器技术中，我们采用了软件工程方法、标准化总线技术、数字信号处理技术和计算机技术，虚拟仪器的出现映射出了未来测量仪器和自动测试系统的发展方向[9]。虚拟仪器的特点虚拟仪器的优点为：使用PC机进行开发仪器。计算机的可操作性很强，因此根据计算机完成的虚拟仪器开发，其性能一定优异：高性能因为计算机有着可以网络通信以及存储许多数据以及调用历史数据的优点，所以在开发出来的仪器上也会拥有这些特点。易扩展因为仪器并不是实际的物件，而是使用软件编程出来的仪器，因此当需要升级或者改动仪器的功能的时候不需要改动硬件，只是在源代码上进行更改，所以利用编程得到的仪器可以降低成本。出色的集成LabVIEW把硬件和软件进行了相互的集成。硬件用来采集所需要的采集的数据信息，而用软件来进行实时监测以及具体的数据分析。表STYLEREF1\s4SEQ表\*ARABIC\s11虚拟仪器较之于传统仪器的优势虚拟仪器传统仪器应用计算机开发，使用灵活仪器间相互配合差更新方便更新成本高成本低，资源可重复利用成本昂贵用户可根据需要定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能可与众多设备通过网络连接只有连接有限的独立设备LabVIEW的优势和特点虚拟仪器的语言主要分为两大类：第一类是文本类型的编程语言，例如VC++、VB、Labwindows/CVI等，另一种是利用图形开发出来的编程语言，有LabVIEW、HPV、EE等。在我们国内目前使用最多的开发工具是LabVIEW软件。LabVIEW一开始是由美国国家仪器公司所研制出来的产品，使用软件来代替硬件，成本低下，并且具有特别高的灵活性，可以随意进行搭配，体现出超强的性能，也不会导致硬件的毁坏和财产的损失。无论在大学校园当中，还是工厂的实验室当中都是一种特别广泛使用的编程语言。LabVIEW软件集成了符合GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件和数据采集卡的所有功能，并具有易于使用TCP/IP、ActiveX等软件标准的内置库函数[10]。它是一个功能强大且易于操作的工程软件，通过它，我们可以快速而舒适地构建所需的虚拟工具。它在研发初期很大程度上使用了开发人员、科学家、专业工程师所熟悉的专业术语、图形和概念。它可以我们对于实际开发系统结构的能力，并且提供了编程软件和数据采集系统的一些已经成型的自VI，以供开发人员调用。LabVIEW与C语言和BASIC的开发环境相类似，但是LabVIEW与别的计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言来编写代码，而LabVIEW则使用的是它独特的图形化语言进行编写，产生的程序是以图形的方式存在，通过图形之间进行连接。在LabVIEW应用程序当中，是由前面板和程序面板两个部分组成。前面板是图型显示的用户界面，也就是日后的工作人员主要的操作面板，有旋钮、图形、开关以及其他控制和显示控件。与前面板相对应有程序面板，它提供了VI中使用图形编译软件编写的源代码。当我们在修改前面板时，后面板的程序框图也会同时随之发生变化。LabVIEW的优点介绍LabVIEW使用的是可视化来搭建交互界面，并且可以用户可以自定义该界面。具有许多其他语言所拥有的结构化以及模块化的优点，还具有其独特创新的数据流程的模型，这样使它变成自动多线程，充分利用了多处理机的处理能力，适应编程人员的编程思想。提供给了开发者许多已经打包好的子VI，方便开发人员在使用的时候进行函数的调用。LabVIEW的DAQ配置LabVIEW的DAQ驱动首先需要在LabVIEW的官方网站进行DAQ的驱动下载，没有驱动的LabVIEW不能识别到数据采集卡，所采集的数据也就无法进行读取。LABVIEW的DAQ配置过程首先在程序面板上创建一个DAQ助手，使电脑能够读到数据采集卡。双击数据采集卡，点击模拟输入（AI）的选项，并且进行电压、电阻等的设置工作选择“连续采样”，设置采样频率以及采样时间。点击确定在LabVIEW中将采样频率、采样时间、采样方式都设定为输入选项，以便在使用的过程中可以进行简单快捷的设置，以便适配更多类型的数据采集。LabVIEW测试任务测试任务是我们在测试前检验所有的通道是否正确的重要一步。下列步骤，确认数据采集的执行状态。我们首先单击运行键。Express任务选项卡如果有数据更新，这可确定计算机正在采集数据。点击确定按钮，保存配置并且关闭DAQ助手。LabVIEW将自动生成一个DAQ的子vi。将这个VI命名为“读电压.vi”，并且保存到相应的文件夹当中。LabVIEW采集的数据我们把采集出来的数据使用波形图绘制，将它的名称进行改变。首先我们先点击电压接线端，从快捷菜单中选择“图形显示”的控件。切换到显示面板当中并且运行VI。此时，波形图右上方的图例中出现电压。在程序面板上，我们在Express这个选项卡的下面选择到DAQ助手这个程序，然后从快捷菜单中选择属性，系统会自动打开DAQ的助手。点击通道列表中的电压选项，从菜单中选择“重命名”，我们可以重新命名一个或多个通道的对话框名称。我们在这个新的文本框中，输入一个电压读数，然后我们单击确定的按钮。当我们单击确定按钮后，保存当前配置并且关闭DAQ助手。最后打开程序的前显示面板且并运行VI。波形图图例中将出现电压读数。保存VI

USB6001数据采集卡USB6001数据采集卡的总概述由美国国家仪器公司研发出来的USB6001是一种低价格，使其大部分人们可接接受的一款USB类型的传感器，其中有两个输出范围为±10V的模拟输出口AO以及13条数字线I/O。该公司给此款设备配置了4个差分模拟输入以及8个单端模拟输入，有效的确保了数据采集功能的全面性以及多样性。使用NI公司的数据采集卡可有效便捷的进行数据采集分析工作，其使用自身所带的DAQ数据助手，可快速实现电脑对于采集卡的驱动识别工作。数据采集卡工作原理数据的采集，指的是从一些硬件上面采集到数字量或者模拟量的一个过程，是将硬件上非电量转化为电量之后的一个收集工作。数据采集卡，即实现数据采集功能的一种可以连接到上位机的一种设备，可以通过USB、PXI、PCI、PCIExpress、火线(1394)、PCMCIA、ISA、CompactFlash、485、232等总线接入个人计算机[13]。当产品应用到工业的环境当中，我们会使用到各种不同种类的传感器，如检测某种物件的压力、温度值、声音分贝参数或者别的电子参数等数据。受到现场实际环境的限制，传感器所采集出来的信号可能会遇到因采集环境恶劣而不能远距离传输等情况，我们就会选用分布式采集卡或者远程采集卡，然后在现场把较高精度的信号转换成数字量,通过各种远程通信技术把采集出来的数据传送到计算机当中进行数据处理。这种类型的采集卡主要适应一些环境比较艰苦的工作环境当中。如果实验室或者工作环境较好的室内场景当中，我们可以使用USB类型的数据采集卡。由于外置的数据采集卡有配备USB的接口，因此，通常说外置的数据采集卡一般就指的是USB数据采集卡。USB数据采集卡也是我们平时应用最多的一种，它体型较小，并且携带、操作非常方便，只需要一个计算机就可以随时随地的进行数据采集。USB6001的主要功能介绍模拟输入采样最多的就是模拟输入的采样。它通过放大器和保持电路的作用，将一些采集回来的数字信号转化为模拟信号之后，再传送到上位机当中。A/D的性能和参数会影响到采集出的数据的精度。我们根据所测量的数据最大可接受误差范围来选择合适的A/D。模拟输出模拟输出是向硬件提供一个低电压的电量过程。该输出可以输出三角波、方波、正弦波以及正常的直流激励，虚拟搭建了一个波形发生器的平台。在实际的开发过程当中，使用虚拟仪器当中的此功能极为方便，开发者甚至不用待在实验室就可以得到一个想到的激励波形，节约了许多时间以及成本。数字I/O口在某些实验当中，开发人员可能会用到数字量的数据进行分析，所以在一般的数据采集卡当中会有数字I/O口的设计，这种数字口一般有八个口，可以同时进行采取，在一些比较高级的数据采集卡当中有十三个数字口来采集更多的数据。

软件的设计及设备调试软件的设计在整个系统设计方面，软件设计是最重要的部分，决定一个系统可不可以运行最直接的要素就是软件是否设计的合理，因此，在软件设计时需要注意以下几个方面：结构清晰简明，易读懂，以模块化编程为主。减少程序的冗杂性以及无用的循环结构，避免运行过慢。程序的存储空间不宜过大。如REF_Ref73903936\h图61系统总运行流程图开始初始化数据采集卡驱动采样是否超出设定范围开始初始化数据采集卡驱动采样是否超出设定范围Y报警N结束图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s11系统总运行流程图如REF_Ref73907635\h图62数据采集程序设计开始打开DAQ助手创建各参数面板开始打开DAQ助手创建各参数面板选择采样物理量输入物理量上下限完成采样配置图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s12数据采集程序设计采样设置程序DAQmx创建虚拟通道。创建虚拟通道的作用是模仿实物中实际连接几路的传感器，虚拟通道从0-7总共八个通道，在使用的时候可以将八个通道全部打开，也可以特定的选择只打开某些通道，这种给开发者在测量的时候提供了许多便利，开发者不再像从前那样，反反复复的连接某些硬件设施或者摘除，使用该程序，只需要点击鼠标勾选自己想要连接给仪器的通道即可以实现通道的开与关，极大的提高了开发的效率。DAQmx定时。DAQmx定时属性包含了所有定时选项和其他定时功能。只需要在前面板创建一个输入选项，就可以通过此函数即可进行采样时间、采样频率、采样次数的自定义设置。REF_Ref72698052\h图63虚拟通道与定时函数相连。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s13采集程序采样主程序DAQmx读取。该程序的作用是从刚才已经选择好的通道中读取从数据采集卡读取出来的数值，此程序有多种读取方式，既可以选择读取模拟量也可以选择读取数字量，在读取模拟量中，有单通道单采样、单通道多采样、多通道单采样以及多通道多采样的四种方式。波形图表。使用波形图表进行主要的监测显示仪器是因为波形图表具有缓冲区，它可以观察到历史数据，方便监测人员在监测的时候进行对比以及分析，从波形的变化状态来判断是否发生了火灾，产生了浓烈的烟雾，若波形在波形图表的显示当中是一瞬间升上去，而不是缓缓升起的波形，则极有可能是传感器自身原因或者其他原因造成的误差错误波形，若缓缓升起，则可警示监测人员可能发生火灾产生浓烟。在波形处于0.5-0.6V左右电压时，属于正常工作状态，将报警值设置为1.5，通过比较函数，设置一个常量，如REF_Ref73904134\h图64主程序若测量的值大于设置的常量，则指示灯亮起，说明烟雾到达预警值。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s14主程序波形保存程序由于该设计需要进行连续采样，故若需要保存数据，必须添加平铺式顺序结构。该结构具有极强的顺序性，此前使用DAQmx采集出来的波形始终是在不断的循环过程，因此，当需要保存之前所有的程序的时候需要添加一个平铺式的顺序结构，该结构是一帧一帧的进行的，这样可以保证当点击停止键之后，继续进行下一帧即保存前一帧所有波形数据的操作，从而实现存储数据，这样大大的提高了程序的顺序性以及逻辑性。导出波形至电子表格文件。为了使采集出来的数据能够有条理的展现出来，将保存出来的波形数据存入到电子表格当中，在电子表格中既可以看到每一秒采集的点数的时间，还可以看到在对应点数上面对应的波形数值，可以实现对历史数据的调用。REF_Ref72747001\h图65为波形保存的程序图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s15波行保存程序DAQmx清除DAQmx清除任务。当完成了所有的采集工作以及数据的保存工作，应该进行DAQmx清除工作，因为如果不进行清除，则会占用大量的运行内存以及存储内存，降低计算机的使用性能，因此应该进行清除释放内存的工作。REF_Ref72747031\h图66为DAQ清除的程序图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s16DAQmx清除程序前面板的显示在前面板的主要构成有波形图表、波形图，采样频率、采样次数、采样时间的设置以及达到预警报警的布尔灯。REF_Ref72747116\h图67为前面板显示图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s17前面板显示软硬件连接后的调试传感器与数据采集卡的连接传感器与数据采集卡连接的时候首先要注意的是保持所有连接线的稳固，不能有松动的现象，数据采集的过程是一个对精度要求极高的过程，如果出现松动现象，最终会造成某些点处的误差，甚至造成整次实验中全是误差。其次在使用数据采集卡的时候，需要将手中的静电排除完，避免因为手中的静电导致数据采集卡内部电路板中的器件损坏。本次采集的信号是模拟信号，所以在采集的时候，应该远离噪声，噪声会对所采集出来的模拟信号产生特别大的影响。如果所采集的环境避免不了高噪声的影响，那么我们应该在数据采集卡的周围安装一个屏蔽设备，保证采集卡受到较小的影响。波形数据处理滤波器是一种选择特定频率的一种装置，可以只让信号中所需要的频率成分通过，而抑制其他的频率部分。利用滤波器这种滤掉多余波的仪器，我们可以极大的抑制毛刺信号干扰或者进行频谱分析。本此毕业设计我们使用低通滤波器，低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，但高于截止频率的信号不能通过的一种滤波装置。在空气中会含有一定量的一氧化碳，因此会有一小部分波形显示在波形图当中，然而需要进行实时的监测需要极高的准确度，不能出现误差，因此，在数据采集卡以及传感器通上电之后，应该先观察此时Y刻度表的值，等该值到达一个稳定的数值时，再使用滤波器，将杂波滤除掉，此时刻度表的值是真正在空气中测量的二氧化碳的浓度。可以用此标准，来设置一个浓度预警值。采样频率的发生采样频率，通常又把它称为采样率或者采样速度，它定义为每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数。采样频率只能用在具有周期信号当中，但是对于非周期的信号，采样器没有这种规则限制。采样前波形图表在连接上波形传感器与数据采集卡，完成数据采集卡的驱动之后，先等待传感器预热10-15分钟，待这些波形从一开始的不稳定慢慢趋于稳定的时候，方可认定为有效波形，此时是正常浓度的一氧化碳浓度，并且已经经过了滤波器的滤波而得到的数值。REF_Ref72747136\h图68为正常空气下的数据波形。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s18采样前波形实时监测系统连接好传感器并打开，预热10-15分钟之后，当有浓烟进入传感器当中，传感器会因为敏感元件的改变，从而引起电压的改变，电压值的大小反映出了此时此刻烟雾浓度的大小，图中波形突然上升，说明浓烟浓度变化迅速，可能会有火灾事故发生。REF_Ref72747158\h图69为有烟雾时候的波形。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s19实时波形布尔报警装置在测试环节，一氧化碳浓度高于设定浓度值，则布尔灯亮起，提醒检测人员浓度值已经升高、烟雾浓度增加，经过多次测试，在不同的环境，不同的条件下，使用人为制造的烟雾进行测试，当幅值到达1.5时，可判定为火灾已经发生，若低于1.5时，可能是由于人们吸烟或者其他原因引起的波形增高，在实时监测的上方，设置一个报警灯，用来提醒浓度是否已经超过1.5，超过1.5则系统会进行指示灯报警功能。REF_Ref72747174\h图610为浓度增加时报警图。图STYLEREF1\s6SEQ图\*ARABIC\s110报警灯

总结与展望总结本次毕业设计实现了一个可以测量烟雾的实时监测系统，创建了一套室内烟雾报警系统，使得现代发展的传感检测技术得到充分地体现，可以有效的提高火灾防范系统，保证人民的生命财产安全。通过计算机与数据采集卡的相连接，总结归纳了如下结论：第一，烟雾的主要成分是一氧化碳，而且一氧化碳进入人体会破坏人体的呼吸系统，是最为关键的因素。将一氧化碳作为测量的主要目标，选择国产的MQ-7一氧化碳传感器，构建该传感器的调理电路，使得传感器的非电量转化为电量，其次将所转化为的电量变为适合数据采集卡所要求的电压量，最后将所转化成的电压量调配成数据采集卡适合的电压范围。第二，因为数据采集卡采集出来的信号具有极其差的准确性，干扰性太大，不能够将所采集出来的数据直接作为参考量，因此，需要设计一个滤波器，将没有用的波形滤掉，留下滤完后的波形，这样可以大大提高准确度，减少误差，系统的可靠性大大提升，火灾报警的准确性得到了保障。在初次给传感器进行通电的时候，我们应该先把传感器预热十到十五分钟左右，然后再使用此传感器进行的数据的采集，不预热的时候直接记录的数据会有大量的错误。第三，本文使用LabVIEW研发烟雾报警系统，能够实时直观的看到浓度的数值，以及浓度变化的趋势，在进行编写程序的方面，由于LabVIEW自身的语言结构特点逻辑清晰，可以简易快速的进行程序的编写，减少程序的冗杂性，更加直观得清楚程序总体流程顺序。LabVIEW自身附带的Vi也对开发者极其友好，自身带了许多已经打包好的程序，在进行重复的编程工作中，只需要将原先包装保存过的子Vi进行调用即可。展望本次设计完成了烟雾的检测，但是还有不足的地方，许多地方可以进一步的改进，在以后的学习工作中，会利用空闲时间继续完成该设计的完善。第一，可以将有线传输数据改为无线传输数据，这样有效的提高了数据的传输效率，监测人员的办公场所更为灵活化，这样可以让监测人员在一个固定的监测房间监测到来自四面八方的实时数据，从而有效的调配相关的救援部门进行及时的抢救工作。第二，将所监测到的数据与所监测区域的人们进行手机App通信，当监测人员第一时间发现某区域的火灾时，可以通过网络给在发生火灾区域的人们推送报警信息，让人们能够在第一时间接收到来自报警中心发送的警报信息，从而在烟雾较小的时候就开始进行人员疏散工作。第三，结合当今世界大数据的发展的成果，将所测得的数值进行人工智能的算法演绎，使得所测的数据准确度得到提升，将虚报率以及漏报率降到最低数值，得到一个智能室内烟雾报警系统。参考文献[1]武昌俊.自动检测技术及应用[M].3版.北京：机械工业出版社，2020.[2]UserGuideUSB6001/6002/6003OEM[M].NationalInstruments.2017.[3]MeasurementSystemBuildGuide[M].NationalInstruments.2018.[4]张楠.基于LabVIEW的防火监测报警系统设计[J].机械工程与自动化.2018.[5]浅谈虚拟仪器在传感器实验教学中的应用[J].电子测试.2020.[6]徐晓玲,余佼,张明辉,李文凯,刘且根.基于LabVIEW的传感器虚拟综合实验系统计[J].实验技术与管理.2019.[7]张斌.基于LabVIEW的数据采集系统的设计[J].电气自动化.2020.[8]阮颐,王甲,阮景.烟雾报警器的市场应用综述[J].集成电路应用.2018.[9]常世龙,刘青云,郭燕.基于LabVIEW的土壤环境监测系统设计与实现[J].电子技术与软件工程,2021(09):34-35.[10]刘永超.基于LabVIEW的语音智能家居控制系统研究[J].无线互联科技,2021,18(05):9-10.[11]裴丽群.无线通信技术在火灾自动报警系统中的应用[J].建筑电气,2009,28(12):57-59.[12]张迎辉.基于模糊神经网络的智能火灾报警系统研究[D]