传感器课程设计

HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《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。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-火焰探测器图1-1各种探测器对应的火灾物理参量及探测器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：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。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：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；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；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；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。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。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。图3-1STC89C52RC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P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728P2021RXD/P3010TXD/P3111INT0/P3212INT1/P3313T0/P3414T1/P3515WR/P3616RD/P3717P101P112P123P134P145P156P167P178RESET9X119EA/VP31ALE/P30PSEN29X218VCC40GND20STC89C52RC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3-1STC89C52RC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：0～5%/英尺，误差≤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2μm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：-50℃～500℃；R=1000Ω；工作电流：0.5mA；线性度：≤0.17%；测量误差：±(0.10+0.0017|t|)；外形结构：Φ5.0×2.0金属壳封装；延长线：Φ0.5×10.0。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：AR1R2RFRFR`RWRFRFv1v2vo(3-1)其中，R0是0℃时的电偶内阻，阻值1000Ω；温度系数α=0.003925。由此可得，当温度为200℃时，电偶内阻Rt|t=200=1785Ω，又知电偶在t=0℃时工作电流为0.5mA，驱动电压为5V，故选用9kΩ