多传感器仪器综合设计 精品.docx

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多传感器仪器综合设计精品

课程设计报告

题目：

多传感器仪器综合课程设计

系部名称：

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学生姓名：

学号：

指导教师：

教师职称：

2011年12月21日

摘要

随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。

传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。

因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。

为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对烟雾传感器、温湿度传感器和酒精浓度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。

本文利用单片机结合传感器技术而开发设计了这一多传感器监控报警系统。

本论文以单片机技术为核心并与其他电子技术相结合，设计出一种技术水平较好的综合了烟雾浓度监测、温湿度测量以及酒精浓度监测于一体的多传感器报警系统。

其中选用MQ-2型半导体可燃气体敏感元件烟雾传感器实现烟雾的检测，DHT11数字温湿度传感器实现温湿度的测量和酒精气体敏感元件MQ-3实现酒精浓度的监测，这三种元件具有灵敏度高、响应快、抗干扰能力强等优点，而且价格低廉，使用寿命长。

选用的STC89C52单片机，其整合了A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器等资源，具有高速、低功耗、超强抗干扰等优点，是目前同类技术中性价比较高的产品。

以STC89C52单片机和MQ-2型半导体电阻式烟雾传感器、DHT11数字温湿度传感器与酒精气体敏感元件MQ-3为核心设计的多传感器报警系统可实现声光报警、故障自诊断、浓度显示、报警限设置、延时报警及与上位机串口通信等功能。

是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉、智能化的烟雾报警器。

具有一定的实用价值。

关键字：

多传感器，STC89C52单片机，烟雾浓度，温湿度，酒精浓度，报警系统

Abstract

Withtheadventof"informationtimes",asameansofaccessinginformation--sensortechnologyhasbeensignificantprogress,itsapplicationfieldismoreandmoreextensive,therequirementismoreandmorehigh,moreandmoreurgentneed.Thesensortechnologyhasbecomeanationalscienceandtechnologydevelopmentlevelofoneoftheimportantsymbols.Therefore,understandingandmasteringofsensor'sstructure,workingprincipleandcharacteristicisveryimportant.

Inordertoimprovethesensor'sunderstandingandtheunderstanding,especiallyforthesmokesensor,temperatureandhumiditysensorsandalcoholconcentrationsensorresearchanditsusageanduse,basedonpractical,andtheprincipleanddesignthetypicalsystem.Inthispaper,combinedwiththeuseofsingle-chipsensortechnologydevelopmentanddesignofthemultisensormonitoringalarmsystem.

Inthispaper,single-chiptechnologyasthecoreandotherelectronictechnology,designsatechnicallevelthebettercomprehensivesmokeconcentrationmonitoring,temperatureandhumiditymeasuringandmonitoringalcoholconcentrationinoneofthemultisensoralarmsystem.TheselectionofMQ-2typesemiconductorgassensitiveelementsmokesensorsmokedetection,DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorstemperatureandhumiditymeasurementandethanolgassensitiveelementMQ-3alcoholconcentrationmonitoring,thethreecomponenthastheadvantagesofhighsensitivity,fastresponse,stronganti-interferenceability,andthepriceislow,longservicelife.TheselectionofSTC89C52chip,theintegrationoftheA/Dconversion,hardwaremultiplier,hardwarepulsewidthmodulatorandotherresources,hashighspeed,lowpower,stronganti-interferenceandotheradvantages,isofsimilartechnologyneutralhighercost-effectiveproducts.

WithSTC89C52MCUandMQ-2typesemiconductorresistortypesmokesensor,DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorwithalcoholgassensitiveelementMQ-3asthecoredesignofthemultisensorfirealarmsystemcanrealizesound-lightalarm,faultdiagnosis,theconcentrationdisplay,alarmlimitsettings,alarmandPCserialcommunicationsandotherfunctions.Isakindofsimplestructure,stableperformance,convenientoperation,lowprice,intelligentsmokealarm.Hasacertainpracticalvalue.

Keywords：

MultisensorSTC89C52chipSmokeconcentrationTemperatureandhumidityAlcoholconcentrationAlarmsystem

1烟雾传感器部分设计

1.1设计目的及意义

目的：

随着现代家庭用火、用电量的增加，家庭火灾发生的频率越来越高。

家庭火灾一旦发生，很容易出现扑救不及时、灭火器材缺乏及在场人惊慌失措、逃生迟缓等不利因素，最终导致重大生命财产损失。

消防部门的统计显示，在所有的火灾比例中，家庭火灾已经占到了全国火灾的30%左右。

家庭起火的原因林林种种，可能在我们注意得到的地方，也可能就隐藏在我们根本就注意不到的地方。

在现代城市家庭里，许多人因不懂家庭安全常识引起火灾事故，使好端端的幸福家庭眼间毁于一旦,有的导致家破人亡,而且一旦发生居民家庭火灾,处置不当、报警迟缓,是造成人员伤亡的重要因素。

所以说,人们应该积极了解家庭火灾的主要起因，还有预防火灾的发生。

这就是我们研究烟雾报警器的目的。

意义：

在我国的一些大中城市，几乎每天都发生家庭火灾，所以防火是每个家庭必须时刻注意的问题。

假如能根据您家的实际情况预先采取简单的防火措施，一些悲剧是完全可以避免的。

烟雾报警器对防家庭火灾，减少火灾损失具有现实意义。

一系列火灾造成的惨痛损失也使全国各界意识到了烟雾报警器的必要性。

据调查，在最近发生火灾的大多数房屋都没有安装报警器。

所以，烟雾报警器在预防火灾发生上有着非常重大的意义。

1.2设计方案

1.2.1设计方案的思想

此次设计是针对于单片机原理及其应用展开的。

其中包含了我们大学三年中所学到的相关知识，运用我们所学的电工技术，传感器技术，单片机技术去设计基于单片机的烟雾报警系统。

80C51单片机好比一个桥梁，联系着传感器和报警电路设备。

当周围的环境（温度、湿度、烟雾浓度）达到我们设定的数值时，烟雾传感器把被测的物理量（温度、湿度、烟雾浓度）作为输入参数，转换为电量（电流、电压、电阻等等）输出。

物理量和测量范围的不同，传感器的工作机理和结构就不同。

通常传感器输出的电信号是模拟信号（已有许多新型传感器采用数字量输出）。

当信号的数值符合A/D转换器的输入等级时，可以不用放大器放大；当信号的数值不符合A/D转换器的输入等级时，就需要放大器放大。

而我们选择前者，不需要用放大器，选择数值符合A/D转换器的输入等级，这样就可以简化整个系统的设置。

传感器将物理信号经过A/D转换器转化为可以利用识别的电信号给单片机，这里我们选择单片机的P1.0为输入方式，接收到信号的单片机经过程序的设定（当温度、湿度、烟雾浓度达到设定数值时）会由P2.0作为单片机的输出直接启动报警电路。

此时，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时二极管发光，这就达到了声光报警的效果。

1.2.2总体框图

根据方案的设计思想，我们从中就可以得到了烟雾报警系统的总体框图如图1-1所示下：

图1-1烟雾报警系统的总体框图

使用80C51单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用AD574A转换器和声光报警电路，开发了可用于家庭或小型单位火灾报警的烟雾报警器。

整个设计由4大部分构成：

烟雾传感器、A/D转换电路、80C51单片机、声光报警电路。

其中，传烟雾感器是将现场温度、烟雾等非电信号转化为电信号；转换电路是将完成将烟雾传感器输出的模拟信号到数字信号的转换。

声光报警模块由单片机和报警电路组成，由单片机控制实现不同的声光报警功能。

1.3系统硬件实现

1.3.1主控电路设计

硬件设计中最核心的器件是单片机80C51，它一方面控制A/D转换器实现模拟信号到数字信号的转换，另一方面，将采集到的数字电压值经计算机处理得到相应的二进制代码，与设定的值作比较。

整个系统的软件编程就是通过汇编语言对单片机80C51实现其控制功能。

1.3.280C51系列单片机介绍

80C51系列单片机产品繁多，主流地位已经形成。

多年来的应用实践已经证明，80C51的系统结构合理，技术成熟，许多单片机芯片倾力于提高80C51系列产品的综合功能，从而形成了80C51的主流产品的地位，近年来推出的与80C51兼容的主要产品有：

ATMEL公司融入Flash存储器技术推出的AT89系列单片机；

Philips公司推出的80C51、80C552系列高性能单片机；

华邦公司提出的W78C51、W77C51系列高速低价单片机；

ADI公司推出的AdμC8ⅹⅹ系列高精度ADC单片机；

LG公司推出的GMS90/97系列低压高速单片机；

Maxim公司推出的DS89420高速（50MIPS）单片机；

Cygnal公司推出的C8051F系列高速单片机。

由此可见，80C51已经成为事实上的单片机主流系列，所以，本次设计选择STC89C52RC单片机。

1.3.3STC89C52单片机基本结构

STC89C52的基本结构如图所示

图1-2STC89C52的基本结构

由图可见，STC89C52单片机主要由以下部分组成：

（1）CPU系统

8位CPU，含布尔处理器；时钟电路；总线控制逻辑。

（2）存储器系统

4KB的程序存储器（ROM/EPROM/Flash，可扩至64KB）；128KB数据存储器（RAM，可再扩64KB）；特殊功能寄存器SFR。

（3）I/O口和其他动能单元

4个并行I/O口；2个16位定时/计数器；1个全双工异步串行口；中断系统（5个中断源，2个优先级）

1.3.4STC89C52单片机封装和引脚

STC89C52单片机采用双列直插式（DIP）.QFP44（QuadFlatPack）和LCC（LeadedChipCaiier）形式封装。

这里仅介绍常用的总线型DIP40封装。

如图1-3所示。

40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：

电源、时钟、控制和I/O引脚

（1）电源:

VCC-芯片电源，接+5V；VSS-接地端；

图1-3STC89C52单片机的的封装和引脚

（2）时钟:

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

（3）控制线:

控制线共有4根，

ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

    ALE功能：

用来锁存P0口送出的低8位地址

PROG功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

PSEN:

外ROM读选通信号。

RST/VPD:

复位/备用电源。

    RST（Reset）功能：

复位信号输入端。

   VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源。

 EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

    EA功能：

内外ROM选择端。

    Vpp功能：

片内EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源

Vpp。

 （4）I/O线

 80C51共有4个8位并行I/O端口：

P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。

1.3.5STC89C52单片机的时钟

（1）振荡器和时钟电路

80C51内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟脉冲，外部还需附加电路。

80C51的时钟产生方法有以下两种。

a内部时钟方式

利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTALl和XTAL2两端跨接晶体振荡器（简称晶振），就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。

外接晶振时，Cl和C2的值通常选择为30pF左右；Cl、C2对频率有微调作用，晶振或陶瓷谐振器的频率范围可在1.2MHz～12MHz之间选择。

为了减小寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTALl和XTAL2靠近。

图1-4STC89C52时钟电路接线方法

b外部时钟方式

此方式是利用外部振荡脉冲接入XTALl或XTAL2。

HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同。

表1-380C51单片机外部时钟接入方法

芯片类型

接线方法

XTAL1

XTAL2

HMOS

接地

接片外时钟脉输入端（引脚需接上拉电阻）

CHMOS

接片外时钟脉冲输入端

悬空

1.3.6STC89C52单片机的复位

在整个烟雾报警系统中，要进行实验，必须对整个系统先复位。

复位是单片机的初始化操作。

单片机系统在上电启动运行时，都需要先复位。

其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，因而，复位是一个很重要的操作方式。

但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部复位电路才能实现。

复位电路设计

单片机的外部复位电路有上电复位和上电和按键均有效的复位两种。

我们在设计单片机复位时，选用上电复位。

上电复位

上电复位利用电容器的充电实现。

图1-5是80C51单片机的上电复位电路。

图中给出了复位电路参数。

图1-6是80C51单片机的上电+按键复位电路。

上电要求接通电源后，单片机实现自动复位操作。

上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

该电路典型的电阻值和我电容参数为：

晶振为12MHZ，电容值为10uF，电阻值为8.2K。

图1-5上电复位电路图1-6上电+按键复位电路

复位状态：

初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0～R7）的状态，复位后80C51片内各特殊功能寄存器的状态如表所示，表中“x”为不定数。

表1-2复位后的内部特殊功能寄存器状态

寄存器

复位状态

寄存器

复位状态

PC

0000H

TMOD

00H

ACC

00H

TCON

00H

B

00H

TH0

00H

BSW

00H

TL0

00H

SP

07H

TH1

00H

DPTR

0000H

TL0

00H

P0～P3

FFH

SCON

00H

IP

xx000000B

SBUF

xxxxxxxxB

IE

0x000000B

PCON

0xxx0000B

复位时，ALE和

成输入状态，即ALE=

=1，片内RAM不受复位影响。

复位后，P0～P3口输出高电平且使这些双向口皆处于输入状态，并将07H写入堆栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清0。

此时，单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。

所以，单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。

1.4MQ2介绍

1.4.1MQ2的特点：

在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，对液化气、丙烷、氢气的灵敏度较高，长寿命、低成本，简单的驱动电路即可。

1.4.2

MQ2的特性：

MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。

当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。

使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。

MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。

这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。

图1是传感器典型的灵敏度特性曲线。

图中纵坐标为传感器的电阻比（Rs/Ro），横坐标为气体浓度。

Rs表示传感器在不同浓度气体中的电阻值

Ro表示传感器在1000ppm氢气中的电阻值

图中所有测试都是在标准试验条件下完成的。

灵敏度特性：

图2是传感器典型的温度、湿度特性曲线。

图中纵坐标是传感器的电阻比（Rs/Ro）。

Rs表示在含1000ppm丙烷、不同温/湿度下传感器的电阻值

Ro表示在含1000ppm丙烷、20℃/65%RH环境条件下传感器的电阻值

温/湿度的影响：

基本测试回路：

图3是传感器的基本测试电路。

该传感器需要施加2个电压：

加热器电压（VH）和测试电压（VC）。

其中VH用于为传感器提供特定的工作温度。

VC则是用于测定与传感器串联的负载电阻（RL）上的电压（VRL）。

这种传感器具有轻微的极性，VC需用直流电源。

在满足传感器电性能要求的前提下，VC和VH可以共用同一个电源电路。

为更好利用传感器的性能，需要选择恰当的RL值。

规格：

A.标准工作条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Vc

回路电压

≤24V

DC

VH

加热电压

5.0V±0.2V

ACorDC

RL

负载电阻

可调

RH

加热电阻

31Ω±3Ω

室温

PH

加热功耗

≤900mW

B.环境条件

符号

参数名称

技术条件

备注

Tao

使用温度

　　-10℃－＋50℃

Tas

储存温度

　　-20℃－＋70℃

RＨ

相对湿度

　　小于　95%RＨ

O2

氧气浓度

　　21%（标准条件）

氧气浓度会影响灵敏度特性

最小值大于２％

C.灵敏度特性

符号

参数名称

技术参数

备注

Rs

敏感体表面电阻

2KΩ-20KΩ

（2000ppmC3H8）

适用范围：

300-10000ppm

丙烷、丁烷、氢气

α

（R3000ppm/

R1000ppmC3H8）

浓度斜率

≤0.6

标准工作条件

温度：

20℃±2℃Vc:

5.0V±0.1V

相对湿度：

65%±5%VH:

5.0V±0.1V

预热时间

不少于48小时

敏感体功耗（Ps）值可用下式计算：

传感器电阻（Rs），可用下式计算：

Ps=Vc2×Rs/（Rs+RL）2Rs=（Vc/VRL-1）×RL

D.结构，外形

图1-7

MQ-2/MQ-2S气敏元件的结构和外形如图4所示（结构A或B）,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。

封装好的气敏元件有６只针状管脚，其中４个用于信号取出，２个用于提供加热电流。

1.5比较器LM324

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。

它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1-8所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

LM324的引脚排列见图1-9。

图1-8图1-9

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时（即开环状态）,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大（实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍）。

此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。

当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。

图1-10

附图中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1ˊ组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2ˊ组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。

输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui>U1时，运放A1输出高电平；当Ui

运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。

若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出[U2，U1]区间范围