自动检测及传感器应用课程教学.docx

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自动检测及传感器应用课程教学

《自动检测与传感器应用》

课程教学讲义

（20/20学年第学期）

班级

姓名

序号

团队名称

团队序号

任课教师

常州轻工职业技术学院

项目一、居家安防与环境监测

《项目一、居家安防与环境监测》的项目准备

一、项目一的要求和教学目标

1．项目一的要求

完成居家安防与环境监测项目各任务LabVIEW虚拟仪器的创建及各功能模块的搭建与综合调试工作。

2．项目一的教学目标

（1）认知目标

①认识居家安防与环境监测项目中各任务的相关知识。

②熟悉居家安防与环境监测项目中各任务的基本工作原理。

③熟悉LabVIEW虚拟仪器在居家安防与环境监测项目中各任务的作用。

④了解居家安防与环境监测项目中相关传感器的典型应用。

（2）技能目标

①能通过文献检索、网络等查询手段，查找居家安防与环境监测的相关知识及传感器的外形、基本特性、适用场合、典型应用、厂商等资料，根据现场要求对常用相关传感器进行鉴别比较和合理选择。

②能完成居家安防与环境监测项目中各任务的LabVIEW虚拟仪器平台的界面搭建、程序设计、硬件连线和调试工作。

③能综合运用各任务完成居家安防与环境监测的项目要求及排故工作。

④能够收集、整理相关资料，综合运用所学知识与技能，对生产系统出现的类似居家安防与环境监测项目中的检测任务，提出合理的解决方案。

（3）素质目标

①能够认识到态度决定结果的道理，逐步找准自己在团队合作中的作用。

②能够尊重别人，不把自己的意见强加给别人。

③积极参与合作学习，与团队成员积极沟通，探寻问题解决的方法与途径。

④逐步养成安全、规范、环保的生产意识，重视工作秩序，保持工作场所的整洁，尊重别人和自己的劳动成果。

二、项目一项目准备的要求和教学目标

1．项目一项目准备的要求

完成学习团队的组建和项目一的分工，认识居家安防与环境监测的相关任务，通过网络、图书等手段收集、整理相关信息资料，完成本项目实施预案的讨论和制定工作。

2．项目一项目准备的教学目标

（1）认知目标

①认识组建学习团队的重要性和必要性。

②认识团队成员在团队中作用的重要性。

③认知居家安防与环境监测的相关任务。

（2）技能目标

①能够积极参与组建本课程学习团队的全过程。

②初步具备服从团队决定的能力，完成团队布置的任务。

③能够收集居家安防与环境监测方面的资料。

三、项目一的相关任务

1．任务1-1、居家火灾自动报警：

在住宅发生火灾时发出声光报警信号。

2．任务1-2、居家可燃性气体泄漏报警：

在住宅发生可燃性气体泄漏时发出声光报警信号。

3．任务1-3、居家防盗报警：

在有人非法闯入住宅时发出声光报警信号。

4．任务1-4、室内温度检测：

能够正确测量室内温度，并在设定温度范围外报警。

5．任务1-5、室内湿度检测：

能够正确测量室内湿度，并在设定湿度范围外报警。

四、项目一需要的设备和工具

1．设备

普通电脑1台，LabVIEW数据采集卡1只，居家安防与环境监测综合线路板1块，火焰传感器模块、MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块、光电对射传感器模块、LM35D模拟温度传感器模块和HR202湿敏电阻传感器模块各1个，5伏直流电源1台，实训桌椅1套。

2．工具

一字仪表螺丝刀1把、打火机1个、杜帮导线若干

五、项目一的项目准备单

《项目一、居家安防与环境监测》项目准备单

班级第团队团队名称填写人

项目一负责人

项目一各任务轮执队长

任务1-1

任务1-2

任务1-3

任务1-4

任务1-5

《项目一、居家安防与环境监测》实施预案

项目实施流程

项目一中各任务在虚拟仪器平台的分布图

任务1-1、居家火灾自动报警

一、火灾自动报警的任务要求和教学目标

1．任务要求

熟悉实现居家火灾自动报警的工作原理，完成居家火灾自动报警LabVIEW虚拟仪器的搭建与调试工作。

2．教学目标

（1）认知目标

①认识火灾自动报警器的作用。

②熟悉火灾自动报警器的工作原理及种类。

③认识虚拟仪器在传感器应用中的作用。

（2）技能目标

①会调试火灾自动报警器的灵敏度，并能够正确选择与安装。

②在本项目虚拟仪器平台的适当位置能够搭建火灾自动报警的虚拟仪器。

二、火灾自动报警需要的设备和工具

1．设备

普通电脑1台、数据采集卡1只、火焰检测传感器模块1个、5伏直流电源1台、实训桌椅1套。

2．工具

钟表一字螺丝刀1把、打火机1个、杜帮导线若干。

三、任务1-1的学习任务单

《任务1-1、居家火灾自动报警》学习任务单

班级第团队团队名称填写人

LabVIEW界面搭建任务实施流程框图

任务分工

操作人员及内容

监督

人员

准备

人员

姓名

内容

任务实施过程

有何疑问

如何解决

四、火灾自动报警的任务分析

根据火灾自动报警任务要求，学员将完成居家火灾自动报警各硬件功能模块的连接与调试工作和居家火灾自动报警LabVIEW虚拟仪器的创建与报警功能。

1．通过各硬件功能模块的连接与调试工作完成火灾自动报警的功能

将火焰传感器模块与相应报警电路进行连接，就可以完成火灾自动报警功能，报警电路一般为声音或灯光报警，可以是音乐片电路、继电器输出电路，也可以是开关门输出电路，等等。

（1）火焰检测传感器模块简介

火焰检测传感器模块选用龙戈电子的智能车火焰检测传感器模块，该产品的功能示意图如图1-1-1所示。

产品尺寸：

长66mm×宽11mm×高13mm；

主要芯片：

LM393、火焰感应探头；

工作电压：

直流3～5V；

工作电流：

<1.6mA（默认外加电压5V）；

主要应用：

消防、火灾检测、教学实验等等。

产品特点为：

①具有信号输出指示，无火焰时输出高电平、指示灯灭，有火焰时输出低电平、指示灯亮，响应时间<2μs；

②单路信号输出，输出开关量信号可以直接接单片机IO口

③输出口OUT输出高低电平信号（开关量），高电平为3.8V，低电平为0V；

④用于检测波长在760纳米～1100纳米（红外光）范围内的热源，探测角度达600范围；

⑤灵敏度可调（精调），调节火焰检测范围；

⑥模块带安装孔，方便固定安装。

（2）火焰检测传感器模块的工作原理

①火焰感应探头简介

用于火灾报警的传感器有多种，光电二极管、气敏传感器、温度传感器等。

本任务使用的火焰检测传感器模块中的火焰感应探头是光电二极管（也叫光敏二极管），光电二极管是光电传感器中的一种光电晶体管，光电晶体管包括光电二极管、光电三极管和光控晶闸管。

如图1-1-2所示为光电二极管实物图。

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

光敏二极管是最常见的光电传感器。

光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小，称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

具体见《传感器与自动检测技术》（第二版）教材P76～80。

②LM393芯片简介

LM393芯片是一个双电压比较器集成电路，如图1-1-3所示为LM393实物图，它具有2个电压比较器（运算放大器），工作温度范围为0°C～+70°C。

其主要特点是：

工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作（单电源为2～36V，双电源为±1～±18V）；消耗电流小（ICC=0.8mA）；输入失调电压小（VIO=±2mV）；共模输入电压范围宽（VIC=0～VCC-1.5V）；输出与TTL、DTL、MOS、CMOS等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门；采用双列直插8脚塑料封装（DIP8）和微形的双列8脚塑料封装（SOP8）。

LM393内部结构如图1-1-4所示，管脚8为电源正极，管脚4为电源负极，管脚1与7为2个电压比较器的输出端。

如表1-1-1所示为LM393的型号识别与封装命名表，型号的尾缀区分不同的封装。

LM393芯片是高增益、宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合时，很容易产生振荡。

这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。

减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0～10mV）能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC（集成电路板integratedcircuit，缩写为IC）并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。

另外LM393芯片应用时应注意以下几点：

a）所有没有用的引脚必须接地；b）LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围（2.0～30V）无关；c）通常电源不需要加旁路电容；d）差分输入电压可以大于Vcc并不损坏器件，保护部分必须能阻止输入电压向负端超过-0.3V；e）LM393的输出部分是集电极开路，发射极接地的NPN输出晶体管。

③火焰检测传感器模块的工作原理

如图1-1-5所示为火焰传感器模块的原理图，图中R1为火焰感应探头，LM393为双电压比较器集成电路，R3为调节火焰感应强度的变阻器。

火焰检测传感器模块的原理为：

在有一定红外光照条件下，R1电阻值较小，LM393同相端u+<反相端u-，LM393的1号引脚输出低电平，LED指示灯亮；没有光照时，R1电阻值很大，LM393同相端u+>反相端u-,LM393的1号引脚输出高电平，LED指示灯不亮。

调节R3可以改变比较器的阀值电压，起调节灵敏度作用。

图1-1-5火焰传感器模块的原理图

（3）用报警电路完成火灾报警功能

将火焰传感器模块（低电平有效）与音乐片电路、继电器输出电路和开关门输出电路中的任一个报警电路进行连接，接通5伏电源，调节火焰检测传感器模块的灵敏度调节旋钮，使之正常光线下不出现报警现象，在距离火焰检测传感器模块20~30cm的情况下点燃打火机，使之出现报警现象。

①音乐片电路，如图1-1-6所示，原理分析略。

②继电器输出电路，如图1-1-7所示，原理分析略。

③开关门输出电路，如图1-1-8所示，原理分析略。

2．通过创建LabVIEW虚拟仪器平台完成火灾自动报警的功能

（1）“火灾报警”灯和“运行”灯的逻辑关系

“火焰检测传感器模块”信号通过“数字输入通道0”（采集卡的DI0端口）输入到虚拟仪器的平台中。

“报警开关”打开，接通电源，“运行”灯点亮，“火焰检测传感器模块”没有检测到火灾时（即光线较弱），“火灾报警”灯不亮，只有在出现火灾时，“火灾报警”灯才亮，即发出报警信号。

设：

“火焰检测传感器模块”的输出信号H检测到光线比较弱（输出高电平）为“真”；“报警开关”K打开为“真”信号；“运行”灯Y亮为“真”；“火灾报警”灯B亮为“真”。

“运行”灯Y和“火灾报警”灯B逻辑表达式为：

（1-1-1）

（1-1-2）

（2）通过硬件连线和软件设计完成火灾自动报警的功能

将火焰检测传感器模块与USB数据采集卡和电脑连接，通过创建LabVIEW虚拟仪器平台，进行程序设计，就可以完成火灾自动报警的功能。

五、运用LabVIEW虚拟仪器实现火灾自动报警功能的操作步骤

1．建立项目一的LabVIEW文件

（1）新建VI文件

运行LabVIEW软件，选择新建LabVIEW（VI）如图1-1-9，进入编辑界面；如VI已经存在但需进一步修改，则选择打开已存在的VI，如图1-1-10。

打开现有文件或创建新文件后启动窗口将消失。

关闭所有已打开的前面板和程序框图后启动窗口将再出现。

在前面板或程序框图窗口中选择查看»启动窗口，也可显示启动窗口。

（2）选择文件»另存为将新VI保存为：

E盘的“××班级”文件夹下的文件名为“项目一、居家安防与环境监测（第×团队）”

（3）在前面板中间位置编辑文字“项目一、居家安防与环境监测”。

①在前面板的查看菜单中点击工具选板，出现工具选板对话框。

②在工具选板中选中编辑文本。

③在前面板上部的中间位置点击后，输入文字“项目一、居家安防与环境监测”，如需修改字体大小和颜色，则选中相应文本框，点击前面板菜单栏下的“12pt应用程序字体”，在此菜单中点击字体对话框，在“字体对话框”中选择字体大小“24”、对齐“居中”和颜色“黑色”等字体格式，点击确定即修改了字体格式。

（4）对输入文字加修饰边框，在控件选板»新式»修饰中选择“上凸盒”的修饰控件，并按照图1-1-11所示拖放相应位置及大小（这时“上凸盒”将文字盖住了），可选中“上凸盒”，然后点击工具栏重新排序按钮

按钮，在下拉式菜单中选择“移至后面”，这样文字将出现在“上凸盒”修饰框中。

（5）点击工具选板的设置颜色按钮

，在前面板空白处右击出现颜色选择对话框，可根据喜好选择颜色，一般为浅色，绝不能与前面板中的字体颜色相同或相近。

（6）在工具选板的“选择”状态下点击文字框可以任意拖动文字的位置。

（7）选择文件»保存，保存VI文件“项目一、居家安防与环境监测（第×团队）”的修改。

2．制作“任务1-1、居家火灾自动报警”LabVIEW检测界面

在前面板适当位置编辑“任务1-1、居家火灾自动报警”检测界面，如图1-1-11所示。

（1）在工具选板中选中编辑文本，在前面板适当位置输入文字“任务1-1居家火灾自动报警”，点击前面板菜单栏下的“12pt应用程序字体”，在下拉式菜单中点击字体对话框，选择字体大小14和颜色“蓝色”、居中、粗体。

（2）在控件选板»新式»布尔（如窗口上无控件选板，可点击菜单查看»控件选板打开）中选择圆形指示灯，拖放到窗口的合适位置，调节大小，右击左边指示灯在弹出的菜单上选择属性，修改左边指示灯开关颜色分别为深绿色或浅绿色；按同样方法设置右边指示灯开关颜色为深红色或浅红色。

在鼠标编辑文本状态下修改两个指示灯上标签名称分别为运行和火灾报警。

如修改字体颜色，可用以上①中的办法。

（3）选取控件选板»新式»布尔中合适的开关按钮作报警开关，标签修改同上。

（4）加修饰边框，在控件选板»新式»修饰中选择“下凹框”的修饰控件，并按照图1-1-11所示拖放相应位置及大小。

点击下拉式菜单“文件”保存界面修改内容。

3．程序设计

（1）选取程序框图窗口，如屏幕上没有可选择菜单窗口»显示程序框图打开。

选择函数选板»用户库中»AdvantechDA&C（研华数据采集及控制）»EasyIO（简易输入/输出）»SelectPOP（选择弹出式对话框）»SelectDevicePOP（选择设备弹出式对话框）控件

，拖放到窗口中的最左边位置，如图1-1-12所示。

（2）选择函数选板»用户库»AdvantechDA&C（研华数据采集及控制）»Advance»DeviceManager（器件管理）»DeviceOpen（打开器件）控件

和DeviceClose（器件关闭）控件

分别拖放到窗口中的左、右位置。

注：

控件DeviceOpen用于启动所选择的采集卡，DeviceClose用于程序运行结束时关闭所选择的采集卡，虚拟仪器程序对于硬件的操作一般均涉及硬件的打开和关闭，要养成在程序结束时关闭相应硬件的良好习惯。

（3）选择函数选板»用户库中»AdvantechDA&C（研华数据采集及控制）»Advance（高级）»SlowDIO（低速数字量输入/输出）>>DioReadPortByte控件

，拖放到窗口中相应位置。

注：

研华采集卡一般均有低速、中断、DMA（直接数据存取）采集模式，可根据需要选择，控件DioReadPortByte用于不超过8个数字量输入信号采集，数据类型为8位二进制，每位对应一个通道输入；对于单一数字量采集可采用DioReadPortBit，超过8小于等于16位的数字量采集可采用DioReadPortWord，当然此时采集卡必须有不少于16通道的数据量输入端口。

（4）选择函数选板»编程»布尔»“与”

、“非”

和数值至布尔数组转换

，拖放到窗口中相应位置。

注：

数值至布尔数组转换用于将8位二进制数据转换成布尔型数组，数组每一元素对应原数据中的相应的一位，即对应通道的输入信号（0或1）。

（5）选择函数选板»编程»数组»索引数组

，拖放到窗口中相应位置。

注：

索引数组用于抽取一数组中指定位置处的数据元素，其索引连线端输入值表示抽取元素在原数组中的位置。

多维数组其索引连线不止一个，分别表示元素在原数组中的第一维、第二维、……中位置，如二维数组索引有两个，分别表示行和列。

（6）选择函数选板»编程»结构»while循环

，如图1-1-12所示框选需要进行循环执行的部分（注意：

框选时鼠标左键不能放开，框选所需所有图标后再放开鼠标左键）。

光标移至while循环框的右下端

图标处右击，选择弹出菜单中创建输入控件，为循环体创建停止条件，否则程序不能正常运行。

在图标

上右击出现的对话框中点击“显示为图标”去除“√”，则图标变小，同样可以将“报警开关”、“运行”和“火灾报警”按钮变小。

（7）选择函数选板»编程»定时»等待

，拖放到窗口中相应位置。

由于程序循环速度过快，加入延时控件可改变单次循环的执行时间。

点击工具选板中的“自动选择工具”，移动光标至该控件左侧连线处，在出现连线图标

时右击，选择选择弹出菜单中创建»常量，直接输入相应定时数值100（单位ms）（或者在工具选板»编辑文本状态下单击数值框）。

（8）按图1-1-12调整好各控件相应的位置，并进行连线。

在控件DioReadPortByte左边中间的连线端创建常量0、在索引数组索引端创建常量0，用于获取端口0的数字通道0端的输入值。

注：

当采集Di端口为8个时，可作为一个端口，端口号为0；多于8个时每8个一组组成端口，分别称为端口0、1、2、……，具体参见采集卡用户手册。

（9）选取前面板窗口（如屏幕上没有可选择菜单窗口»显示前面板打开），将左上角的停止按钮拖到右下角，右击属性文本颜色为红色，“开”与“关”颜色不同。

（10）点击下拉式菜单“文件”保存程序设计内容。

4．硬件连线

分别将火焰检测传感器模块的5V、GND和OUT端口接至采集卡的+5V、DGND和数字输入通道0（DI0），采集卡与计算机USB接口相连。

5．运行与调试

点击工具栏运行按钮

运行程序，在前面板上用鼠标点击任务1-1中的报警开关，使报警开关打开，调节火焰检测传感器模块的灵敏度调节旋钮，使之正常光线下报警报警灯不亮。

在距离火焰检测传感器模块15~25cm的地方点燃打火机，观看报警灯是否亮，如没有出现报警现象，则缓慢调节灵敏度旋钮，使报警灯亮，关闭打火机，则报警灯熄灭。

任务1-2、居家可燃性气体泄漏报警

一、可燃气体泄漏报警的任务要求和教学目标

1．任务要求

熟悉实现居家可燃气体泄漏报警的工作原理，完成居家可燃气体泄漏报警LabVIEW虚拟仪器的搭建与调试工作。

2．教学目标

（1）认知目标

①认识可燃性气体泄漏报警器的作用。

②熟悉可燃性气体泄漏报警器的工作原理及种类。

（2）技能目标

①会调试可燃性气体泄漏报警器的灵敏度，并能够正确选择与安装。

②在本项目虚拟仪器平台的适当位置能够搭建可燃气体泄漏报警虚拟仪器。

二、可燃气体泄漏报警需要的设备和工具

1．设备

普通电脑1台、数据采集卡1只、MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块1个、5伏直流电源1台、实训桌椅1套。

2．工具

钟表一字螺丝刀1把、打火机1个、杜帮导线若干。

三、任务1-2的学习任务单

《任务1-2、居家可燃性气体泄漏报警》学习任务单

班级第团队团队名称填写人

LabVIEW界面搭建任务实施流程框图

任务分工

操作人员及内容

监督

人员

准备

人员

姓名

内容

任务实施过程

有何疑问

如何解决

四、可燃气体泄漏报警的任务分析

根据可燃性气体泄漏报警任务要求，学员将完成居家可燃性气体泄漏报警各硬件功能模块的连接与调试工作和居家可燃性气体泄漏报警LabVIEW虚拟仪器的创建与报警功能。

1．通过各硬件功能模块的连接与调试工作完成可燃性气体泄漏报警的功能

将MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块与相应报警电路进行连接，就可以完成可燃性气体泄漏报警的功能。

与任务1-1相同，报警电路一般为声音或灯光报警，可以是音乐片电路、继电器输出电路，也可以是开关门输出电路，等等。

（1）MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块简介

MQ-2烟雾气敏电阻检测传感器模块选用龙戈电子的MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块，该产品的功能示意图如图1-2-1所示。

产品尺寸：

长41mm×宽22mm×高24mm；

主要芯片：

LM393、MQ-2烟雾气敏电阻传感器探头；

工作电压：

直流3-5V；

主要应用：

适用于家庭或工厂的气体泄漏监测装置，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等监测装置，探测可燃气体、烟雾300至10000ppm等等。

其产品特点为：

①具有信号输出指示；

②双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；

③TTL输出有效信号为低电平，可接直接接单片机IO口；

④模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；

⑤对液化气、丁烷、甲烷、烟雾等有较好的灵敏度；

⑥使用寿命长、稳定性好；

⑦具有快速响应恢复特性。

（2）MQ-2烟雾气敏电阻传感器模块的工作原理

①MQ-2烟雾气敏传感器探头简介

在现代社会的生产和生活中，人们往往会接触到各种各样的气体，需要对它们进行检测和控制。

比如：

化工生产中气体成分的检测与控制，煤矿瓦斯浓度的检测与报警，环境污染情况的监测，煤气泄漏，火灾报警，燃烧情况的检测与控制等等。

检测这些气体的成分和浓度的传感元件一般为气敏电阻，它是一种能把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，气敏电阻的变化通过相关电路转换为电流、电压信号的变