基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统毕业设计论文.docx

基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统毕业设计论文.docx

《基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统毕业设计论文.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统毕业设计论文

毕业设计论文

基于光敏二极管的烟雾浓度检测系统

摘要

随着科技的进步和经济的发展，各类型的建筑物对火灾自动报警控制系统提出了更高的要求。

针对烟雾的浓度进行检测和火灾报警的系统，其要求也愈来愈高。

本文设计了一个可广泛应用于室内以及生产现场的烟雾浓度检测系统。

本检测系统可以实现定点的有效地检测，并且可以快速准确地进行显示处理结果。

本设计主要由光电转换电路、单片机系统和LCD显示等三部分组成。

其中光电转换电路是基于减光原理，主要利用光敏二极管接收到发光二极管所发出光线产生的电信号来实现非电量信号（烟雾的浓度）的转换，通过单片机系统实现对电信号采集，然后将模拟信号转换为数字信号，最后把采集到的数据用LCD显示并发送给上位机。

通过实践证明，该检测系统可以及时准确地对烟雾浓度的监控。

关键词：

发光二极管；光敏二极管；光电转换；单片机

Abstract

Alongwiththetechnicalprogressandtheeconomicaldevelopment,buildingsneedvariousauto-alarmfirecontrolsystems.Targettowardssmogdensitydetectionandfirereport,thereareincreasinglyrequestsforthesesystems,whichwasdesignedinthisarticleandcouldbepossiblewidelyusedintheroombythesmogdensityexamination.Thisexaminationsystemmayimplementthefixedpointtoexamineeffectively,andmayaccuratelydisplaythefinalresult.Thisdesignmainlyincludesthephotoelectricityswitchingcircuit,themonolithicintegratedcircuitsystemandtheLCDdemonstrationandsoon.Photoelectricityswitchingcircuitisdesignedbasedonthelightprinciple.Thephotosensitivediodepipejointwasusedtoreceivethelightemitterdiode,whichsendsoutthelight.Theelectricalsignalimplementsthenon-electricalquantitysignal（smogdensity）thetransformation.Throughthemonolithicintegratedcircuitsystem,electricalsignalgatheringwasimplemented.Then,thesimulatedsignalwillbetransformintothedigitalsignalintothemicrocomputer.Finally,thedatawillbedisplayedontheLCD.Throughthepractice,thisexaminationsystemmaypromptlyaccuratelydetectsmogdensitywhilemonitoringfireinthebuildings.

Keywords:

Lightemitterdiode;Photodiode;Photoelectricitytransformatio;single-chipMicrocomputer

1绪论

目前市场上还很少有采用光电转换原理的烟雾浓度检测系统，大量的烟雾浓度检测系统只能脱机方式工作，而且响应速度不够快，没有与控制端联合使用实现智能化管理。

因此，研究具有智能化高精确度的烟雾浓度检测系统具有重大意义。

本文提出了一种基于光电转换原理的烟雾浓度检测系统。

1.1课题背景

随着经济的发展，各类型的建筑物对火灾烟雾浓度检测系统的需求量大大增加。

针对光电转换原理的烟雾浓度检测系统，其要求也愈来愈高。

传统的烟雾浓度检测系统在实际使用中暴露出一些隐患:

（1）响应速度慢；

（2）需要人工操作，智能化程度低；（3）稳定性不足。

所以作为高科技的智能烟雾浓度检测系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。

设计中采用单片机控制技术，将单片机、光电转换电路等有机地结合起来，构成一种功能先进、实用、成本低廉的智能烟雾浓度检测系统。

该系统主要是通过光敏二极管实现光电转换，通过单片机实现电信号采集，并实现信号模数转换。

该智能系统适用于各类型的建筑物，它可以快速准确地检测烟雾的浓度。

选择烟雾浓度检测系统需关注下面几个要点：

1、系统稳定性高

本烟雾浓度检测系统需采用光电转换原理，通过RS232进行通讯，以最简洁而富有弹性的系统架构，便于设计、安装、使用和管理维护。

烟雾浓度系统的配置灵活多样，一般分为独立型、联网型及有线无线匹配三大类。

2、功能强大，扩展方便，集成度高

烟雾浓度检测系统应用很广泛，足以满足各类型的建筑物对火灾烟雾浓度检测需要。

而且扩展十分方便，相应增加有线/无线匹配模块即可，不必更改原有的线路设计。

电话报警，易于联网，烟雾浓度检测系统控制机可通过联网方式报警，但更多的是采用电话网络报警至报警中心，无需另敷联网线路，极为方便。

而且可采用多电话报警，一个电话拨不通，可拨另一个电话，确保报警的可靠性。

3、系统造价低，运行费用低

在生产现场、家庭住宅内可采用总线方式布线，可以大大降低系统造价，而且与使用脱机工作的方式相比，系统的日常使用费用低。

1.1.1烟雾浓度检测系统的发展

随着科技的进步和经济的发展，人民的生活水平有了很大的提高，人民对生活质量的要求也越来越高，对人身安全、财产安全和公共财产安全意识也越来越强。

但也伴随着各种安全意外事件的发生，经济飞速发展伴随着城市流动人口的急剧增加，给国家，社会，家庭和人民的生命、财产安全带来很多不确定因素和危害。

尤尤其是火灾事故，一旦发生对人民的生命和财产造成极大不可挽回的危害。

近年来，在我国发生的火灾事故屡见不鲜，火灾的危害大家有目共睹。

为响应党和政府提出了“构建社会主义和谐社会”的口号，消防部门也开展了科技消防和3111工程等一系列平安城市建设项目。

消防部门为了整合社会火灾检测和报警资源，实现“科技消防”而正在试点的“公共安全综合管理平台”的建设。

科学技术的不断进步和更新，也使得火灾接警管理中心结合了固定点检测、移动点检测、视频联网等全面的火灾报警监控技术有了长足的发展，进一步推动了智能化消防的建设步伐，公共安全技术防范系统已经从人工操作向智能化发展，从技术上对一些安全起到了防范的作用，也为未来公共安全综合治理作出了贡献。

也为烟雾浓度检测系统的发展提供了一个难得的机遇。

基于光电转换原理的烟雾浓度检测系统是目前应用比较广泛的一种火灾安全防范系统。

基于光电转换原理的烟雾浓度检测系统能有效的维护各类型建筑物里的人身财产安全，综合运用安全技术防范产品及其他相关产品，依托社会化、市场化管理方式，所形成的以家庭住宅、生产现场为单位安全防范和烟雾浓度检测的电子监控、报警系统或网络。

建立和加强社会化联网的烟雾浓度检测报警系统建设，是应对目前日趋严重的火灾事故尤其是对家庭住宅、生产现场进行层次性和综合性解决的最佳方式和重要手段，是编织火灾防范网络，提升整个火灾安全防控水平，促进安全技术防范管理工作可持续发展的有效途径；光电转换型烟雾浓度检测系统突破了传统的技术防范的概念，为建立一体化的新型火灾防控体系提供了有效的平台；是目前火灾安全防范的一个最佳选择。

所以是一个可有效提高火灾安全防范的系统，具有很高的科技含量和社会含量，发展前景十分广阔。

1.2课题任务及要求

本题目拟设计一个烟雾浓度检测系统，要求利用光电转换电路实现对烟雾浓度的测量，并利用单片机实现对光电转换电路的信号进行采集并显示和发送。

设计应符合以下标准：

（1）利用光敏二极管实现光电转换。

（2）利用单片机实现电信号采集。

（3）利用LCD对采集结果进行显示。

（4）利用RS232发送采集数据。

1.3课题内容及安排

本文对烟雾浓度检测系统的设计进行了详细的介绍，共分五章。

第1章简要介绍了整个课题的研究背景、目的、意义及整个任务的要求安排；第2章是针对此次课题的任务进行方案论证，尤其重要的点明了烟雾浓度检测系统实现报警的总体方案论证，之后还包含了硬件方案论证和软件方案论证；第3章具体介绍了烟雾浓度检测系统的硬件设计，其中包括光电转换原理、MAX232芯片介绍、单片机的选择、单片机最小系统的介绍、MAX232连接电路、LCD显示电路设计；第4章阐述了烟雾浓度检测系统的软件设计，包括信号采集和模数转换程序和LCD显示程序的设计。

第5章是针对硬件调试、软件调试和整机连调的结果进行了具体的分析和说明。

2烟雾浓度检测系统的总体方案论证

烟雾浓度检测系统的整个设计中最重要的部分是信号的采集及模数转换和LCD显示。

基于光电转换原理的烟雾浓度检测系统设计中最重要的部分是对烟雾浓度信号的采集和模数转换处理，实现对其准确和快速的测量至今仍是生产和科研的课题。

为了解决上述问题，在所研制烟雾浓度检测系统中采用软硬件结合的方式，使研制成的基于光电转换原理的烟雾浓度检测系统具有较好的稳定性并且降低了滞后性，且能保持较高的精确度符合课题要求。

2.1烟雾浓度检测系统的硬件方案论证

烟雾浓度检测系统的最根本思想就是实现对烟雾浓度的实时检测，并且采集到的数据通过RS232发送给上位机并用LCD显示采集到的数据。

要达到这一目的，就必须考虑到将如何实现烟雾浓度信号的采集和转换、单片机与上位机之间的通信、单片机和单片机之间的通信。

在本次设计中只是一个实用的小型烟雾浓度检测系统,还没有涉及到更广泛的区域。

设计中采用单片机控制技术，将单片机、MAX232芯片、发光二极管、光敏二极管、LCD等元器件有机地结合起来，构成一种实用、成本低廉的烟雾浓度检测系统。

该烟雾浓度检测主要是通过光敏二极管来实现光电转换，发光二极管接通电源后于光敏二极管对射，光敏二极管接收到红外光线后在内部电场的作用下会产生光电流。

当发光二极管发出的红外线被烟雾遮挡，即光敏二极管产生的电流信号也随之变化，电流信号再转换为电压信号，电压经过放大并采集到C8051F410单片机，C8051F410单片机采集到的是模拟信号，再经过内置的12位AD转换后得到数字信号，单片机通过RS232串口发送给上位机和另一个STC89C52单片机来控制LCD显示数据，达到利用LCD显示来实现对烟雾浓度的实时监控的效果。

这样就能有效的帮助我们防范火灾事故的发生，避免出现人员或财产的损失。

该设计具有很高的技术含量和社会意义。

以下部分将对本系统的硬件进行详细介绍，其硬件总体方案设计框图如图2.1所示：

图2.1烟雾浓度检测系统的的硬件方案框图

1.光电转换电路

本设计要求利用光电转换原理测量烟雾浓度。

光电转换电路主要由发光管、光敏二极管、运放放大器等元器件构成。

发光管和光敏二极管作为光电转换装置，当烟雾浓度增大时，光敏二极管接收到的光强度也会减弱，随之产生的电信号也会变化，最后将电信号反向放大到单片机能识别采集的范围内。

这样，就实现了非电量信号（烟雾浓度）转换为电压信号。

单片机系统采集电压信号并通过单片机内置的12位AD将模拟信号转换为数字信号。

然后将数据发给上位机和LCD显示。

使用光敏二极管时，除了管子实际运行时的电参数不能超限外，还应考虑入射光的强度是否恰当，其光谱范围是否合适。

过强的入射光将使管芯的温度上升，影响工作的稳定性，不合光谱的入射光，将得不到所希望的光电流。

在单片机外部焊接MAX232芯片电路是实现将采集到的烟雾浓度数据传输。

2.RS-232串口通信

按照课题要求采用RS232通信标准。

单片机采用RS232进行串行通信,只需要将TTL电平的串行接口通过芯片转换为RS232串行接口,这种转换比较简单,本系统采用的MAX232芯片。

RS-232C是由美国电子工业协会EIA（ElectronicIndustryAssociation）在1969年颁布的一种串行物理接口标准。

RS（RecommendedStandard）是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。

RS-232C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。

RS-232C标准规定的数据传输速率为每秒150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。

RS-232C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。

传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。

EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。

在TxD和RxD上：

逻辑1（MARK）=-3V～-15V；逻辑0（SPACE）=+3～+15V。

在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：

信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V，信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V。

以上规定说明了RS-323C标准对逻辑电平的定义。

对于数据（信息码）：

逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3～+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在±（3～15）V之间。

3.单片机LCD显示电路

单片机LCD显示电路采用STC89C52单片机来控制LCD显示的设计，STC89C52以实现对C8051F410单片机发送的数据的接收，LCD1602实现显示接收到的数据。

MAX232芯片是实现电平转换作用，用来接收C8051F410发送的数据。

在STC89C52单片机接收到数据后，然后通过LCD显示。

以达到对烟雾浓度的实时监控目的。

两片单片机的通讯接口原理图如2.2所示。

图2.2两片单片机的通讯接口原理图

2.2烟雾浓度检测系统的软件方案论证

本课题的软件设计完成的任务是实现单片机之间的通信，实现单片机之间的通信由双机通信程序实现。

数据通信方式有两种，即并行数据通信和串行数据通信。

并行数据通信中，数据的各位同时传送，其优点是传递速度快；缺点是数据有多少位，就需要多少根传送线；串行通信中，数据字节一位一位串行地顺序传送，通过串行接口实现。

它的优点是只需一对传送线（利用电话线就可作为传送线），这样就大大降低了传送成本，特别适用于短距离通信。

根据本次设计短距离传输要求，在设计中采用串行通信方式。

整个通信程序设计中，要保证主机与从机实现可靠的通信，必须保证串行口具有识别功能。

烟雾浓度检测系统的软件方案总体流程图如图2.3所示：

图2.3烟雾浓度检测系统的软件方案流程图

3烟雾浓度检测系统的硬件设计

硬件是整个烟雾浓度检测系统的基础，怎样来焊接各个单片机控制系统实现各个控制系统的通信尤为关键。

除此之外，以下部分还会分别阐述所选器件的特性和原理，以及它们所能实现的功能。

3.1光敏二极管的原理及分类

光敏二极管有NPN、PNP型光敏二极管两类。

本次设计中我选用NPN型光敏二极管。

光敏二极管也叫光电二极管。

光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。

当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。

这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。

因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

常见的有2CU、2DU等系列。

光敏二极管工作原理如图3.1所示，光敏二极管的图形符号如图3.2所示，光敏二极管的伏安特性曲线如图3.3所示，光敏二极管的光谱特性曲线如图3.4所示。

下面介绍光敏二极管的主要特性参数：

如最高反向工作电压VRM、暗电流ID、光电流IL等。

最高反向工作电压VMAX:

是指光敏二极管在光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。

暗电流ID:

在无光照射时，光敏二极管加有正常工作电压时的反向漏电流。

其值越小越好。

光电流IL:

光敏二极管在受到一定光线照射时，在加有正常反向工作电压时的电流值。

此值越大越好。

光电灵敏度Sn：

它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为μA/μW。

响应时间Tr:

光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。

响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。

正向压降VF:

是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。

结电容CJ:

指光敏二极管PN的电容。

CJ是影响光电响应速度的主要因素结面积越小，结电容CJ也就越小，则工作频率越高。

光谱范围和峰值波长:

不同材料制作的光敏二极管有着不同的光谱特性，它反映了光敏二极管对不同波伏的光反应的灵敏度是不同的把光敏二极管反应最灵敏的波长，叫做该光敏二极管的峰值波长。

图3.1光敏二极管工作原理图

图3.2光敏二极管图形符号

图3.3光敏二极管伏安特性曲线

图3.4光敏二极管光谱特性曲线

为了保证在焊接硬件电路时能够顺利进行，避免把损坏的元件焊接到电路板上，那样会给我们的进程造成很大的麻烦，浪费许多无谓的时间去寻找错误。

所以我们在使用光敏二极管前一般都要对其进行测试，以确定元件的完好无损，方便于后续的调试。

具体的测试方法有如下几种。

电阻测量法：

用万用表1k挡。

光电二极管正向电阻约10kΩ左右。

在无光照情况下，反向电阻为∞时，这管子是好的（反向电阻不是∞时说明漏电流大）；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达到几kΩ或1kΩ以下，则管子是好的；若反向电阻都是∞或为零，则管子是坏的。

电压测量法：

用万用表1V档。

用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在光照下，其电压与光照强度成比例，一般可达0．2—0．4V。

短路电流测量法:

用万用表50μA档。

用红表笔接光电二极管“+”极，黑表笔接“—”极，在白炽灯下（不能用日光灯），随着光照增强，其电流增加是好的，短路电流可达数十至数百μA。

3.2MAX232芯片及DB9接口介绍

在RS-232串行通信中采用MAX232芯片实现主机与分机间的短距离通信。

MAX232接口芯片是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。

MAX232芯片引脚如图3.5所示。

由于电脑串口RS232电平是-10V—+10V，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0—+5V，MAX232就是用来进行电平转换的，该器件包含2个驱动器，2个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成0-5VTTL/CMOS电平。

每一个发生器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

图3.5MAX232芯片引脚图

MAX232芯片是德州仪器公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。

其内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源。

提供给RS232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转成RS232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑的DB9插头，DB9插头的RS232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND，16脚VCC（+5v）。

RS32接口（DB9）如图3.6所示，以下是RS32（DB9）引脚定义：

DCD：

载波检测。

主要用于modem通知计算机其处于在线状态，即modem检测到拨号音，处于在线状态。

RXD:

此引脚用于接收外部设备送来的数据；在你使用Modem时，你会发现RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。

TXD:

此引脚将计算机的数据发送给外部设备；在你使用Modem时，你会发现TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。

DTR:

数据终端就绪；当此引脚高电平时，通知Modem可以进行数据传输，计算机已经准备好。

GND:

信号地；此位不做过多解释。

DSR:

数据设备就绪；此引脚高电平时，通知计算机Modem已经准备好，可以进行数据通讯了。

RTS:

请求发送；此脚由计算机来控制，用以通知Modem马上传送数据至计算机；否则，Modem将收到的数据暂时放入缓冲区中。

CTS:

清除发送；此脚由Modem控制，用以通知计算机将欲传的数据送至Modem。

RI:

Modem通知计算机有呼叫进来，是否接听呼叫由计算机决定。

图3.6DB9接口引脚图

3.3单片机的选择

所谓单片机就是在一片芯片上集成了微处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入、输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调节器PWM等），这样一片芯片具有一台计算机的属性，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。

单片机又称为单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲：

一片芯片就成了一台计算机。

它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。

单片机自20世纪70年代末诞生至今，经历了单片微型计算机SCM、微控制器MCU及片上系统SoC三大阶段，前两个阶段分别以MCS-51和80C51为代表。

随着在嵌入式领域中对单片机的性能和功能要求越来越高，以往的单片机无论是运行速度还是系统集成度等多方面都不能满足新的设计需要，这时SiliconLabs公司推出了C8051F系列单片机，成为SoC的典型代表。

本设计采用了C8051F系列单片机和STC89C52单片机。

这里，我主要介绍本设计所采用的C8051F系列单片机和STC89C52RC单片机。

3.3.1C8051F单片机

C8051F系列单片机是真正能独立工作的片上系统SOCCPU有效地