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报告.doc.deflate 作者： 日期：2 个人收集整理 勿做商业用途机电综合应用题 目： 多传感器仪器设计 系部名称： 信息工程系 专业班级: 学生姓名: 学 号: 指导教师： 教师职称： 2011年12月23日I摘 要 随着社会的高速进步传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国都十分重视这一领域的发展。人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官.而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器.采用呼气酒精测试仪来对驾驶人员进行现场检测,这样来确保驾驶员的生命财产安全.温湿度的测量和控制在煤矿自动化生产和安全监控中起着十分重要的作用。烟雾报警器就是通过监测烟雾的浓度来实现防火防灾的功能。 本文运用 DHT11数字温湿度传感器,MQ2酒精浓度传感器，MQ3烟雾浓度传感器，基于STC89C52单片机为控制芯片设计了一个温湿度、酒精浓度、烟雾浓度检测报警系统传感器，提出了多功能传感器的设计,认为它对人们的生活有很大的影响，要求采用单片机作为主控制器，采集温度、湿度、酒精浓度和烟雾浓度值并实时显示.按键可以调节报警参数值，采集值超出设定报警值时实现声光报警，得出了系统性能好、操作简单、测量精度高等优点。关键字：温湿度，烟雾浓度,酒精浓度，传感器The temperature and humidity， alcohol concentration, smog density detection alarm systemAbstract With the rapid advances in sensor technology community in economic development, promoting social progress an important role, is very clear. Countries attach great importance to the development of this area。 People in order to obtain information from the outside world, must be by means of sensory organs。 And rely on peoples own sense organs, in the study of natural phenomena and laws, and production activities in their function is far from enough。 To meet this situation, we need sensors. The use of breath alcohol tester to conduct on-site testing of drivers， so to ensure that the driver lives and property。 Temperature and humidity measurement and control of production and automation in the coal mine safety monitoring plays an important role。 Smoke alarm is by monitoring the concentration of smoke to achieve fire prevention functions。 In this paper, the DHT11 digital temperature and humidity sensors, MQ2alcohol concentration sensor， MQ-3smoke concentration sensor， based on single chip microcomputer control chip design STC89C52 for a temperature and humidity， alcohol concentration, smog density detection sensor alarm system， and puts forward the design of the multifunctional sensor, think it to peoples lives have great influence, require the use of single chip microcomputer as the main controller， collect the temperature， humidity， alcohol concentration and smoke density and realtime display. Can adjust the alarm button parameter value, the collection value beyond set alarm value achieve sound and light alarm, concludes that the system performance is good, simple operation, high precision of measurement advantages。 个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途Key word： temperature and humidity smoke concentration alcohol concentration sensor alarm 目 录摘 要I1 绪论11。1 温湿度检测报警器系统研究的意义11.2 酒精浓度检测报警系统研究的意义11.3 烟雾浓度检测报警系统研究的意义12系统总体方案设计22。1 设计思路22.2 烟雾传感器MQ322.3酒精传感器MQ232。4 单片机STC89C5232.4。1 时钟电路42。4。2 复位及复位电路53 系统硬件介绍及设计83.1单片机与温湿度传感器之间的通信83.2 酒精浓度采集电路93。3烟雾浓度传感器的数据采集电路93。4模数转换113。4。1 TLC2543 模数转换器113。4.2 TLC2543 引脚说明123.5显示模块设计133.6 LCD显示设计143。7时钟芯片DS1302设计153。8声光报警电路设计164 软件设计174.1 编译语言的选择174.2 系统总体流程图184。2。1中断服务程序工作流程图194.2。2温度检测模块204.2。3酒精浓度监测子程序流程图214。2。4烟雾浓度监测子程序流程图22总结23致谢24参考文献25附录27IV 1 绪论1.1 温湿度检测报警器系统研究的意义在工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天等部门，经常需要对环境湿度进行测量及控制.但在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要.这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度)的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。 近年来，国内外在温湿度传感器研发领域取得了长足进步。温温湿度传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。1。2 酒精浓度检测报警系统研究的意义 随着人类社会的不断进步，科学技术的突飞猛进，给我们的生活带来了日新月异的变化，汽车已成为现代社会必不可少乃至无可取代的产物，所以我国汽车的总数不断增加，目前空气检测领域，各式各样的气敏传感器层出不穷，而各式各样的酒精检测设备也应运而生，因此，开发一个实时性高、性能稳定、经济实用得酒精浓度检测报警器是设计的最终目标.1.3烟雾浓度检测报警系统研究的意义 现在很多公共场合因为人们吸烟而导致空气质量不好，影响人们的身体健康，某些环境里对室内烟雾也由一些限制.本次系统能够检测烟雾浓度，并显示烟雾等级,系统根据烟雾等级发出报警。2系统总体方案设计2。1 设计思路 多传感器总体设计方案如图21所示。主要包括：单片机、温湿度采集模块、烟雾采集模块、酒精采集模块、A/D转换模块、报警模块、串口通信模块、LCD显示模块、时钟模块、电源模块、设置模块。A/DTLC2543STC89C52图2-1总体设计图使用STC89C52单片机，选用烟雾传感器作为敏感元件，利用ADTLC2543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、酒精、温湿度传感器、A/D转换电路、STC89C52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.2。2 烟雾传感器MQ-3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 。MQ3/MQ-3S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-3/MQ-3S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.2。3酒精传感器MQ2用于机动车驾驶人员及其他风险作业人员的酒后监督检测和其他场所乙醇蒸汽的探测.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）3、TTL输出有效信号为低电平.（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机) 4、模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。5、对乙醇蒸汽具有很高的灵敏度和良好的选择性。6、具有长期的使用寿命和可靠的稳定性7、快速的响应恢复特性8、高灵敏度 9、 快速响应恢复 10、 优异的稳定性11、长寿命 驱动电路简单12、大的电信号输出 13、优异的选择性2.4 单片机STC89C52 STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如下图22所示： 图22单片机总控制电路2.4.1 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端.时钟可以由内部方式产生或外部方式产生.内部方式的时钟电路如图2-3（a） 所示,外部方式的时钟电路如图23（b）所示。（a）内部方式时钟电路 （b)外部方式时钟电路图23时钟电路2.4。2 复位及复位电路（1)复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外,复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表一所示.表1寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00H（2)复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期）以上。若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图24所示：图24复位信号的电路逻辑图复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式.上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的,其电路如图25（a）所示。这佯,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的,其电路如图2-5(b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。其电路如图25（c)所示:（a)上电复位 （b)按键电平复位 （c）按键脉冲复位图2-5复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期.本系统的复位电路采用图25（b）上电复位方式。STC89C52具体介绍如下: 主电源引脚（2根）外接晶振引脚（2根）控制引脚(4根）可编程输入/输出引脚（32根）STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。STC89C52主要功能如表二所示.表2 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3 系统硬件介绍及设计3.1单片机与温湿度传感器之间的通信单片机与温湿度传感器之间的通信电路图31所示。 31温湿度检测电路由于 DHT11 只有一个串行通信接口,与单片机的连接电路非常简单，只需和单片机的一个 I/O 端口连接即可，本系统选择了接口接的是 P2。0 端口，其连接电路图如图 31所示。DHT11 的 I/O 口属于漏极开路输出，外接上拉电阻后常态下呈高电平。该器件内含寄生电源,其供电方式可以选择寄生电源方式，也可以选用外部电源.为方便起见，采用寄生电源供电。 3。2 酒精浓度采集电路电路的前端部分 MQ2传感器按照常规设计即可，如图 3-2所示。MQ2外接+5V电压将时，可将电阻丝加热至 270300.电路将 MQ-2 的阻值变化转换成输出电压的变化，从而可以通过 A/D转换成数字信号供单片机处理。 在酒精浓度为 0 时,其输出电压为 3v.但由于其输出的电压范围超过了 STC89C52的输入电压范围，所以在本设计中加入了一个调整电路来使其输出的电压能够满足STC89C52 的输入要求。其调整电路的原理图如图3-2。采用 LM33625 作为一个 25 V的基准电压,采用差动输入使得 Vout=V酒精-2.5V从而使得传感器信号的输出符合 STC89C52的范围。 3-2 MQ2 酒精传感器电路 3.3烟雾浓度传感器的数据采集电路传感器输出信号一般比较微弱，需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机对输入信号的要求。本系统采用的半导体烟雾 传感器属于电阻型，因此只需串联一个参考电阻，再经过一个放大电路即可发送给ADC采集.由于系统采用的是单极性供电，所以采用同相比例 放大电路，可以减少硬件开销；反之，如果采用反相放大，则一般需要利 用双极性供电，这就需要系统额外的利用变压芯片产生一个负压，这显然会造成浪费。常见的运算放大器中，LM324 价格低廉、使用简单等优点 比较突出，所以本设计中的前置放大电路采用 LM324 作为电路的运算放大器. LM324 是单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源 或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好； 其输入偏流电阻是温度补偿的，也不需外接频率补偿,可做到输出电平与 数字电路兼容. 下面详细介绍运算放大电路如图 32 所示,从传感器的上端出来的信号 Vi 经过运算放大器的同相 输入端，但是为保证引入的是负反馈,输出电压 Vo 通过电阻 R4 接到反相输入端,同时，反相输入端通过电阻 R3接到参考电压 Vref。 同相比例运算电路中反馈的组态为电压串联负反馈，同样可以利用理 想运放工作在线性区时的两个特点来分析其电压放大倍数. 在图 3。2 中，根据运放的“虚短和“虚断”的特点可知，I- = I+ = 0，所以 V- = Vo*R3/R3 + R4 +VrefR4/R3 + R4 （3-1) 而且 V = V+ = Vi Vo = Vi （R3 + R4）/R3 (32) 由以上两式可求出 Vo=Vref-R4/R3 (33) 所以本放大电路的放大倍数 A =1+ R4 R3 ，此放大电路为同相比例放大电路，它的放大倍数总是大于或等于 1。同相比例运算电路有以下几个特点： （1)同相比例运算放大电路是一个深度的电压串联负反馈电路.因为不存在“虚地现象，所以其输入端有较高的共模输入电压。 （2）电压放大倍数A =1+ R4 R3 ,即输出电压与输入电压的幅值成正比,且相位相同，所以此电路实现了同相比例放大。如果不接 R3 和 R4，则此电 路就成了“电压跟随器” ，它可以减少电路模块间由于阻抗引起的干扰。 （3）由于引入了深度电压串联负反馈，因此电路的输入阻抗很高，输出阻抗很低。高输入阻抗就可以减少放大电路对前端电路的影响，同时低输出阻抗也可以提高自身的抗干扰性,这显然有利于电路中其他模块的设 计. 此放大电路还加了参考电压，引入了零点调节功能，这样可以更方便 的调整由于不同传感器导致的零点变化问题。它利用滑动变阻器产生一个参考电压 Vref，再利用电压跟随器把电压输入到运算放大电路的电压参考端。所以调节滑动变阻器，就可以直接改变放大电路的参考电压。而电压 跟随器的作用就如上面介绍的，它只是用来匹配阻抗用的，防止 R3 和 R4 对 滑动变阻器输出电压的影响。 33前置放大电路图 3.4模数转换3。4。1 TLC2543 模数转换器 TLC2543 是 TI 公司的 12 位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成 A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51 系列单片机 I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。如图 34 所示。 34 TLC2543 模数转换器 3。4。2 TLC2543 引脚说明 TLC2543 引脚1-9、11、12-AIN0AIN10为模拟输入端；15-CS 为片选端；17DIN 为串行数据输入端；（控制字输入端，用于选择转换及输出数据格式）16-DOUT为A/D转换结果的三态串行输出端；（A/D转换结果的输出端。）19-EOC为转换结束端；18-CLK为I/O时钟;（控制输入输出的时钟，由外部输入.）14-REF+为正基准电压端；13-REF-为负基准电压端；20VCC为电源；10GND为地。3.5显示模块设计本次设计采用LCD1602,它的引脚如图LCD1602表：LCD1602引脚图3。6 LCD显示设计如图3.5所示。1:VSS为电源地。2:VDD接5V电源.3：该脚需要与地短接显示屏工作.4:RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器.5:RW为读写信号线,高电平1时进行读操作，低电平0是进行写操作。6：E（或EN)端是液晶的使能端.7-14:为8位双向数据端。15：电源。16：地。图3。5 LCD显示3。7时钟芯片DS1302设计时钟芯片DS1302如图3.6所示。DS1302的引脚排列，其中VCC 1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc10。2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振.RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态.上电运行时,在Vcc2。5V之前，RST必须保持低电平.只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。SCLK始终是输入端.图3.6时钟芯片DS13023。8声光报警电路设计光报警电路如图3。7和3.8所示.由单片机P2。0口控制,输出报警信号(高低电平间隔1 s的脉冲信号)，驱动声光报警电路，直至按复位键RESET和开关键。脉冲信号经隔置电容C2加到扬声器上，扬声器将发出高、低交替的2种叫声，同时P2。0脚输出的高低电平间隔1 s的脉冲信号经电阻R1加到发光二极管LED上，LED将闪烁发光，达到声光同时报警的效果。声光图3。7 报警图3.84 软件设计4.1 编译语言的选择对于单片机的开发应用中,逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。汇编语言的机器代码生成效率高，控制性好,但就是移植性不高。C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人们的思考习惯。还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点,且编写的模块程序易于移植.基于C语言和汇编语言的优缺点,本系统采用C语言编写方法.软件编写的主体思路是将系统按功能模块化划分,然后根据模块要实现的功能写各个子程序.整个软件程序的编写采用查询式方式编写的。4。2 系统总体流程图主要功能是对系统进行初始化和对系统烟雾、酒精浓度、和温湿度检测。看是否超标。当检测超标时就由P2。6口输出高电平去驱动声光报警电路,产生声光报警，由P0口、P2口输出高电平驱动显示电路，从而计数显示。主程序工作流程图如图4-1所示。图4-1 主程序工作流程图4。2。1中断服务程序工作流程图 本程序实现的功能是：当单片机检测到传感器送来的脉冲触发信号后，表示被检查物质浓度超标,从而经过单片机内部程序处理后,驱动声光报警电路开始报警，报警持续几秒钟后自动停止报警，然后程序开始循环工作，检测是否还有下次触发信号，等待报警从而使报警器进入连续工作状态。同时，利用中断方式可以实现报警持续时间时，用手工按键停止报警的作用。手工按键停止报警中断服务程序工作流程图，如下图4-2所示:图4-2中断服务程序工作流程图4.2.2温度检测模块 主要功能是对系统进行初始化和对系统温湿度检测,看是否超标。当检测超标时就输出高电平去驱动声光报警电路，产生声光报警,再输出高电平驱动显示电路,从而计数显示。图4-3温度检测模块4。2。3酒精浓度监测子程序流程图 主要功能是对系统进行初始化和对系统烟雾、酒精浓度、和温湿度检测。看是否超标。当检测超标时就输出高电平去驱动声光报警电路,产生声光报警，再输出高电平驱动显示电路，从而计数显示。图4-4酒精浓度监测子程序流程图4.2。4烟雾浓度监测子程序流程图 主要功能是对系统进行初始化和对系统烟雾、酒精浓度、和温湿度检测。看是否超标.当检测超标时就口输出高电平去驱动声光报警电路，产生声光报警,再由输出高电平驱动显示电路，从而计数显示。图4-5烟雾浓度监测子程序流程图 45总结经过半年的努力这学期的课程设计实习即将结束了，回顾此次的机电综合应用的实习,真是感慨很多。的确，通过这次实习学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力.在设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。由于受时间和经验限制，这次实习将实物做的不完善，但通过本次实习，很好的锻炼自己的解决问题的能力，独立思考能力。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样.这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。 在老师的辛勤指导下这次课程设计终于顺利完成了，在老师的身上我学得到很多实用的知识，在次我表示感谢! 致谢 这次课程实习在孙继卫老师的指导下很顺利的完成了，在课程设计的过程中，当我碰到不明白的问题时，孙老师总是耐心的讲解，给我的设计以极大的帮助，使我获益匪浅，真的非常感谢老师的教导。 同时还要感谢我的室友，我们每天在一起学习生活，她们给了我非常大的帮助和支持.当我不会的时候是她们随时都能站在我旁边告诉我，这么无私的帮助与支持我,真的这是我这一辈的财富，我永远都忘不了那难忘的时刻. 还要感谢我们班的同学，谢谢你们的帮助，大学四年马上就要结束了，谢谢你们一直以来对我的帮助. 参考文献1陈连生. 可燃烟雾探测器及其设置安装要领。 石油工程建设。 1996(1）： 2325 2张保卫， 尚家峰， 赵金水. 燃气报警器的分类与选择。 山东消防, 2003(8): 2728 3彭军. 传感器与检测技术。 西安电子科技大学出版社， 2003： 263315 4李永生， 杨莉玲。 半导体气敏元件的选择性研究. 传感器技术, 2002(3）： 13 5Yoon D h, Yu J h， Choi Gm。 CO Gas Sensing Properties of Zn0CuO Composite。 Sensors and Actuators. 1998（46）： 1523 6谢望. 烟雾传感器技术的现状和发展趋势。 仪器仪表用户, 2006， 13（5）: 12 7蔡文斋。 专业级串口调试器设计。 现代电子技术, 2006(23）: 6972 8Wang Xi huai，Xiao Jian mei,Bao Minzhong. 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