2023年傳感器報告分解

第傳感器報告分解 南通大學課程設計報告

南通大學

傳感器與檢測課程設計報告書

課題名稱：電機軸偏心及振動檢測系統(tǒng)

南通大學課程設計報告前言

智能家居早已成為現(xiàn)代社會最熱門的話題之一，通過傳感器技術以及網(wǎng)絡通信

技術等手段實現(xiàn)對家居電器的智能控制和環(huán)境質量的監(jiān)測，使其能夠按照人們的意愿工作運行，擺脫實際距離對人們的的限制。智能化與遠程控制是智能家居的兩大特點?，F(xiàn)在，從事智能家居研究的機構和個人越來越多，其技術也越來越成熟。隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和發(fā)展，它將我們的生活擬人化了，萬物成了人的同類。在這個物物相聯(lián)的世界中，物品能彼此“交流”，無需人的干預。將這個世界變成一個智能化的世界。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)最生活化的主要應用之一：窗簾可以自動感知光線而關閉；空調變的“懂人心了”，天熱它會把溫度調低，室內潮濕就會自動抽濕；房間里沒人會自動滅掉等等。物聯(lián)網(wǎng)的應用非常廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等領域。

智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括家庭設備自動控制和家庭安全防范兩個方面。家庭設備自動監(jiān)控主要包括電器設備的集中、遙控、遠距離異地(通過電話或Internet)的監(jiān)視、控制及數(shù)據(jù)采集。家庭安全防范涉及到室內有害氣體監(jiān)測、外來人員非法入侵、室內防火監(jiān)控等許多方面。

報告的亮點

本設計報告的亮點在于均采用單片機實現(xiàn)各項控制，用電位器替代光敏傳感器、氣敏傳感器等，將各個監(jiān)控巧妙地結合在一起，轉換為電位器和按鍵控制整個系統(tǒng)。

南通大學課程設計報告

目錄

緒論??????????????????????????1第一章概述???????????????????????11.1設計要求及背景???????????????????11.2設計目的??????????????????????11.3設計原理??????????????????????21.451單片機介紹???????????????????2第二章家居溫度檢測??????????????????42.1背景?????????????????????????42.2方案比較??????????????????????42.2.1模擬集成溫度傳感器???????????????42.2.2數(shù)字單片智能溫度傳感器?????????????52.3傳感器DS18B20簡介?????????????????62.3.1引腳介紹????????????????????72.3.2DS18B20內部結構???????????????72.4數(shù)碼管顯示??????????????????????102.5測量原理???????????????????????102.6仿真圖????????????????????????11

第三章煤氣泄漏檢測模塊????????????????13

3.1背景???????????????????????133.2電阻氣敏元件簡介???????????????????133.3仿真圖????????????????????????14

南通大學課程設計報告

第四章外人闖入檢測模塊?????????????????154.1背景????????????????????????154.2光電開關簡介?????????????????????154.3光電開關工作原理??????????????????164.4仿真圖????????????????????????17第五章火災煙霧檢測??????????????????195.1背景?????????????????????????195.2煙霧傳感器簡介???????????????????195.3煙霧信號采集?????????????????????205.4測量原理框圖?????????????????????205.5仿真圖????????????????????????22第六章總結???????????????????????22參考文獻?????????????????????????23附件1?????????????????????????24附件2?????????????????????????31附件3?????????????????????????36附件4?????????????????????????38

南通大學課程設計報告

緒論

智能家居控制系統(tǒng)基于檢測技術和數(shù)字控制技術，實現(xiàn)對住宅內的設施以及環(huán)境質量的檢測控制。檢測單元完成對各種過程參數(shù)的測量，并實現(xiàn)必要的數(shù)據(jù)處理；數(shù)字控制系統(tǒng)通過軟件完成對采集的信號的處理，進而控制執(zhí)行機構實現(xiàn)對被控對象的調節(jié)。在傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)的基礎上加入計算機控制技術，使得系統(tǒng)在可靠性、實時性、環(huán)境適應能力等方面得到了很大的提升，并能夠完成多任務處理功能，對于不同的信號以及干擾能夠做出及時的處理，提高了系統(tǒng)的魯棒性。該技術不僅在智能家居得到廣泛應用，還在工業(yè)控制領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

第一章概述

1.1設計要求及背景

隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活環(huán)境的要求就顯的尤為重要,如何讓人們的生活更加舒適和便利的情景下應運而生出智能家居的概念。基于傳感器技術、自動控制技術、網(wǎng)絡通信技術等技術的基礎，家庭自動化離人們的距離越來越近，徹底顛覆了原有的家居生活方式。智能家居以實用性為核心，兼具可靠性、易用性、人性化等特點，全面提升家居生活安全性、便利性、舒適性，并能實現(xiàn)節(jié)能的居住環(huán)境。

以提高家居生活的安全性、舒適度、人性化為目的，來設計一個智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。利用所學的傳感器與檢測技術知識，實現(xiàn)家居溫度、煤氣泄漏、外人闖入、火災(煙霧)的檢測（檢測系統(tǒng)主要由傳感器、放大器、采樣/保持、采樣/保持控制電路、A/D轉換電路、數(shù)碼顯示、數(shù)字鎖存控制電路組成）。

1.2設計目的

1、掌握溫度、氣敏、光電開關等相關傳感器檢測系統(tǒng)的工作原理；2、掌握智能家居檢測系統(tǒng)的一般設計方法；3、掌握智能家居檢測系統(tǒng)的性能指標和調試方法。

1.3設計原理

第1頁

南通大學課程設計報告

通過分析，可確定需設計系統(tǒng)的電路原理框圖如下圖所示：

智能家居系統(tǒng)原理框圖1.451單片機介紹

由于單片機技術在各個領域正得到越來越廣泛的應用，世界上許多集成電路生產(chǎn)廠家相繼推出了各種類型的單片機。51單片機以其優(yōu)越的性能、成熟的技術及高可靠性和高性能價格比，迅速占領了工業(yè)測控和自動化工程應用的主要市場，成為國內單片機應用領域中的主流。

單片機的誕生標志著計算機正式形成了通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)兩個分支。通用計算機系統(tǒng)主要用于海量高速數(shù)值運算，不必兼顧控制功能，其數(shù)據(jù)總線的寬度不斷更新，從8位、16位迅速過渡到32位、64位，并且不斷提高運算速度和完善通用操作系統(tǒng)，以突出其高速海量數(shù)值運算的能力，在數(shù)據(jù)處理、模擬仿真、人工智能、圖像處理、多媒體、網(wǎng)絡通信中得到了廣泛應用；單片機作為最典型的嵌入式系統(tǒng)，由于其微小的體積和極低的成本，廣泛應用于家用電器、機器人、儀器儀表、工業(yè)控制單元、辦公自動化設備以及通信產(chǎn)品中，成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中最重要的智能化工具。因此，單片機的出現(xiàn)大大促進了現(xiàn)代計算機技術的飛速發(fā)展，成為近代計算機技術發(fā)展史上一個重要里程碑。

由于51單片機集成了幾乎完善的中央處理單元，處理功能強，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，這給我們利用單片機提供了極大的便利。單片機把微型計算機的主要部件都集成在一塊芯片上，使得數(shù)據(jù)傳送距離大大縮短，運行速度

第2頁南通大學課程設計報告

更快，可靠性更高，抗干擾能力更強。由于屬于芯片化的微型計算機，各功能部件在芯片中的布局和結構達到最優(yōu)化，工作也相對穩(wěn)定。51的優(yōu)點是價錢便宜,I/O口多,程序空間大。因此，測控系統(tǒng)中，使用51單片機是最理想的選擇。單片機屬于典型的嵌入式系統(tǒng)，所以它是低端控制系統(tǒng)最佳器件。單片機的開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富，開發(fā)工具和語言也大大簡化。

目前的單片機開發(fā)系統(tǒng)只能夠仿真單片機，卻沒有給用戶提供一個通用的最小系統(tǒng)。由設計的要求，只要做很小集成度的最小系統(tǒng)應用在一些小的控制單元。其應用特點是:

（1）全部I/O口線均可供用戶使用。

（2）內部存儲器容量有限（只有4KB地址空間）。（3）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性

單片機最小系統(tǒng)圖

單片機最小系統(tǒng)上圖所示，其中有4個雙向的8位并行I/O端口，分別記作P0、P1、P2、P3，都可以用于數(shù)據(jù)的輸出和輸入，P3口具有第二功能為系統(tǒng)提供一些控制信號。時鐘電路用于產(chǎn)生51單片機工作所必須的時鐘控制信號，內部電路在時鐘信號的控制下，嚴格地按時序指令工作。

51內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，該高增益反向放大器的輸入

第3頁南通大學課程設計報告

端為芯片的引腳xTAL1，輸出端為xTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調電容，就構成了一個穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的微調電容通常選擇為30pF左右，該電容的大小會影響到振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體的振蕩頻率為12MHz。

第二章家居溫度檢測

2.1背景

隨著人們的生活及其生產(chǎn)水平的不斷提高，對生活環(huán)境的要求就顯的尤為重要,溫度的監(jiān)測控制就是一個典型的例子，因此溫度檢測系統(tǒng)就是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中應運而生的一種智能、快捷、方便可靠的檢測系統(tǒng)。傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測是通過煤油溫度計或者是水銀溫度計來實現(xiàn)的，此外還需要人工讀數(shù)，在讀數(shù)過程中存在讀數(shù)誤差以及偶然誤差，讀數(shù)的精準度得不到保證。

現(xiàn)代溫度監(jiān)測從單片機技術入手，一切向著數(shù)字化控制，智能化控制方向發(fā)展。由單片機為核心，配合溫度傳感器，以及相關的外圍電路組成的檢測系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對室內溫度的實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可以通過數(shù)碼管實時輸出，讓人們實時知曉所處環(huán)境溫度的情況。所有的測量操作都可以通過主機控制軟件來實現(xiàn)，溫度傳感器得到的測量信號，經(jīng)電路轉換為電信號，然后通過一定的放大經(jīng)過芯片A/D轉換送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置。

2.2方案比較

2.2.1模擬集成溫度傳感器

集成傳感器是采用硅半導體集成工藝而制成的，因此亦稱硅傳感器或單片集成溫度傳感器，它是將溫度傳感器集成在一個芯片上、可完成溫度測量及模擬信號輸出功能的專用IC。模擬集成溫度傳感器的主要特點是功能單一(僅測量溫度)、測溫誤差小、價格低、響應速度快、傳輸距離遠、體積小、微功耗等，適合遠距離測溫、控溫，不需要進行非線性校準，外圍電路簡單。

圖2-1是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓

第4頁

VO隨南通大學課程設計報告

溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。調整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調整電位器R2，使V0=273.2mV?；蛟谑覝叵?25℃)條件下調整電位器,使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。

AD590把被測溫度轉換為電流再通過放大器和A/D轉換器，輸出數(shù)字量送給單片機進行溫度控制。

圖2.1基于AD590測溫基本應用電路

2.2.2數(shù)字單片智能溫度傳感器

智能溫度傳感器(亦稱數(shù)字溫度傳感器)是微電子技術、計算機技術和自動測試技術(ATE)的結晶。智能溫度傳感器內部都包含溫度傳感器、A/D轉換器、信號處理器、存儲器(或寄存器)和接口電路。有的產(chǎn)品還帶多路選擇器、中央控制器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。智能溫度傳感器的特點是能輸出溫度數(shù)據(jù)及相關的溫度控制量，適配各種微控制器(MCU).智能溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，所采用的總線主要有單線(1-WIRE)總線、I2C總線、SMBUS總線和SPI總線。溫度傳感器作為從機可通過專用總線接口與主機進行通信。智能溫度控制器是在智能溫度傳感器的基礎上發(fā)展而成的。典型產(chǎn)品有DS18B20,智能溫度

第5頁南通大學課程設計報告

控制器適配各種微控制器,構成智能化溫控系統(tǒng)；它們還可以脫離微控制器單獨工作,自行構成一個溫控儀。DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,具有3引腳TO－92小體積封裝形式;溫度測量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉換精度,測溫分辨率可達0.0625℃,被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生;多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線”接口，測量溫度范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+85℃范圍內,精度為0.5℃。DS18B20的精度較差為±0.2℃?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如：環(huán)境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新的產(chǎn)品支持3V~5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小。

新一代的“DS1820”體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。使您可以充分發(fā)揮“一線總線”的長處。DS18B20、DS1822“一線總線”數(shù)字化溫度傳感器。

由于DS18B20將溫度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、接口全部集成于一芯片，與單片機連接簡單、方便，與AD590相比是更新一代的溫度傳感器，所以溫度傳感器采用DS18B20。

2.3傳感器DS18B20簡介

利用DS-18B20數(shù)字溫度傳感器，對室內溫度進行檢測。該傳感器獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量溫度范圍為-55°C至+125℃。華氏相當于是-67到257華氏度-10°C至+85°C范圍內精度為±0.5°C。

2.3.1引腳介紹

第6頁

南通大學課程設計報告

DS18B20

引腳定義如上圖：123

(1)GND為電源地；DS18B20引腳圖(2)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；

(3)VCC為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。

2.3.2DS18B20內部結構

1.DS18B20的內部結構如下圖所示。

DS18B20

內部結構圖

DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：

①64位激光ROM。64位激光ROM從高位到低位依次為8位CRC、48位序列號和8位家族代碼(28H)組成。②溫度靈敏元件。

③非易失性溫度報警觸發(fā)器TH和TL?？赏ㄟ^軟件寫入用戶報警上下限值。

第7頁南通大學課程設計報告

④配置寄存器。配置寄存器為高速暫存存儲器中的第五個字節(jié)。DS18B20在0工作時按此寄存器中的分辨率將溫度轉換成相應精度的數(shù)值，其各位定義如下圖所示。TMR1R011111LSB

MSBDS18B20配置寄存器結構圖

其中，TM：測試模式標志位，出廠時被寫入0，不能改變；R0、R1：溫度計分辨率設置位，其對應四種分辨率如下表所列，出廠時R0、R1置為缺省值：R0=1，R1=1（即12位分辨率），用戶可根據(jù)需要改寫配置寄存器以獲得合適的分辨率。

配置寄存器與分辨率關系表：R00011R10101溫度計分辨率/bit9101112最大轉換時間/us93.75187.53757502.高速暫存存儲器

高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成，其分配如下圖所示。當溫度轉換命令發(fā)布后，經(jīng)轉換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如圖所示。對應的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉換為十進制；當S=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進制值。溫度低位溫度高位THTL配置保留保留保留8位CRCMSB

LSB

DS18B20存儲器映像圖

溫度值格式圖DS18B20溫度數(shù)據(jù)表：232221202-12-22-32-4

第8頁南通大學課程設計報告

MSBS

SSSS2625LSB243.典型對應的溫度值表:

+125+25.0625+10.125+0.50-0.5-10.125-25.062500000111110100000000000110010001000000001010001000000000000010000000000000000000111111111111100011111111010111101111111001101111111111001001000007D0H0191H00A2H0008H0000HFFF8HFF5EHFE6FHFC90H溫度/℃二進制表示十六進制表示

-552.4數(shù)碼管顯示

第9頁南通大學課程設計報告

2.5測量原理

DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨

率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。DS18B20測溫原理如圖所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在－55℃所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預置值。DS18B20測溫原理框圖

頁第10南通大學課程設計報告

在外部電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時I/O線不需要

強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉換溫度，讀取的溫度總是85℃。

2.6仿真圖

頁第11

南通大學課程設計報告

當溫度低于20℃或者超過36℃時，藍燈亮自動報警。（軟件實現(xiàn)程序見附件1）

頁第12南通大學課程設計報告

第三章